（电机与电器专业论文）异步电动机—晶闸管系统综合保护研究.pdf

华北电力大学硕士学位论文 摘要 本文主要研究电动机域供电线路发生故障时，异步电动机一晶闸管系统的综合 僳护策略。在分析异步电渤祝一般故障特性的基础上，针对采用晶闻管对异多电动 机进行节能控制时晶闸管与异步电动机绕组所形成的不同拓扑结构，详细分析了在 发生短路、断稳等番季孛故障辩鑫阑管与舅步电动搬绕组中逶避獒电流，为窦瑗鑫 霹 管的过流速断和异步电动机的可靠保护提供合理的保护判据。 本文分析了当输入信号中含煮衰减壹流分量时半波傅氏搏法的误麓，提出了一 种改进的半波博氏算法，新算法理论上可黻完全消除任意衰减时间常数的直瀛分量 对基波分量的影响。 关键词；异步电动机晶闸管综合保护 a b s t r a c t t h ec o m p r e h e n s i v ep r o t e c t i o no fd r i v es y s t e mo ft h ei n d u c t i o nm o t o ra n dt h e t w r i s t o r “es t u d i e sw h e nt h ef a u l ti so c c u r r e di nt h em o t o ro rf e e dc k c u i ti nt h i st h e s i s 、 t h e t h y r i s t o ra n ds t a t o rw i n d i n gh a v ed i f f e r e n tt o p o l o g ya r c h i t e c t u r ew h e nt h ei n d u c t i o n m o t o ri sc o n t r o l l e db yt h et h y r i s t o r b a s e do nt h ef a u l tc h a r a c t e r i s t i c so ft h ei n d u e t i o n m o t o r , t h ec u r r e n tt h r o u g ht h et h y r i s t o ra n dt h es t a t o rw i n d i n ga r es t u d i e dw h e nt h e s h o r t c i r c u i to ro p e n p h a s ef a u l ti so c c u r r e dt h er e a s o n a b l ep r o t e c t i o nm e t h o db a s e do n t h ed i f f e r e n tt o p o l o g ya r c h i t e c t u r ei sg i v e ni nt h et h e s i s ，a n dt h ei n d u c t i o nm o t o ra n dt h e o v e r _ e u r r e n to f t h et h y r i s t o ra r er e l i a b l yp r o t e c t e d t os o l v et h ep r o b l e mt h a tt h eh a l f - w a v ef o u r i e ra l g o r i t h mw i l lb r i n ge r r o r sw h e n t h e r ei s d e c a y i n gd cc o m p o n e n ti nt h es a m p l i n gs i g n a l ，t h et h e s i si n t r o d u c e s a n i m p r o v e dh a l f - w a v ef o u r i e ra l g o r i t h m i tn o to n l yi n c l u d e st h ef u n c t i o no f t h e h a l f - w a v e f o u r i e ra l g o r i t h m ，b u ta l s of i l t e r st h ee x p o n e n t i a ld e c a y i n gd cc o m p o n e n tw i t hr a n d o m d e c a yt i m ec o n s t a n ti nt h e o r y h o ub a i x i a ( e l e c t r i cm a c h i n e r ya n da p p a r a t u s ) d i r e c t e db yp r o ll u oy i n g l i k e yw o r d s ：i n d u c t i o nm o t o r ，t h y r i s t o r , c o m p r e h e n s i v ep r o t e c t i o n 声明 y8 1 ；7 7 1 ；5 本人郑重声明：此处所提交的硕士学位论文异步电动机一晶闸管系统综合保护研 究，是本人在华北电力大学攻读硕士学位期间，在导师指导下进行的研究工作和取得 的研究成果。