（电工理论与新技术专业论文）三相感应电动机综合保护与控制研究.pdf

a b s t r a c t r e s e a r c ho nc o m p r e h e n s i v ep r o t e c t i o na n dc o n t r o lo f a s y n c h r o n o u s m o t o r a b s t r a c t ：t h ep r o b l e m so fc o m p r e h e n s i v ep r o t e c t i o na n dt h es o f t - s t a l t i n ga n d p o w e r - s a v i n go p e r a t i o no fa s y n c h r o n o u sm o o r a l es t u d i e di nt h i st h e s i s w i t ht h e h i g hf u n c t i o nm i c r o c o m p u t e r t h ec o m p r e h e n s i v ep r o t e c t i o na n d t h es o f t s t a r 恤ga n d p o w e r - s a v i n go p e r a t i o no fa s y n c h r o n o u sm o t o r a r ec o r r e s p o n d i n gu n i f i e d i tc a l ln o t o n l yp r o t e c tt h em o t o r ，b u t a l s oc o n t r o lt h em o t o r t h e f o l l o w i n gi st h em a i n w o r ko f t h e s i s ： 1 t h ef a u l tc u r r e n tc h a r a c t e r i s t i c so ft h ea s y n c h r o n o u sm o t o ra n dc o r r e s p o n d i n g r e l m i o n so ff a u l tr e a s o n sa r ea n a l y z e di nt h i sp a p e r b a s e do nt h ed e t e c t i o no ft h e p o s i t i v e s e q u e n c e a n dn e g a t i v e s e q u e n c ea n dz e r o - s e q u e n c ec u r r e n t ，an e w c r i t e r i o nf o ra s y n c h r o n o u sm o t o r p r o t e c t i o ni sp r o p o s e d t h i sp a p e rp r e s e n t st h e c o m p r e h e n s i v ep r o t e c t i o np r i n c i p l ea n da n a l y s e sc o r ea l g o r i t h mo f r e a l i z a t i o no f m u l t i f u n c t i o n p r o t e c t i o nb ym i c r o c o m p u t e r 2 t h e p a p e ra n a l y s e st h er e l a t i o no f t h es t a r t i n g - t i m ea n dt h em u l t i p l eo f s t a r t i n g c u r r e n ta n d v o l t a g ei nt h ec u r r e n t - l i m i t e ds t a r t i n gp r o c e s so f m o t o rw i t hd i f f e r e n t c h a r a c t e rl o a d a n di tp r e s e n t san o v e ld i g i t a lp h a s e c o n t r o lm e t h o db a s e d0 1 1 t h r e e p h a s et h y r i s t o rv o l t a g er e g u l a t i o nb ym i c r o c o m p u t e r i na d d i t i o n ，t h e p r i n c i p l ea n dd e s i g n so fd i g i 诅lp h a s e s h i f t i n ga n dt h ed i g i t a lt r i g g e rs y s t e ma l e d e s c r i b e d 3 i nt h i