据本人所知，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人 已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得华北电力大学或其他教育机构的学位或 证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了 明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：焦塑重日 期：塑生兰! 关于学位论文使用授权的说明 本人完全了解华北电力大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保管、 并向有关部门送交学位论文的原件与复印件；学校可以采用影印、缩印或其它复制手 段复制并保存学位论文；学校可允许学位论文被查阅或借阅；学校可以学术交流为 目的，复制赠送和交换学位论文；同意学校可以用不同方式在不同媒体上发表、传播学 位论文的全部或部分内容。 ( 涉密的学位论文在解密后遵守此规定) 作者签名：筮塑量 日期：2 e 0 6 ! 堡 导师签名黟 日 期：型丝：! d 牲北电力大学硕士学位论文 1 t 磅究意义 纂一牵绪论 异步电动机因其结构简单、制造方便、运行可靠、坚固耐用和价格低廉等优点 广泛应用予工矿企娩、交通运输和国防工业等应焉领域。电动机作为动力，是折有 动力设备中的主力军。据统计，电网的总负载中属于动力拖动的约占5 9 。而异步 龟凌壤熬栽逄羹嬲占慧动力受载熬8 5 孵h z j ，盎魏霹强器步电动税接为箍动系统中 的遂要组成部分在国民经济中占有举足轻重的地位，斟而确保电动机的安全、经济 运行就显褥十分重裴。 随着我国经济的发展，异步电动机将会受加广泛地应用于石油、化工、冶金、 纺织等部门。从实际运行情况来看，由于异步电动机的运行环境及运行工况各异， 天帮分异步电动瓿劳不是对嚣誊运行在额定工穗，有些熊载是羟誊变动的，焉显在运 行过程中最大负荷与最小负荷相差悬殊。以游粱式抽油机为例，在一个工作循环中， 龟援重载，轻载，空载及发电四静工援。由于在选配魄动枧容鬟时，一般均采用较 大容量电动机匹配。选择电动机时的主要依据是电动机长期运行中的发热状况，只 有选择大容量的电动机才能保证电动机的发热在额定范围之内。游粱式抽油机的动 力一般采溺y 系剜小型三穗异步电韵祝，藏定功率主要有5 5 k w 、4 5 k w 、3 7 k w 。 简抽油机在长期的运行中的负载功率仅为十几千瓦，平均负载约占所选掰电动机额 定窑量熬l ，3 ，属予不经济运 亍，出瑰了严重熬“丈马拯小车”麴电麓滔耗理象口l 。 此外还有风机，水裂等大部分异步电幼机都工作在不同程度的轻载状态下。轻载运 行时电动机的功率因数和运行效率都报低。这种状况! 必然造成大量的、不必要的电 熊损失。随着科学技术的发展，大功率电力嘏子器件已经越来越多的应翊于电力领 域，其中采用晶闸管对异步电动机进行控制实现节能，已经应用到实际的生产当中。 文献【3 】 【7 】中挺整- f 三稳异步电费橇定予每翱绕组与薅反鞠势联戆鑫隧管或蔽箱 晶闸管相串联，通过改变双向晶闸管的控制策略实现抖步电动机的调压、软投入、 软扇动、断电节能等不固节裁方式。由于电力电子器件承受过电压和过魄流的能力 鞍差，短时闯的过电压和过电流就会犯器件损坏。因此在电力电子节能控制装置中， 除了电力电子器件参数要选择合适、驱动电路设计良好外，保护就成为提高电力电 子器释运 予可靠往必不可乡魏重要环节。 据不完全统计，全国每年由于电动机过载、短路和断相等敞障引起严重损坏的 恶性事鼓达教百起，经济损失巨丈，根据有关部门统计，我国每年烧毁的电动机数 量达2 0 万台次，总容量约4 0 0 0 万千瓦、直接损失达1 6 亿元左右、间接损失高达 1 华北电力大学硕士学位论文 百亿元。异步电动机在运行过程中所发生的故障会引起电动机本身严重发热， 缩短电动机的绝缘寿命，甚至损坏电动机。同时由于电动机往往与生产机械连在一 起，故异常运行的电动机经常波及生产系统，影响其它用电设备，甚至导致整个用 电系统的瘫痪。因此研制性能良好的电动机保护装置，实现有效、灵敏、快速的电 动机保护，是保证生产系统_ i _ f 常工作的一项重要任务，在工农业生产中有着重要的 现实意义。 1 2 国内外的研究动态 1 2 1 电动机保护的研究动态 电动机保护技术的发展可以概括为三个阶段：机电式、电子式和微机式。机电 式保护方式具有结构简单、成本低、安装方便等优点，其主要缺点是：保护动作慢、 保护时滞性、灵敏度低，对轻微过载、堵转、缺相保护欠佳等。电子式保护是由晶 体管型发展到集成电路型，其功能的设置基本满足对电动机保护的要求，但仍存在 较大的缺陷，由于故障判断不清，动作特性与电动机热曲线不协调等容易造成拒动 或误动。 ( 1 ) 机电式 传统的中、小型电动机保护主要采用熔断器、热继电器和电磁型电流继电器。 2 0 世纪5 0 年代以前的继电保护都是由电磁型、感应性或电动型继电器组成的。这 些继电器都具有机械转动部件，统称为机电式继电器。 熔断器是最早的、最简单的过电流保护。熔断器受其规格限制无法按电机额定 电流进行准确设定。如果熔断器规格选得太小，容易一相熔断而使电动机单相运行 使事故进一步扩大，造成电动机烧毁。如果熔断器规格选得太大，则达不到过载保 护的效果。熔断器不能满足选择性和快速性的要求。 在建国初期，我们引进了苏联的j r 系列热继电器，从而开始了其在中国电动 机保护行业中长达半个世纪的生涯，直到1 9 9 6 年国家八部委联合发文强制将 其淘汰。热继电器在电子业尚不发达的时代曾是电动机过载保护的首选产品，它是 利用双金属片热效应工作的，双金属片是由不同膨胀系数的两片金属铆合而成，当 电流通过时它将产生热量，并向膨胀系数小的一边弯曲，电流的大小和弯曲的程度 成正比，当电流超过热继电器整定电流的一定倍数时就会启动其中的脱扣装置从而 切断主回路达到保护的目的。但热继电器整定粗糙、受环境影响大、重复性差、误 差大及功能单一等，这些已经无法满足越来越高的要求，因而也就无法避免被淘汰 的命运。 电磁式电流继电器具有过载、堵转等保护功能，但其结构复杂，机械制造精度 2 华北电力大学硕+ 学位论文 高，价格高且体积庞大，因而目前已被基本淘汰。 机电式继电保护装置体积大，消耗功率犬，动作速度慢，机械部分和触点容易 磨损或粘连，调试维护比较复杂，不能满足要求。 ( 2 ) 电子式保护 2 0 世纪5 0 年代出现了晶体管式继电保护装置。这种保护装置体积小、功率消 耗小、动作速度快、无机械转动部分，成为电子式静态继电保护装置。集成电路技 术的发展，从而出现了体积更小、工作更加可靠的集成运算放大器和其它集成电路 元件，这促使静态继电保护装置向集成电路化方向发展，为电动机的安全运行提供 了较可靠的保障。其中得到公众认可且具有自己品牌特色的以韩国三和技研株式会 社的产品为代表，其产品品种多样，规格齐全，在国内市场具有一定影响。但电子 式保护产品仍存在一些无法克服的缺陷，包括如下几个方面：整定精度不高、采样 精度不高抗干扰能力差、无法实现具有多种保护功能于一体的全保护。 随着社会的发展，人们对电动机保护的要求也越来越高，希望电动机保护装置 的功能多样化，性能可靠，接线简单，界面直观且体积要小，这些都是纯粹的模拟 线路根本无法实现的。 ( 3 ) 微机式 2 0 世纪9 0 年代开始向微机保护过渡。目前微机保护装置已经取代集成电路继 电保护装置，成为静态继电保护装置的主要形式。微机保护是将微型机、微控制器 等器件作为核心部件构成的继电保护装置。微处理器逐渐进入了电动机保护领域， 出现了单片机控制的电动机多功能保护装置。微机式电动机保护装置集过载、短路、 堵转、断相等多种保护功能于一体，并具有远程通讯、声光报警等功能。 微机保护具有以下优点【l l 】： 性能优良。由于微型机的应用，使机电式和电子式保护中存在的技术问题，可 以找到新的解决办法。 可靠性高。有极强的综合分析能力和判断能力，能够自动纠错，即自动识别和 排除干扰，防止由于干扰而造成误动作。具有自诊断能力，能够检测出本身硬件的 异常部分，可以有效的防止拒动，因而可靠性很高； 灵活性强。由于微机保护的特性主要由软件来决定，不同原理的保护可以采用 通用的硬件，只要改变软件就能够改变保护的特性和功能，从而可以灵活的适应运 行方式的变化。 易获得附加功能。这有助于运行部门对事故的分析和处理。 维护、调试方便。在微机保护应用之前，机电式和电子式保护装置的调试工作 量很大。而微机保护具有很强的自诊断功能，对硬件各部分和程序( 包括功能、逻 辑等) 不断进行自动检测，一旦发生异常就会发出警报。通常只要给上电源后没有 报警，就可确认装置是完好的。从而可以大大减轻运行维护的工作量。 3 华北电力大学硕士学位论文 经济性好。微处理器和集成电路芯片的性能不断提高而价格一直在下降，可以 基于通用硬件而实现多种保护功能，在经济方面也优于传统保护。 因此，以微处理器为核心的智能化电动机保护装置逐渐成为市场的主流。随着 微电子技术的发展，微机电动机保护装置将朝着智能化，综合化，高精度，高可靠 方向发展。 目前，国外一些著名的电器公司纷纷推出了以微处理器为核心的智能化保护装 置，西屋公司的a d v a n t a g e 系列、a b b 公司的m s g 系列等能提供过载、启动电 流、三相电流不平衡、断电保护和自我监控等功能的继电器。与传统产品相比，这 类保护器具有优异的保护特性，保护功能和工作可靠性大为提高；但价格大多比较 昂贵，与国内实际情况不太相符合，且售后服务不太便利，故在国内投运的数量不 大。 我国微机型电动机保护起步较晚，在微机线路保护已经开始普遍运用的时候， 微机电动机保护尚处于萌芽状态，这当然不是技术上存在问题，而是国内的大的保 护公司把主要精力都投入到微机发变组保护、大型变压器保护、1 1 0 k v 、2 2 0 k v 、 3 3 0 k v 、5 0 0 k v 线路保护中。这就在一定程度上，造成研制生产电动机微机保护的 技术力量相对薄弱的局面。尽管电动机保护相对于1 1 0 k v 线路保护来说是简单了 些，但由于电动机具有诸多的特殊性，要真正作到线路保护那样的水平尚须时日。 