s p a p e r ，t h ep o w e r - s a v i n go p e r a t i o n o f a s y n c h r o n o u s m o t o r sw i t h s t e p d o w nv o l t a g ei sa n a l y z e dt h e o r e t i c a l l y t a k i n gc o n t r o lm e a s n r eo ft h er a t i o b e t w e e nt h es t a t o r v o l t a g e a n dt h es t a t o r c u r r e n t ，t h em e t h o do fl o w 1 0 a d p o w e r - s a v i n go p e r a t i o nb yr e g u l a t i n g v o l t a g ei sp r e s e n t s a n di t i s a n a l y z e d t h e o r e t i c a l l y t h a tt h ec o n t r o lm e a s u r ei sd e f i n e d i i - a b s t r a c t 4 t h ep a p e rp r e s e n t st h eh a r d w a r ed r a w i n go fm o t o rc o n t r o lc l “f l t e r , w h i c ht h e c o m p r e h e n s i v ep r o t e c t i o n a n dc o n t r o la r e c o r r e s p o n d i n g u n i f i e dw i t h m i c r o c o m p u t e r t h ec o m p r e h e n s i v ec o n t r o lc a nn o to n l yp r o t e c tt h em o t o lb u t a s l ob e p o w e r - s a v i n go p e r a t i o nc o n t r o la n ds o f t s t a r t i n gc o n t r 0 1 k e y w o r d s ：a s y n c h r o n o u sm o 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 ；s o f t - s t a r t ； p o w e r - s a v i n g ；c o n t r 0 1 i i i 三相感应电动机综合保护与控制研究 1 1 引言 第一章绪论 三相感应电动机以其具有结构简单、成本低、运行维护方便和机械特性能满 足大多数机械的要求等特点，在工业控制与各种电气传动系统中有着广泛的应 用。随着科学技术的不断发展，现代电动机采用了高性能电磁材料和绝缘材料， 在增效节能、降低成本的同时，体积重量不断减少，电动机的热容量和耐热限度 急剧下降。 由于电动机的运行环境及运行工况各异，有的要求长期连续运行，有的要求 在各种变负载、变速、频繁起制动状态下运行，而有的长期在轻载状态下运行等 等，因此为了保证电动机能长期可靠地运行，必须具备可靠的保护措施；同时， 为了提高电动机的运行效率，应具备节能运行控制措施。 三相感应电动机的起动电流达额定电流的5 7 倍，过大的起动电流会冲击电 网，影响供电线路上其它的相邻用电设备的正常运行；同时，频繁起动对电动机 本身也有相当大的冲击作用，特别是对鼠笼型转子的导条和端环有较大的破坏作 用。因此有必要对电动机进行软起动控制。 1 2 三相感应电动机保护与控制的研究现状及发展 电动机的故障形式是多种多样的，最主要的形式是绕组损坏。导致绕组损坏 的主要原因有： ( 1 )由于电源电压太低以至不能顺利起动，或者频繁起动，使电动机过负 荷。 ( 2 ) 因潮湿、灰尘、腐蚀性气体等环境因素以及过电压、过电流、机械力 或热作用而引起的绝缘老化和损坏，导致相闻短路或对地短路。 ( 3 ) 三相电源电压不平衡、波动过太或断相运行造成的过负荷。 传统的电动机保护主要是以熔断器、接触器、断路器及热继电器为主的组合 郑州大学工学硕士论文 保护方式和电子式保护方式。 、 热继电器组合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，即保护时滞性，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，如过载保护、短路保护、断相保护和接地保护等，电子式保护虽 然功能各异，实现方式不尽相同，但其基本原理一般包括两个方面：一是测取三 相电流经电流电压变换器取出电压信号，经整流滤波后送至鉴幅电路，通过检测 电流幅值反映过载、短路及堵转等以过电流为特征的故障；二是通过检测电动机 电压或电流是否缺相来反映断相故障。这类保护虽然能对电动机的故障起到一定 的保护作用，但仍存在较大的缺陷。由于故障判据不清，动作特性与电动机热曲 线不协调等造成拒动或误动。 以过电流为目标的保护基础是针对各类对称故障及严重短路故障如对称过 载、堵转三相对称短路等。但对于各类不对称故障，如断相、不对称运行等一 般不会出现太大的过电流。即使出现一定的过电流，也与因对称故障引起相同的 过流程度时对电动机造成的损害不完全相同。电动机在不对称故障时会产生较大 的负序电流，由此引起的负序效应会导致电动机端部发热，转子振动，转距减小 等一系列问题给电动机的运行带来隐患。对于电动机内部绕组故障，如匝间短路、 单相及两相接地短路等，一般都是由于运行环境较差，长期运行不当等原因造成 的。起初这类故障往往是局部的，并不出现明显的过电流，传统的过电流保护是 很难检测到的，若不及时处理会导致事故扩大，等故障严重到出现足够大的过电 流信息时，虽保护动作，当电动机已损坏，失去保护意义，因此电动机运行故障 的早期诊断是非常重要的。电动机故障判据的确定是电动机保护理论首先需要确 定的问题，当故障判据明确以后，才能根据故障判据确定电动机的保护特性。 根据对称分量法，当电动机出现各类不对称故障时，各相电流将会出现正序、 负序和零序电流分量。基于检测故障电流各序分量，并利用各序电流分量的不同 组合及幅值大小与故障类型之间的对应关系来- n n 故障类型，并以此作为故障保 护的判据，确定电动机的保护特性是电动机保护理论的发展方向。随着计算机控 制技术的发展，以单片机为核心的电动机微机综合保护控制的实现成为当前电动 三相感艟电动机综合保护与控4 研究 机保护的发展趋势。 在电动机微机综合保护控制系统中，由数据采集系统采集的电流、电压模拟 信号经滤波器滤波咸提供给模数转换器a d ，将模拟信号转欹为离教的数字信号， 经过数字滤波处理的数字信号送入c p u 主系统进行数学运算、逻辑运算，并进行 分辑、判瑟，最终输出信号命令或计算结栗，这种对数据避行处理、分析、判断 良实现保护功能的方法即为微机保护算法。在计算机保护中，不同的傈护原理、 特性由不同的算法实现，而每一种原理的保护其算法也可以有多种，所以微机保 护算法是研究感应电动机微机保护的重点之一。 三相感应电动机的起动与节能直是电动机控制领域中的研究热点。一方面 电动机起动时过大的起动电流将对电网产生冲击，产生较大的线路嚣降，馊电网 毫压波动过大，影响电网中其它忍电设备鹩正常运行。对予起动辩翔较长或起动 频繁静电动概来说，过大豹起动迄流，将傻疆动梳绕组绝缘过热而老化。勇一方 丽，随着电动机负载的变仡，电动机的远行效率、功率函数等工作特性也将发生 交记，特别是当电动机轻载运行对，其运行效率很低。由于三相感应电动机的起 动电流与定予绕组的外施端电压有关，为解决起动电流i 藏大的问题，传统的起动 设备主要是以降低电动机的定子瑞电压来限制起动电流。虽然这些起动方法在很 大程度上缓解了起动电滤过大的影响，但存在着对负载邋应能力差，起动电滚不 连续，起动设备笨重，维修工作量大等国有的缺路。随着电力电子技术帮诗算机 控割技术戆发展，剽爆控制鑫闲瞽曲簿逶角懿大，、来馥变电动机定子端电压静交 流电动机软起动和综合节能控制装置，开始逐步敝代一些常规的起动方式。 辔前的交流电动枫软起动和综合节能控涮装置主要由串接于电源和被控电 动视之间的三相反并联晶闸管调压主电路、电压电流信号采集处理电路、电压同 步信号采样及处理电路、脉冲触发电路及单片机c p u 应用系统组成。1 “”。其基 本工作原理主要是：来自电压同步信号采样及处理电路的电压傣号送入单片机 c p u ，以保证晶阐管触发脉冲信号与姥信号保持一致；以逛流互感器电路测出电 动规的实时工作电凌，经整溅、滤波、放大、模数转揆及怒毫黼离后送入擎片极， 以此信号佟为改变晶闹管控制角大小的依据；晶阐管触发脉冲经单片机发出，处 理看送入磊阐管控制稷来控制晶阐管的导通角，通过调节爵阐管的导通角来改变 加到电动机定子绕组上的三相电压。起动时，晶闸管调压生电路的输出电压可以 郑州大学工学硕士论文 按预先设定的函数关系逐渐上升或保持，直到起动结束，电动机所加的电压为全 电压。 软起动和综合节能控制装置的主要起动方式和节能功能有：”1 ( 1 ) 升压起动方式：这种起动方式最简单，不具备电流闭环控制，仅调整晶闸 管的导通角，使之与时间成一定函数关系增加。但存在着由于不限流，在 电动机起动过程中产生的冲击电流比较大，易损坏晶闸管的缺点。 ( 2 ) 斜坡恒流起动方式：这种起动方式是在电动机起动的初始阶段起动电流逐 渐增加，当电流达到预先设定的值后保持恒定，直到起动完毕。起动过程 中，电流上升变化的速率可以根据电动机的负载调整设定。电流上升变化 的速率大，则起动转距大，起动时间短。 ( 3 )恒流起动方式：这种起动方式是开机时即起动，在最短的时间内使起动电 流迅速达到设定值，通过调节起动电流设定值，可以达到快速起动的效果。 ( 4 )脉冲冲击起动：在起动的开始阶段，让晶闸管在极短的时间内，以较大电 流导通一段时间后回落，再按原设定值线性上升，进入恒流起动。 ( 5 )轻载调压节能功能：可设置节能运行方式。当轻载时，控制晶闸管的导通 角降低定子绕组上的电压，减少电动机的铁心损耗和铜耗，从而提高电动 机的运行效率。