目前国内微机电动机保护的生产厂家主要有南京东大集团电力自动化研究所与南 京东大七星电气自动化有限公司，太原合创自动化有限公司，武汉琴台电子研究所 等【1 ”。 利用微处理器实现电动机保护的多功能化和智能化已成为今后发展的方向，它 将不断地从相关科学技术中取得的最新成果中发展完善自身。 1 2 2 晶闸管保护的研究动态 电力电子器件承受过电压、过电流的能力较弱，且遇故障容易瞬间损坏。在实 际使用中，总不可避免地会遇到瞬时过电压、过电流。可靠的保护是晶闸管能否正 常运行的关键之一。 常用的过电压保护有阻容吸收回路、硒堆吸收回路、压敏电阻等非线性元件。 过电流分过载和短路两种情况。由于晶闸管的热容量较小，以及从管心到散热 器的热传导途径中要遭受到一系列热阻，所以一旦过电流，结温上升很快，特别是 瞬时电流通过时，内部热量来不及传导，结温上升更快。晶闸管承受过电流的能力 主要受结温的限制。在我国，规定风冷器件额定结温为1 1 5 ，水冷器件额定结温 为1 0 0 。c 。按照此标准规定，晶闸管在规定的冷却条件下，通过2 倍通态平均电流 时，可经受的时间为5 0 0 m s ；通过3 倍通态平均电流时，可经受的时间为6 0 m s ：通 4 华北电力大学硕士学位论文 过6 倍通悉平均电流时，可经受的时间为2 0 m s 。因此猩晶闸管的应用过程中，若靛 生过电流故障时，采取可靠的保护措施，在晶闸管可承受的时间范围内切断电流， 列可以保谖晶闸管不被损坏h “。晶阕管的过电流傈护育以下几种常用的方式： f 1 ) 交流断路器： 交漉辑黯嚣豹全部凌幸箬瓣阚巍0 。l o 。2 s ，蕊溺管不拢在这群长载酵瓣墨承受螺 路电流，因此交流断路器只能作为后铸保护来使用。 犯1 快避熔断器： 快速熔断器简称快熔，怒电力电子装置中最简单，使用最广泛豹种过电流保 护措施。快速熔断器的分断时间短( !t 旦j 髻|o 1 ”l 图2 1 4 异步电动机a 接两相短路 此时电动机的端点的边界条件为： u o = u u b = 0 u = 一u 2 0 ( 2 3 3 ) ( 2 3 4 ) ( 2 - 3 5 ) ( 23 6 ) c 两相短路，此时端电 c ( 23 7 ) 华北电力大学硕士学位论文 吨+ = ；( 玩+ 。玩+ 。2 也) = i - 3 = 2 0 玩一= j ( 玩+ a 2 巩+ 。吐) = 与等口 0 0 0 = ；( 玩+ 玩+ 0 0 ) ：o j 定子绕组中的正、负序电流为： r = o t - = 丁i - o ：2 云o o 争= 半手 j o o = 0 定子绕组中的电流为： t = 五+ + t 一+ 上。= 半争+ 半芋 t = a + + e 6 2 t + 瓦= 孚等+ 了o ：2 - i 可0 线电流为： a ：专+ 告 2 3 3 单相接地短路 ( 2 3 8 ) ( 23 9 ) ( 24 0 ) ( 2 4 i ) 三相异步电动机在正常运行时，若电网电压完全对称，则在各相电流中不会出 现零序电流。当电动机绝缘被破坏时，将导致绕组对外壳短路，引起绕组对地短路 故障。在发生绕组接地故障时，不仅故障电流通过定子铁芯引起铁芯过热，性能变 坏，而且使电机外壳带电；严重威胁着操作人员的生命安全，所以要有单相接地保 护措施。当电动机发生接地故障时，无论时金属性接地还是非金属性接地，都会出 现零序电流。零序电流的大小主要决定于故障的程度，即取决于故障的位置及接地 阻抗。 2 4 电动机的过负荷 过负荷是电动机最常见的也是最严重的不正常工作状态。产生过负荷的原因 有：( 1 ) 所带机械部分的过负荷：( 2 ) 由于供电网络电压和频率的降低而使转速下降。 2 1 华北电力人学硕 一学位论文 过负荷可以分为短时的和稳定性的两种，只有稳定性的过负荷才对电动机有危害。 电动机的过负荷能力通常用过电流倍数与允许通过时间的关系来表示。根据经验和 国内通用的情况，两者呈现反时限的关系。由子电动机长时间处于过负荷状态会引 起电动机绕组过热，最后导致绕组削绝缘的损坏，所以电动机长时间过负荷运行是 不允许的。 华北电力大学硕士学位论文 第三章不同拓扑结构异步电动机一晶闸管系统的综合保护 采用晶闸管对异步电动机进行节能控制时，晶闸管与电动机绕组形成不同电动 拓扑结构：晶闸管外接在电源侧，定子绕组可以是y 接，也可以是接；或晶闸管 串入电动机绕组形成内接。当异步电动机或供电线路发生故障时不同拓扑结构流 过晶闸管的电流也会有所不同。本章就是针对不同拓扑结构，详细分析发生短路、 断相故障时流过异步电动机绕组和晶闸管的电流，为实现晶闸管的过流速断和异步 电动机的可靠保护提供判据。 3 1 常见的几种拓扑结构 为了保证晶闸管节能控制系统安全、经济的运行，在设计电气回路时，考虑晶 闸管节能控制回路与常规运行回路相并联，如图3 1 所示。一旦晶闸管出现异常， 可以由节能运行状态切换到常规状态，保证电动机的连续运行。 m 卜_ lwl 蛳 l ：j 图3 - l 电气主接线示意图 节能控制系统中晶闸管与电动机绕组可以形成内接、外接不同的连接方式，具 体连接方式如图3 - 2 、3 - 3 所示。 c ( 8 ) 绕组星接 爿 占 c 图3 - 2 晶闸管外接 ( b ) 绕组角接 华北电力大学硕士学位论文 ( a ) 绕组星接( b ) 绕组角接 图3 - 3 晶闸管内接 当异步电动机绕组y 接时，无论晶闸管外接( 如图3 2 a ) 还是晶闸管内接( 如 图33 a ) ，在正常运行时，流过晶闸管的电流和异步电动机定在绕组中的电流相同， 都为线电流。当异步电动机绕组接时，晶闸管外接( 如图32 b ) ，流过晶闸管中的 电流与定子绕组中的电流不同，晶闸管中流过线电流，定子绕组中为相电流；而当 晶闸管内接( 如图3 3 b ) 时，晶闸管中的电流与绕组中电流相同，均为相电流。异 步电动机接，若负载相同，晶闸管内接时，通过的电流值较小，仅为晶闸管外接 时的1 3 。 大容量的功率器件，价格比较昂贵，并且损坏后更换也要影响到正常生产的进 行。因此首先必须了解和掌握晶闸管的主要参数，然后根据具体电路情况选择合适 的型号，正确的使用晶闸管。在节能控制系统中绕组与一对反相并联的晶闸管或双 相晶闸管相串联。晶闸管的模块示意图如图3 - 4 所示。 图3 - 4 晶闸管模块示意圈 华北电力大学硕士学位论文 3 2 晶闸管外接 3 2 1 三相短路 异步电动机的三相短路是最严重的一种故障，它往往是其它故障恶性发展的后 果，危害性很大。如图3 5 所示，在电动机引出线处发生三相短路。 图3 - 5 晶闸管外接三相短路 从图中可以看出，晶闸管中将通过一大电流，电流值与电源内阻抗和线路阻抗 有关。若电源内阻抗和线路阻抗很小，则迅速产生很大的电流，使晶闸管烧坏；即 使电源内阻和线路阻抗较大，对电流有一定的限制，但若不及时排除故障，也会使 晶闸管因过热而损坏。晶闸管承受过电流的能力较弱，发生三相短路时，必须采用 瞬时动作的电流速断保护。首先迅速闭锁触发脉冲，然后切断电源。 电流速断保护应按照以下原则整定：( 1 ) 躲开供电网络为全电压启动时，电动 机的启动电流；( 2 ) 躲开在供电网络中发生故障的瞬间，由电动机供给电网的冲击电 流 1 1 】。 一般电动机容量小于变压器额定容量的一半，设电动机引线发生三相短路时， 系统供给侧的短路电流为”，电流速断保护动作电流，叩为应整定为： l 以” ( 3 - 1 ) 3 2 2 两相短路 当晶闸管外接时，电动机端口发生两相短路，如图3 - 6 所示，a 相与电源末切 断。则非故障相电压等于故障前电压，此时流过非故障相a 相晶闸管中的电流与电 动机绕组中的电流相同，流过b 、c 故障相晶闸管的电流由系统的正、负序阻抗决 定。j _ f = 序阻抗与负序阻抗相同时，两相短路电流为三相短路电流的3 2 倍。正序电 流与负序电流幅值基本相同l t l m l l j 。 华北电力人学硕士学位论文 3 2 3 单相接地 图3 - 6 晶闸管外接两相短路 当电动投发生接建故障黠，无论辩金属蛙接她还燕龚金属性接避，都会出戮零 序电流。零序电流的大小主臻决定予故障的程度，即取决于故障的位置殷接地阻抗。 电动机接地故障取决于供电系统的中性点接地方式。在直接接地或中性点经电阻接 魂系统中，j 逝时发生单相接媲短路鼗薅，接地短路投鼯电流将怒缀大数德，园范需 要装配专用的接地保护装置。在中性点非直接接地电阚中的高压电动机，当容量小 予2 m w ，嚣接地电瀛太子1 0 a ；或蜜量大予2 m w 及其班上，露接邋奄漉大于5 a 时。应装设接地保护，并瞬时动作与断路器跳闸”。 对于电动机所猩的低压电网，中性点一般不接地或经消弧线圈电阻接地，其迩 予擎辐接溉主要出绝缘损坏g 起，冀零序电流多为窀容电流，被障电流较小，动作 时间可整窟。可以由三相电流求和来取得零序电流或装设专用的零序电流互感器。 3 2 4 堵转 当异步瞧动飒发生堵转时，此鬟雩毒三稳瓣穆夔大，l 、终为颧悫电流4 7 倍的大瞧 流流过晶闸管和电动机绕组。晶闸管和电动机都很容翁烧坏。首先闭锁触发脉冲， 然后短时隈内切除电源。采用短时限过电流保护。 3 2 5 断相保护 f 1 ) 髯步电囊瓠y 接 当三相异步电动机y 接时，从表2 - 1 中可以看出，电动机发生电源一相断歼或 凑部绕组鸯一相骣歼，电动掘鳃赦障特征完垒辐同。发生一相叛线时，赦障辐电流 为零。而麒对称分蛩法分析结果可以看出，正序电流、氩序电流幅值相等阢+ | _ 阢一i 。 可以根据一相电流为零作为故障判据，也可以根据正序电流和负序电流的比例关系 俸为断褶酌馥障判攥。y 按时根据相电流为零来翔凝故障，穗苹曩行。 在异步电动机y 接时，并不能点接判断出是电源断相还是绕组断相。节能状态 下发生叛毒麓数障时，霹鞋毙切换到常溉运行状态再迸一步判薮，若是崮予鑫阕管瓣 瑟瑟霸 华北电力大学硕士学位论文 一相没导通导致电动机断相运行，则在常规状态下继续运行，否则切断电源。 ( 2 ) 异步电动机接 异步电动机接，其故障特性如表2 - 1 中所示。当晶闸管外接，检测到线电流 中有两相幅值相同，另一相电流为这两相幅值的3 倍，或是l ，。+ | = 2 i ai ，则可以断 定是绕组内断线，直接跳开断路器；若是检测到线电流中一相为零，或是l ，。+ i = l 。一| ， 则是电源一相断线或是晶闸管一相没导通所导致，可咀闭锁触发脉冲，切换到常规 运行状态，若仍然判断是断相运行，再切断电源。 3 2 6 过负荷保护 由于电动机的过负荷特性呈现的是反时限特性，因此良好的电动机保护应能与 过负荷特性相匹配。