重载时，则提高电动机的端电压，确保电动机的正常运行。 为保证三相反并联晶闸管调压主电路中的三组晶闸管正常工作，对晶闸管脉 冲触发电路一般应满足要求：j 。 ( 1 ) 触发脉冲的宽度应保证晶闸管可靠导通。 ( 2 ) 触发脉冲应有足够的幅度。 ( 3 ) 所提供的触发脉冲应不超过晶闸管门极的电压、电流和功率定额，且 在门极的可靠触发区域之内。 目前晶闸管触发电路主要为移相触发电路和集成触发电路，其优点是结构简 单、可靠，但缺点是易受电网电压影响，触发脉冲的不对称度较高，精度低。由 于数字触发电路可获得较好的触发脉冲对称度，因此，在三相晶闸管调压控制系 统中，数字移相控制触发方法会得到越来越多的应用。 三相感应电动机综合保护与控制研究 1 3 本文内容安排 本文主要讨论了三相感应电动机的微机综合保护方法及电动机软起动与节 能控制的基本原理和实现方法，提出了电动机保护控制一体化，即能对电动机进 行可靠的保护，又能对电动机进行节能控制与软起动控制。并对电动机保护与控 制的硬件结构和部分算法进行了讨论。本文的内容安排如下： 第一章：绪论。主要介绍了三相感应电动机的保护、软起动控制与节能控制 的研究现状，简单讨论了电动机传统保护方式的缺点和微机综合保护的实现方 式。对目前电动机软起动与节能控制的原理及方法进行了概括说明。 第二章：三相感应电动机的综合保护。在本章中，对电动机的故障电流进行 了分析，在此基础上讨论了电动机综合保护的故障判据，并给出了微机综合保护 的一种核心算法及实现方法。 第三章：三相感应电动机的软起动控制。首先对三相感应电动机起动问题进 行了讨论和总结，对电动机在- 叵电流下的起动过程中的起动时间与电压率的关系 进行了分析，给出了一种三相晶闸管调压的单片机数字移相控制方法的工作原理 与数字触发系统的设计原理。 第四章：三相感应电动机的节能控制。在分析了电动机降压节能的理论基础 上，给出了一种节能控制运行的控制量的选取方法。 第五章：结论与展望 郑州大学工学顶士论文 第二章三相感应电动机的综合保护 三相感应电动机结构简单、成本低廉、运行维护方便等特点，广泛应用于 各行各业。作为电气主设备，电动机是数量最多的一种。以往由于每台电动机 的不大，电动机保护不为继电保护工作者重视，电动机因过载、缺相、接地等 故障而烧毁绕组的事故时有发生。随着科学技术的发展，现代电动机采用了高 性能的电磁材料和绝缘材料，在增效节能、降低成本的同时，体积重量不断减 少，电动机的热容量减小，从而使得电动机绕组的电流密度显著增加，电动机 过载时温升速度比老式电动机快2 - 5 倍。同时，由于控制系统的复杂化和多样 化，要求电动机经常运行在频繁起制动、正反转、间歇负载以及变负荷等工况 下，电动机的发热情况极其所受到的电动力和热力的冲击相当悬殊，而电动机 的寿命与它所受到的起动频率和持续时间密切相关。因此，为了确保电动机的 安全可靠运行，改善电动机的继电保护性能，对电动机进行综合保护是十分必 要的。 传统的电动机保护主要是热继电器和感应型过流继电器，这类保护的整定 配合及动作的可靠性较差。各类电子型电动机保护器虽然功能各异，实现方式 不尽相同，但其基本原理主要是：检测电流值反映过载、短路及堵转等以过流 为特征的故障；通过检测电动机电压或电流是否缺相来反映断相故障。但这类 以过流为目标的保护存在下列问题：”。” ( 1 ) 过流保护的设计和整定主要针对以电流增加为主要特征的对称故障和 严重短路故障，如过载、堵转、严重短路等。各类不对称故障，如断相、 不平衡运行等，一般不出现显著的电流增加，园而过流保护难以及时正 确动作。 c 2 ) 各类不对称故障及不平衡运行，虽然也会出现非故障过流，但这与对称 故障或过载引起电动机损害的原因是完全不同的。因不平衡运行或不对 称故障会出现负序电流分量，所引起的负序效应会导致电动机过热，转 子震动等一系列问题。因此以过流为目标难以实现对电动机的监测保 三相感应电动机综合保护与控制研究 护。 ( 3 ) 电动机的各类内部绕组故障，如匝间短路、接地短路等，往往是由于运 行环境差，长期运行不当引起的。起初这类故障往往只是局部，并不出 现过流，但若不及时处理会导致事故扩大，等到故障严重到出现较大的 过流信息时，电动机己严重损坏，即使保护动作也失去了意义。 ( 43对于重负荷起动设备，常规的感应式过流继电器整定困难，经常不能躲 过起动电流，在现场运行中常有退出保护起动的隋况。“” 针对电动机现有保护存在的以上问题，根据对称分量法，当电动机出现各 类不对称故障时，各相电流将会出现负序电流分量和零序电流分量。以检测负 序电流、零序电流和过流程度为基本原理，实现电动机的综合保护。 2 1 三相感应电动机的故障电流分析 三相感应电动机常见的故障可分为对称故障和不对称故障两大类。“= 对称故障主要包括：对称过载、堵转、对称稳态短路等，这类故障对电动机的 损害主要是由于电流增大所引起的热效应和机械应力，使绕组发热甚至损坏。 在对称故障中，电动机的故障电流的主要特点是三相电流对称，且同时出现过 电流，过电流的程度由故障原因决定。因此，对称故障可以通过过流程度来反 映，这正是常规的过流保护的基本立足点。 电动机的不对称故障主要包括：断相、相间短路、匝间短路、不平衡运行、 接地短路等。