采用常规的反时限特性，其基本动作时间为 1 1 】： f ：巢l + 4 0 2 ( 3 2 ) ，、0 7 一 式中： f 一保护动作时间： t 一延时整定系数； ，。一整定电流； 一流过互感器的实际电流值 3 3 晶闸管内接 3 3 1 三相短路 如图3 7 晶闸管内接时，晶闸管中流过的电流与电动机绕组中的电流大小相 等。发生三相对称短路后，异步电动机由于无外部电源供给，其转速将逐步减小， 稳态短路电流将为零。电动机端点短路的交流电流初始值约为电动机额定电流的4 5 倍 2 ”。 图3 7 晶闸管内接三相短路 2 7 弩对銎 蓊 华北电力夫学硕学位论文 3 3 2 两相短路 当鑫潜管蠹接拜孪，龟魂氍端日发生嚣接短路，蟊篱3 - 8 辑示，j 逡对浚遵瑟爝蛰 的电流与电动机绕组的电流相等，由界步电动机的正、负序阻抗决定。 ( a ) y 接 ( b ) 援 圈3 - 8 晶闸管内接两相短路 如图3 - 8 a 所示，y 接发生两相短路，电源来切断对流过晶阐管和电动机绕组的 电流为： j 。u 3 ( f ti z - ) 支z 等( 芋+ 争 仔3 ) 五= 等c 詈+ 争 如图3 8 b 衙示，搂时，流过晶闸管和电动机绕组的电流为： 1 一a 2e 71 一口 2 ”2 了i + 了云 o t 一1dd 2 1d 屯2 了i + 丁云 此时由于转差率的存在，异步电动机的负序阻抗小于难序阻抗 负序电流。 3 3 3 断相 ( 3 - 4 ) 因此正痔电流小于 ( 1 ) 舅步电动瓿y 接 异步电动机y 接，发生断相故障时，晶闸管内接于晶闸管外接故障特征完全相 髓，蛭相保护隧晶闷管外接。 ( 2 ) 异步电动机接 当晶闸管内接，检测到绕组中有两相幅值相同，另一相电流为这两相幅值的2 嵇，或是| f 。+ | = | 一| ，粥可以断定是彀源一稳断线，壹耧魏开断路嚣：若楚捡弱到绕 华北电力人学硕士学位论文 组中电流一相为零，或是i l + 【= 2 1 i 。一i ，则是绕组一相断线或是晶闸管一相没导通所 导致，可以闭锁触发脉冲，切换到常规运行状态，若仍然判断是断相运行，再切断 电源。 电动机堵转、过负荷保护同晶闸管外接时，在此不再赘述。 3 4 晶闸管的其它保护 ( 1 ) 晶闸管的过电压保护 晶闸管中可能产生的过电压分为外因过电压和内因过电压两类。外因过电压主 要来自雷击和系统中的操作过电压等外部原因。内因过电压主要来自电力电子装置 内部器件的操作过程，包括以下几个部分口6 j ： 1 1 换相过电压：由于反并联的晶闸管在换相结束后不能立即恢复阻断能力，因 而有较大的反向电流流过，使残存的载流子恢复，而当其恢复了阻断能力时，反向 电流急剧减小，这样的电流会因线路电感而在晶闸管阴阳极之间产生过电压。 2 1 关断过电压：当器件关断时，因正向电流的迅速降低而线路电感在器件两端 感应出的过电压。关断过电压数值可达到工作电压峰值的5 - 6 倍，所以必须采取保 护措施。 关断过电压保护最常用的方法是在晶闸管两端并联r 、c ，形成如图3 - 9 所示 的过电压阻容吸收回路。利用电容两端电压不能瞬时突变的特性，吸收过电压。并 联电阻的作用是：1 ) 抑制l b c 电路振荡。由于电路总有电感存在，如不串接电阻， 电容c 与线路电感l b 产生振荡，电容两端产生比电源电压高得多的振荡电压，容 易损坏晶闸管。2 1 限制晶闸管开通损耗与电流上升率。阻容吸收电路要尽量靠近晶 闸管，引线要短，最好采用电感电阻，这样保护效果较好。 c r 图3 - 9r c 过电压吸收回路 阻容吸收回路中阻容电路参数的选择，可以按表3 1 5 0 3 】取经验数据值。电容耐 压的选在一般在晶闸管电压的11 1 5 倍。 电阻功率为： 式中，一5 0 h z 最= ，c u ：1 0 “( 矿) ( 3 5 ) 华北电力大学硕士学位论文 u 。一晶闸管工作峰值电压( n c 一与电阻串联的电容( a f ) 表3 - 1 晶闸管阻容电路经验数据 ( 2 1 限制晶闸管“，d t 的保护 在阻断状态下，晶闸管的山结面相当于一个电容，如果突然受到正向阳极电压， 就有充电电流流过门极与阴极的p n 结，相当于流过一触发电流。当正向电压上升 率d u d t 较大时，充电电流也较大，就会使晶闸管误导通。因此，晶闸管的正向电 压上升率应有一定的限制。 产生幽疵过大的原因主要有： 1 1 由电网入侵的过电压。 2 ) 由于晶闸管换相时相当于电压短路，换相结束后电压又升高，每一次换相都 可能造成幽击过大。 限制d u d t 过大的主要措施也是在晶闸管两端并联一个r c 吸收电路。 ( 3 ) 限制晶闸管d i d t 的保护 晶闸管在正向阳极电压作用下，当门极流入触发电流后，最初的导通瞬间，主 电流集中在门极附近，随着时间的增长，导通才逐渐扩大，直到全部结面导通为止， 这个过程约需几微秒到几十微秒。如果导通时电流上升率太大，则可能引起门极附 近过热，造成晶闸管损坏。因此，对晶闸管的上升率d i d t 必须有所限制。 产生d i d t 过大的原因主要有：在晶闸管导通时，与晶闸管并联的阻容保护中的 电容突然向晶闸管放电。 限制晶闸管产生洲斫过大，除了在阻容保护中选择合适的电阻外，可在每个桥 臂上与晶闸管串联一个小电感，其值约几到几十微亨【5 ”j 。 