除了严重的短路会造成故障相电流明显增大外，不对称故障的大 多数一般不出现显著的电流幅值变化，因此过流保护常常不能及时鉴别。而不 对称故障对电动机的损害不仅仅是电流增加引起的发热，更重要的是不对称引 起负序效应给电动机运行带来的隐患。因此，电动机运行缺陷的早期诊断是非 常重要的。 不对称故障又可以进一步分为非接地性不对称故障和接地性不对称故障 两类。非接地性不对称故障包括断相、相间短路、匝间短路及不平衡运行：接 地性不对称故障包括单相接地短路和两相接地短路。由于我国感应电动机的中 性点不接地，在非接地性不对称故障中，将会在各相电流中出现很大的负序电 流分量，但不会出现零序电流分量；在接地性不对称故障中，将会在各相电流 中出现零序电流分量并出现一定程度的过流。下面以断相故障和单相接地短路 故障为例，应用对称分量法，分析各类故障中电流各序分量的分布。 ( 1 ) 断相运行及相间不对称短路运行“ 三相感应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 会出现负序电流分量；当发生断相故障或相间不对称短路故障时，相当于电动 机在不对称电压下运行，将在各相电流中产生负序电流分量。 设电动机a 相进线断线( 内部绕组断线显然相同) ，三相定子绕组为y 接， 则出现断相故障时的电流约束条件为： j 一( 2 一1 ) h = 一j 。 应用对称分量法，且d = e ”，则a 相各序电流分量为： ? m = 扣+ 也t ) = ；( a ) l ? 矿三( l + g t2 厶+ 破) = 扣一砒= 一l ( 2 - 2 ) ，m = ；( l + l + l ) = l 。，c o 2 0 由l ，= 口2 l ；，。= 0 。，；j 。：= o 。：；j 。：= 口2 ，。：；且，。= 一，一：；可得b 、 c 两相的相电压u 。、u 。及线电压u 。c ： f d 。= d 。+ d 。：+ d 。= ，。互+ ，。：z = ( n2 z + 一a z ) ，。 i u 。= d 。+ 痧。：+ dc 。= t 。z + + j 。互= ( n z + 一a - z 一) ，。 d 。= d 。d 。= ( 。2 一n ) ( 互+ z _ p 。 ( 2 3 ) 式中z 为三相感应电动机的正序阻抗；z _ 为三相感应电动机的负序阻抗- 其大小分别为： z + = ( r + z ，。) + i j ：；i i i ；糍 z一：(r。+x，)+ii：tij|；i摹；i端 联系式( 2 3 ) ，则可求解出各相的正序电流分量、负序电流分量及未断相 8 - 兰相感应电动机练台堞护与控制研究 ( b 褶和c 相) 的相电流分别为 l t 。一k f 丽u 8 c 。矿。斋 d 一口m 互十z 。以2 赢 气= 丸。矿项a u i s 。西。丽u b c 捌。 ) c 2 = a 2 址声案筠= 丽u b c 删 ( 2 - 4 ) 厶= 一l = ，m + j s ：+ ? s 。= ( a 2 一a ) j t = i 三j = ：了 2 一i 壶l 迦，送忽略暾动壤黪激磁电滚时，哥以求密受窿电流势量帮未凝稳绕缱 戆麴电流静有效毽为： 如：2 去丽霞惹专蠹丽露丽 咄2 丽q ( 2 r 霞意s 亩毒丽嘉霸 心。6 1 + r 2 + 霞2 ( 2 一s ) 厂+ 【五，十五。j 由以上分檬可见：正奁运行戆三楱感应电动嘏，英转羞率s 约为o 0 5 ， 当发生一楱断线对，未断穗绕组静电流急劂增大，并磁现较大的煎序电流。当 发奎这稀现象又未能及时保护时，电机绕组将因j 童热而烧毁。同样，对于相间 不对称斑路等故障，也将会在各相电流中出现较大的负序电流。 ( 2 ) 肇提接她短路穗嚣提接致短路 三相感应魄动棍夜正常运杼嚣才，若电网魄压完全对称，澍在各福电流中 不会密现零净电流分量。由于电动机的矫壳必须安全接施，因此电机绕组翻壳、 骞一 郑州大学工学硕士论文 电机受潮、绝缘破坏等原因都可能导致接地故障。尤其是处在尘埃重或湿度大 的环境下，故障发生率就更高。对单相接地短路，设电动机的a 相经电阻r 接地，其等值分析电路和对应的相量图如图2 - 1 和图2 - 2 所示。 a c b 图2 一l 单相接地短路 f i g 2 1s i n g l e - p h a s e t oe a r t h f j 。= 口。( z o + ，) = 丘+ t ：1 8 = u 口z o l i c = u c ，z d t 2 丁丁 图2 - 2 单相接地短路相量图 f i g 2 2t h ep h a s o rd i a g r a mo f s i n g l e - p h a s e t oe a r t h ( 2 - 7 ) 式中：乙为感应电动机的每相的等值阻抗。u 。、吼、d 。为三相对称电 压。 由对称分量法，考虑到0 。= a o 。：0 。= a2 0 。；d 。+ a2 0 。+ 口d 。= 0 ；则 各序电流分量为： ，矿如+ 。8 + a 2 t ) = u 乙a + j 1 _ u a ，矿j ( ，a + a2 l 十a 7 。) ：了1 了0 a ( 2 _ 8 ) ，矿1 f , 。+ j 。+ ，。) = j 1 _ u a 根据以上分析可知，发生单相接地短路时会出现零序电流分量，故障相的 三相 醇应电动机综台保护与控制研究 相电流也相应增大。若r 值越大零序电流越小，反映在故障相中的电流值增 大量就越小，即三相的电流差别不太；若r 值越小，零序电流越大，反映在故 障相中的电流值增大量就越大。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，这正是反应相电流分量的电动机保护无法检测漏电及接地故 障的原因。 电动机常见的故障特征及各序电流的分布如下表2 - 1 表2 一l 电动机故障特征分布 t a b 2 1f a i l u r e c h a r a c t e r i s t i cd i s t n b u t i o no fm o t o r 故障类型零序受序过电流其它故障特征 对称过载无无 ( 1 2 - 5 ) ，1 = i b ：i c 故障堵转无无 ( 5 - 7 ) 凡 ia ：i 8 = l c 短路无无 ( 8 - l o ) i n，_ = l e = i c 不 非断相无 1 历i c妪i ，i = o ，i8 = 一i c 对接逆相无l无 i = ib = i c 称地不平衡无有无 i a i s i c 故相间短路无有取决于位取决于位置 i8 一i c 宜 障接单相接地，)有取决于位置 i _ 1 日1 c 地两相接地l 3有取决于位置 ，日，i c i = i o 注：单相故障设a 相为故障相；两相故障设b 、c 相为故障相、，。表示故障 前电流的幅值；，= i c + 1 8 + ，c 2 ，2 三相感应电动机综合保护的故障判据 通过对三相感应电动机的常见故障的特征分析，当电动机发生各类对称故 障和不对称故障时，应用对称分量法，可将电动机的故障电流分解为正序电流 郑州大学工学硕士论文 分量、负序电流分量和零序电流分量。旦各序电流分量的不同组合及幅值大小 与故障类型之间有很好的对应关系。在电动机正常运行时，三相电流基本对称， 负序电流和零序电流分量为零：当发生非接地性不对称故障时，负序电流则将 会大幅值出现，但零序电流分量为零。所以零序电流分量是区别非接地性不对 称故障和接地性不对称故障的最根本特征。电动机故障诊断的对应关系如下表 2 - 2 。 表2 2电动机常见故障诊断表 t a b 2 2f a u l td i a g n o s i sc h a r to fm o t o r 零序负序过电流其它故障特征对应的故障保护特性 无无过载反时限 ( 1 2 - 5 ) 凡1 4 = jb = i c 无无堵转短时限 ( 5 - 7 ) li = l = i c 无无短路速断 ( 8 - 1 0 ) j ，月= i 口= i c 无断相短时限 1 1 暴l c矗i ，1 4 = 0 ，i8 = 一l c 无i 无逆相速断 1 4 = i a = i c 无有无不平衡短时限 i n i8 车i c 无有有或无相间短路速断 lb 一i c ，r 3有有或无单相接地速断 i 1 8 i c ，3有有或无两相接地速断 ib 。i c 2 i a = i o 根据以上分析，负序电流分量是判断对称故障和不对称故障的基本特征。 而在不对称故障中，零序电流分量是判断非接地性不对称故障和接地性不对称 故障的基本特征。所以，可以以检测定子电流的正、负、零序电流分量作为电 动机的保护判据： ( 1 ) 对于各类对称故障，由于三相故障电流对称且同时出现过电流，故障的 严重程度可以由过电流程度得到反映，所以仍以过电流程度作为这类故 障的保护判据。 三报感应电动帆综合保护与拉镕4 霹究 ( 2 ) 对于非接地性不对称故障，由于电动机正常运行时定子电流中无负序电 流及零序电流。而在故障娘态时，定予故障电流存在负序电流分量且零 序呶流分量为零，所以可用负序呶漉作为这类故障蛇保护判据。 f 3 ) 慰予接她搜不慰称牧哮，寇予赦障迤滚除存套受垮电滚分量器零序电流 分豢辨，还出现零滓亳滚分量，所潋甏用零葶电流作为这类敬障豹缣护 判獭。 由此，三相感应电动机的综合僳护可依据上述判据，分解为由过流保护、 负序保护和零序保护三个部分组成，可基本覆盖电动机的常见故障类型，并可 根据故障电流的分布组合与电动机故障类型的对应关系，鉴别电动机的故障类 型，攒明敞障原因，实现故障的自动诊断。 2 3 三相感应电动枫的综合保护 2 3 。1 过流保护“” 过流保护所针对的是热过载及各类短路故障、不平衡运行等故障。电动机 的损坏的最终表现主要是过热烧毁，原因是三相正宇电流和或负序电流过大。 三相负荷过大、起动时间过长、堵转等均寿正序电流过大躲特援，露定子一耀 断槌、不对称放障、三相瞧源电援不对称等均青正黟和受序毫雾蓦过太黪特缝。 过渡绦护实黪是逶过篷溅搐德模孝鼗毫动极鹣发熬。僮幅俊辖同豹定予正序 电流五和负序电流，在电动机内产生的热量并不相阁。“。”1 三相定子正序电 流t 产生棚对定子绕组正转的正序气骧旋转磁场，设定子绕组躲正序魄瞪搀 r ，三相定子负序电流，产生相对定子绕组反转的负序气隙旋转磁场，定子 绕组的负序电阻与定予绕组的正序电阻相犀。