f 4 1 晶闸管的散热 晶闸管在导通状态下和开关过程中的功耗会变为热量从散热器传导到外部环 境，如果所选用的散热系统设计不当，将会导致电力电子器件结温巧超过允许的最 大值r 。，而损坏。 因为晶闸管的工作频率较低，通态损耗是其发热的主要原因。确定通态损耗的 简便方法是从制造厂给出的通态损耗与通态平均电流关系曲线只，l ，直接查出。 制造厂通常给出正弦半波不同导电角r 和矩形波不同导电占空比7 的两组只，l ， 3 0 华北电力大学硕+ 学位论文 曲线。 下面是选用散热器时应理解的几个概念。元件的损耗功率p 是指元件在工作时 自身产生的平均稳态功率消耗，即平均有效值输出电流与平均有效值电压降的乘 积。耗散功率q 是指散热结构的散热能力。热阻且，。是指热量在媒质之间传递时单 位功耗所产生的温升，r 。= a t q 。 设环境温度为l ，配置散热器时，必须保证在其热源温度不超过i 。的前提 下能将元件的热损耗有效地传导至周围环境，即 p q = p w r o ) l r m ( 3 - 6 ) r = 县，c + r ( s + r “ ( 3 - 7 ) 其中： r ，是结点至管壳的热阻，与元件的工艺水平和结构有很大关系， r 。是管壳至散热器的热阻，与管壳和散热器之间的填隙介质( 通常为空气) 、 接触面的粗糙度、平面度以及安装压力等密切相关。咒，一般约等于( o 】0 2 江凡、。 r 。是散热器至空气的热阻，它是散热器选择的重要参数，与材质、材料的形状 和表面积、体积以及散热介质流速等参数有关。 因此选择散热器应当做到： r 。 一r y e 一陋。+ ( 3 - 8 ) 一般散热器厂商应提供特定散热器材料的形状参数和热阻特性曲线，据此设计 人员可计算出所需散热器的表面积、长度。一般情况下都优先选择使用铝型材散热 器，为方便应用，有的模块在特性参数表中给出了在强迫风冷时所需散热面积。散 热器长度的计算公式是： 模块所需散热器面积= 散热器周长+ 散热器长度+ 截面积+ 2 其中，模块所需散热器面积为模块特性参数表中给出的参考值，散热器周长、 截面积可以在散热器厂家样本中查到，散热器长度为待求量。 晶闸管模块在安装到散热器上时，最好在它们的接触面之间应涂上一层很薄的 导热硅脂。涂脂前，用细砂纸把散热器接触面的氧化层去掉，然后用无水乙醇把表 面擦干净；模块紧固到散热器表面时要用弹簧垫圈，使二者接触良好。 在晶闸管上安装散热片，并且在散热片上加装风扇，由固定在散热片上的温度 继电器控制。当温度超过一定值时，温度继电器闭合，自动打开散热风扇。当温度 继续上升，高于定值，则抽油机节能控制器自动切换至常规运行。 华北电力大学硕士学位论文 第四章微机保护算法 在微机保护装置中，需要获取电压、电流、功率等交流电量，且必须满足实时 性的要求，及时响应现场各种状态的变化，迅速、准确地做出保护反应，消除或降 低故障引起的严重后果。在故障发生后的最初瞬变过程巾，电压和电流信号由于包 含衰减直流分量和复杂的谐波分量而发生严重的畸变。由于大多数保护装置的原理 是建立在反映余弦基波或整数次谐波之k ，通过相关算法对信号进行处理，得到基 波或某次谐波分量的数值来实现故障检测功能。 微机保护算法可视为对交流采样信号中参数的估算过程，对算法性能的评价也 取决于其是否能在较短数据窗内，从信号的若干采样值中提取出有用成分。为使保 护快速动作，选择数据窗较短的快速算法就成为关键。 4 1 全波傅氏算法 傅氏算法的思想来自傅氏级数，其本身具有滤波作用。它假定被采样的模拟信 号是一个周期性时间函数，除基波外还含有不衰减的直流分量和各次谐波分量，可 表示为 ”1 ： x ( f ) = x o + 置c o s ( q f + 吼) = + ( 置c o s o ) c o s n o j l t 一( 五s i n ) s i n q 归 ( 4 1 ) = + 【qc o s c o l t b s i n n c o l t ”= ( 1 ，2 ，3 ) 式中吒、酿分别为各次谐波的余弦项和正弦项的振幅。由于各次谐波的相位可 能是任意的，所以，把它们分解成有任意振幅的t f 弦项和余弦项之和。根据傅氏级 数的原理，可以求出基波分量的余、正弦项的振幅。q 、岛的时域表达式为： “- 2 ；e + 7 x t 订c 。s ( c o l t + 妒1 。一。， 岛= 吾卜仰s i n ( 咐竹渺 式( 4 2 ) 中t 为基波分量的周期，q 为基波分量的角频率( q = 2 一，许为f = 0 时基波分量的初相角。对于基波分量 时基波分量的初相角。对于基波分量 3 2 华北电力入学硕十学位论文 x 、= 斌+ 琰 h ( 4 - 3 ) 硝2 “啪： 用单片机处理时，是对离散的采样值进行计算。用离散采样值表示式( 4 2 ) 的全 波傅氏算法可以得到： d l5 j ；荟。2 c 。s 2 2 7 ( 44 ) 岛2 专否。( 的s i n ( 2 2 州) 傅氏算法不仅可用于基波分量的计算，其谐波分量的计算公式如下所示： 以2 j i 荟。2 c 。s 2 2 月7 ( 4 5 ) 钆2 寺善。( 。) s i n ( 旆t 2 州) 式( 44 ) 、( 4 5 ) 中表示采样点序号，n 为每个周期的采样点数。在离散情况下 n c o 。t = n 2 r c f 等k = n k 2 删( 4 - 6 ) n 次谐波的幅值置和初相角分别为 x ，= + 城 纯：删a n 益 ( 4 7 ) “ 全波傅氏算法不仅能完全滤掉各种整数次谐波和纯直流分量，对非整数次高频 分量和按指数衰减的非周期分量包含的低频分量也有一定的抑制能力，具有很好的 滤波能力。但数据窗需要一个周波( 2 0 m s ) ，响应时间较长。为了加快响应速度，有 时可以将数据窗缩短到半个周期，即半波傅氏算法。 4 2 半波傅氏算法 半波傅氏算法的积分区间使0 t 2 ，利用半个周波采样值来计算电流电压各次 谐波分量的正弦项和余弦项的系数。 次谐波分量的n 。 b 。的时域表达式分别为： 吼2 扩砸) c o s ( q m 沁8 ) 吒= 手r m ) s i n ( 咐仍冲 离散化的公式为： 华北电力大学硕七学位论文 q = 未鬈x ( 女) c 。s ( n t z ) 屯= 砉誊x s i n ( 础：形) ( 4 9 ) h 次谐波鲢幄毽j 0 和扔桴燕螺分涮为： 瓦= + 蟛 ( 4 - 1 0 ) 热。a r c t a n 鱼 吼 半波傅氐算法与全波傅氏算法相比，其滤波效果不如全波傅氏算法，不能滤去 壹浚分量帮销次谐浚分量。冀精度毙全渡倦氏舞法差，鼹是半波傅氏舞法静数据蜜 只有半个周波( 1 0 m s ) ，响应速艘快【”。 4 3 半波博氏算法酌改进 港上臻琵算法懿攉导遭程是基于被采样售号为焉麓信号静蓠摄下进货攘导韵， 但实际上故障电流中还存在按照指数规律衰减的非周期赢流分量。衰减直流分量会 降低傅氏算法的精度，为了鸯效的消除衰减直溅分量对蒸波分量滤波的影嗨，文献 【2 7 】、( 2 8 】、【3 6 】对分别半波傅氏算法避行了改避。文献( 3 6 】中经对半波傅氏滤波酌 衰减直流分爨特殊性质的分析，发现衰减直流分量对半波傅氏算法的影响主要表现 在拳波簿氏算法魏寝部，由貔提出一快速算法，帮僚掰睾渡德氏算法静实都与 m a n n m o r r i s o n 算法组合。这种算法能较大的消除衰减直流分量。文献 2 7 】中提出的 耨冀法理论一芝可以竞全滤除袭减直流分量，其蠢计算糖发毫的傀点。本文g l 用文献 f 2 7 ) 的基本思路，重新进行重新推导，与文献【2 7 】在第二个数据窗艏结果不同( 见附 录) ，得到新的结果。具体分析过程如下： 为了分辑衰减鬟流努董对半渡博菠算法静彰晌，弦定蔽障信号有如下形式： x ( o = x o e 廿+ x 。c o s ( n c o l t + 够) l1 ) * 4 式中，而为直流分量，r 为衰减时间常数，、分别为h 次谐波的峰值和 勰翊蹩。 假设暂不考虑输入信号x ( f ) 中的畿减直流分量，利用半波傅氏算法得到的理论 值为： 2 爿一c o s 纯 r 4 - 1 2 、 “；x ns i n 纯 对于式( 4 一n ) 中存在衰减赢流分鬣的信号采说，必然会菠半渡薄氏算法静结祭 3 4 华北电力人学硕十学位论文 产生误差。考虑到衰减直沉分量的影响，计算结果为： “= i 4f 2 x ( f ) c 。s ( ”q f ) 函 = 工”c 。s + 手f 7 2 爿j e “7 c 。s ( n q f ) 新 ( 4 13 ) 吒= 彳4 ：2 x ( r ) s i n ( h q f ) 击 = 五s i n + 睾f 归稚“( 吲) 出 令 瓯2 舻驴咖州出 1 4 ) 毛= 导f 2 五e 。“s i n ( ”q f ) 研 在式( 4 1 4 ) 中，当输入信号包含衰减直流分量时，x o o ，则j a o ，8b 0 a 为了保证半波傅氏算法在这种情况下仍能具有很好的计算精度，必须消除ja 和“ 的影响。 首先取第一个数据窗，使f 0 ，t 2 ，在理论上，移动的数据窗大小( 即即可 任意确定，但为了提高算法的计算速度以达到快速计算的目的，a t 选取为7 s ( - - 个 采样周n n n ) 合n 。一旦确定了每个周期的采样点数n ，x t 也就随之确定。利 用半波傅氏算法，根据式( 4 1 3 ) 和( 4 1 4 ) ，再令： a 2 i m ( n ) c o s q , o ( 4 1 5 ) b = l ( n ) s i n | ( o o 式( 4 13 1 就简化为 。爿+ 吒 ( 4 1 6 ) 乜= b + 磊 一、b 实际上就是所希望通过半波傅氏算法得到的理想实部和虚部。 再取另一个数据窗，使f l 耽+ 明。利用半波傅氏算法，得 3 5 华北电力大学硕士学位论文 令 得到 西= 彳4j a ：，2 + 6 r x ( f ) c o s c o ：) d t = x c o s 识+ 曼t y o e ( - j + a t ) ：r c o 文擘+ a t ) ) a t = 也c o s 纸+ ( c o s ( h q r ) 吒一s i n ( ”q r ) 瓯) d 也川7 ( 4 一1 7 ) 玩= 拿鬈“7 雄) 蝣n ( 蝌) 馥 = 曩s 溉纯+ 票2 2 0 e ( t + a z ) rs i n