则在正序和负序电流的共阚作用 下，定子绕组驰镪损耗为： p “l = 3 , 2 r l + 3 毛2 霆l = 3 ，l2 + 疋2 ) 嚣1 ( 2 9 ) ： 即数值相弼的定子正序电流和定子负序电流产生的定子发热损耗相同；但对转 子绕组而言，e 担于正序气隙旋转磁场相对于正常运行的转子绕组的转差速很 小。转予邀路豹频率必1 - 2 珏。瓣应豹转予绕缀电戳近黻必矗流奄辍r ：( 鑫 郑州大学工学硕士论文 折算刘定子方的转子绕组对正序气隙旋转磁场的电阻) ：而负序气隙旋转磁场 相对于正常运行的转子绕组的转差速近似为2 倍的同步转速，转子电路的频率 近似为2 倍频，对应的转子绕组电阻为交流电阻最一( 已折算到定子方的转子 绕组对负序气隙旋转磁场的电阻) 。对于鼠笼式感应电动机有： 矗2一r21256 足口 ( 2 一l o ) 因此，在正序和负序电流的共同作用下，转子绕组的铜损耗为： 2 ：3 - 2 r 2 十3 己2 足2 一：3 - 瓴2 + k r ，2 2 ) r 2 ( 2 - 1 1 ) 即数值相同的负序电流产生的转子发热损耗等于正序电流产生的转子发 热损耗的k 。 在2 1 中的断楣运行电流分析中，由式( 2 2 ) 、式( 2 - 4 ) 、式( 2 6 ) 可知，a 相断线时，正序电流与负序电流相等i 且健全相( b 、c 相) 的电流与负序电 流的关系为： ，2 = ，口3 ( 2 1 2 ) 同时健全相( b 、c 相) 的电流可表示为：”“ = 撕丽悟睁辱闩 式中：帆电动机最大转矩倍数：棚，负载率，满载时川= 1 。 当m 。= 2 0 ，州= 1 时，由上式可得 ，日= ，c = 1 6 7( 以电动机定子额定电流，为基值) ，。= ，：= 0 9 7 ，取 k 。= 6 ，并由式( 2 9 ) 、( 2 1 i ) 可求得定子绕组的铜耗及转子铜耗为： 。：2 f 目2 “8 8 l 1 i 肠，p 。= ( 竭) ( 剖娟s ， 即出现断线故障时引起的转子铜耗比额定转子铜耗增大到近6 6 倍，而定子铜 三相感应电动机综台保护与控制研究 耗仅增至额定定子铜耗的1 8 8 倍。所以在建立电动机的过流保护模型时，必 须对负序电流予以足够的重视。为了简单方便地反映定子正序电流和负序电流 的不同发热效应，英国g e c 公司提出了一个反映上述发热效应的“等效电流” 乞： = 世，。2 十五：l 2 ( 2 一1 4 ) 式中：k = 0 5起动时间内，防止电动机正常起动过程中保护误动： 簟，= 1 在整定的起动时间以后： k = 3 1 0 1 1 、j ! 负序电流热效应系数，模拟，：2 的增强发热效应，一 般可取6 定子正序电流和负序电流分量的有效值。 本文过流保护依据式( 2 一1 4 ) 的“等效电流”，。，将过流保护分为三段： ( 1 ) 当l ，。8 时为第一段；针对短路故障，其保护特性为定时速断。 ( 2 ) 当i e q i u = 4 8 时为第二段：针对机械堵转故障( 转子停滞保护) ， 保护特性为过流反时限。 ( 3 ) 当乇气= 1 1 5 4 时为第三段：针对热过载故障，保护特性为过流 反时限。 过流反时限特性方程为： 式中 ，。： 1 叫： f t2 弋f ( 乙r 一1 电动机运行时三相等效电流中的最大者 保护整定动作电流( 可整定，一般取l = 1 1 5 “) 发热时间常数。对不同的电动机t 值不同，可整定。 保护动作时间。 ( 2 - 1 j ) 郑州大学工学硕士论文 对于发热时间常数，不同的电动机可根据具体情况选择不同的值，以较好 的拟合电动机的实际保护特性。若设电机起动电流倍数为6 ，起动时间要求8 s ， 由上式拟合的发热时间常数f = 3 0 5 ，其反时限保护特性如图2 3 。 图2 - 3 典型的过流反时限特性 f i g 2 - 3 t y p i c a lo v e r - c u r r e n ti n v e r s et i m el a gc u r v e 2 3 2 负序保护 负序保护所针对的是各类非接地性不对称故障。负序保护主要作为电动机 的断相、不平衡运行、定子绕组或引出线不对称相间短路、定子绕组匝间短路 等非接地性不对称故障的主保护。 应用对称分量法，可以分析各种故障下的负序电流。对于断相故障，一相 断线引起的正序电流和负序电流是变化的，其大小随负载率的变化而变化。由 式( 2 一1 2 ) 和式( 2 - 1 3 ) 可以对不同负载率下的正序、负序电流和健全相的电流进 行分析，当m 。= 2 0 时的分析结果如表2 3 。 由表2 3 可见，当负载率接近0 8 时，断相故障才会引起健全相过电流。 这正是常规过流保护经常不能有效保护不对称故障的原因。同时，当负载率在 0 7 时，就会出现较大的负序电流分量。 由于负序保护能反映局部匝间短路之类的轻微故障，对于电动机故障的早期 珍断具有较大的优势。然而由于实际供电电压总存在一定的不对称，即使在正常 运行时，电动机也会有一定的负序电流存在，负序保护整定时必须躲过这一不平 衡电流。 三相感应电动机综合保护与拉制研究 表2 - 3不同负载率下的断相电流分析 t a b 2 3 p h a s e o p e nc n l t e n ta n a l y s i so f d i f f e r e n tl o a df a c t o r m 1 0o 90 8o 7o 60 50 4o 3 i b = 1 c 1 6 71 2 61 0 6o 8 9 0 7 5o 6 lo 4 8o 3 6 i 。= l 0 9 70 7 30 6 1o 5 2 o 4 3o 3 50 2 8o 2 l 己知电动机在额定转速下( 5 * 0 ) 的负序阻抗等于静止时- = 1 ) 的正序阻 抗，即： 互f ) 2 z l ( “) 设电动机的启动电流倍数为k 。，则有： z j ) = 局互 ( 2 1 6 ) 所以有： z 1 1 j 。0 1 = k e z 2 0 ；o ) 这样就可推得： 纠2 去告“等 由此可见，由电源电压不对称而引起的的负序电流与电动机的负载率的大 小无关，当k 。= 6 时，计算1 2 ，一u ：u ，的关系如表2 - 4 表2 - 4电源电压不对称引起的的负序电流 t a b 2 4 n e g a t i v e s e q u e n c ec u r r e n tc a s u i n gb yd i s s y m m e t r i e a ls u p p l yv o l t a g e u 2 u i 5 8 l o 1 7 1 2 i t o 3 00 4 8o 6 01 0 2 可见，当电源电压的不对称程度大于1 7 时，负序电流将超过正序电流。 一般要求供电电压不对称程度小于5 。电动机的负序保护应能躲过此负序电 郑州大学工学硕士论文 流，即负序电流保护按3 0 整定。若负序电流速断保护的定值为i 0 ，则u ：为 u 的1 7 时，负序电流速断保护将动作跳闸。 2 3 3 零序保护 零序保护针对各类接地故障。由于电动机都采取小电流接地方式，当发生 一点接地时，故障点的电流很小。因此为提高零序保护的灵敏度，可采用一次 零序电流互感器检测零序电流。当零序电流大于保护的动作电流时，经短延时 后，发出接地信号或跳闸。零序保护的定值是按照躲过本线路的电容电流整定 的。即： l 女= ( 1 2 1 5 ) 3 u d 0 c ( 2 - 1 8 ) 2 4 三相感应电动机微机综合保护的算法 在小接地电流系统中一般采用两相式接线方式，电流互感器只装在a 、c 两相上，因此交流采样f 。和j 。两相电流，由f 。和f 。两相电流计算出正序电流分 量和负序电流分量，进而计算出各电流有效值，进行过流保护和负序保护的判 别。同时，z 。和f 。两相电流也须要计算出有效值，提供正常运行时的检测和显 示。对零序电流f 。，计算出有效值后直接与保护定值比较。 2 4 1 电流有效值的算法 关于计算正弦量的幅值和相位的基本算法有多中如两点乘积算法、三点 乘积算法、傅氏算法、导数算法、半周绝对值积分算法及微分方程算法等，“1 本文重点研究了两点乘积算法和傅氏算法。 ( i ) 两点乘积算法 这种算法是基于提供给算法的原始数据为纯正弦量的理想采样值，或是含 有各种谐波包括直流分量的原始数据经过理想的带通数字滤波器之后输出的 数据。设a 相电流在采样时刻h 的采样值表示为： i a ( n l ) = 2 1s i n ( n c o t s + a 。，) ( 2 一1 9 ) 18 式中：，： 电流的有效值； 五：采样周期； 8 。，： = o 时电流的相角。 若i a l 和2 分别为两个相隔r e 2 的采样时刻月，和n ：的采样值，即采样间隔 为： # 1 2 一n t = 厅2 则i 和2 可分别表示为： 髓苏舞墨二：蒜裟：， 。， e f 。：= 0 ：瓦) = 打s i i l o ：国瓦+ ，) ：玉c o s ( q ，) w 因此，电流的有效值，为： ，= 半厢( 2 2 i ) 这表明只要得到任意两个相隔r o t 2 的a 相电流的瞬时值，就可以计算出a 相电流的有效值a 由于采用了两个相隔丌2 的采样值，算法本身所需要的数 据窗长度为工频的1 4 周期，响应时间为5 m s 。算法本身与采样频率无关，因 此对采样频率无特殊要求。 ( 2 ) 全波傅立叶算法 当电动机发生故障时，定子电流中不仅含有周期电流分量，还含有衰减的 非周期电流分量，由于傅立叶算法具有滤波作用，能完全将各整次谐波分量和 直流分量滤除，对非整次高频分量和按指数衰减的非周期分量包含的低频分量 有一定的抑制能力。 设被采样的a 相电流信号为周期性时间函数，可表示为： j 一( ，) 2 薹 4 。s 幻( ”删) + 玩c 。s ( 一耐) 式中：a 。和b 。分别为各次谐波的正弦项和余弦项的幅值。 因此，a 相电流j 。( f ) 的基波分量可表示为 i 。a i ( f ) = 彳，s i n ( 吐f ) + b tc o s ( 甜) = d s 缸( 研一妒，)( 2 2 2 ) 酃卅i 大学工学磺士论文 | 焉= 西e 。s 魏 l 臻= 4 2 1 s i n 窃 其中基波分量静正弦项和余弦项瓣福值w 由下式求得： 葛；导( z ) - s i 删) - 出 蛾= ；f ( t )