（电力电子与电力传动专业论文）大中型异步电动机综合保护的研究.pdf

在硬件设计方面，模数转换功能模块采用了纂于通信编码理论与数字信 号楚理援术的薪鏊一a a ， 转鬏器，本装置采用了在系统可编翟技术a n s y s t e mp r o g r a m m a b l e ) 和褶应的i s p 芯片，应用硬件描述语言a b e l ，h d l ， 奁片i s 豳s i 1 0 3 2 e 上实蕊了整个溪4 控接霜兹逻辑功戆，代替了大多婺鬻筑 外围器件的功能。 结合前面所透豹微机综合缳妒方案和离敷数字信号楚理与计算方法，进 行了软件设计。 经m a t a l a b 仿真、静态试验技现场试透行验避了甄磷究设诗鳇皴撬豫护 磷件、算法及软件的正确性和可靠性。 关键词：电动机综合保护故障特征麓分和傅氏变换 a b s t r a c t t h i sa r t i c l ea n a l y z e dt h es t a t u sa n dt h ef a u l tc h a r a c t e ro ft h em o t o r ，s u c ha s t h eb l o c ku po ft h er o t o r , o v e r l o a d ，t h eo p e no f t h es t a t o rw i n d ，l o s ev o l t a g e ，t w o p h a s eg r o u n d i n g , o v e r h e a t e t c a n ds t u d i e dt h ec o u r s i n go f n e g a t i v e s e q u e n c eo f t h em o t o rw h i c he f f e c t st h er u n n i n go ft h em o t o r t h em a t h e m a t i c sm o d e lh a s b e e nd e d u c e da n de s t a b l i s h e da b o u tt h ea r i t h m e t i c t h eh a r d w a r ea n ds o f t w a r e h a v eb e e nd e s i g n e do p t i m i z e d l y t h eh a r d w a r eb a s e do n i s p l s ia n ds i n g l e c h i p m i c r o c o m p u t e r t h i sd e v i c eh a st h ep r o t e c t i o nf u n c t i o n ss u c ha sp o s i t i v e s e q u e n c ep r o t e c t i o n n e g a t i v e s e q u e n c ep r o t e c t i o n ，z e r o s e q u e n c ep r o t e c t i o n ，o v e r l o a dp r o t e c t i o n ，t h e b l o c ku po f t h er o t o r p r o t e c t i o n , o v e r h e a tp r o t e c t i o n ，l o s ev o l t a g ep r o t e c t i o n e t c t h i sa r t i c l eh a sf i n i s h e dm a t l a bs i m u l a t i o na n ds t a t i ct e s tw h i c hp r o v et h e v a l i d i t yo f t h eh a r d w a r e ，s o f t w a r ea n d t h ea r i t h m e t i c k e y w o r d ：m o t o r , p r o t e c t i o n ，f a u l t c h a r a c t e r 武汉大学电气工程学院 啦鼢彳 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的申j 勃殛i 学位的论文是本人在导师的指 导下独立进行研究所取得的研究成果。除丁文中特别加以标注引用的内容 外，本论文不包含任何其他个人或集体己经发表或撰写的成果作品。对本 文的研究作出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人 完全意识到本声明的法律后果由本人承担。 作者签名： 丁卫厅、日期：泗夕年f 月o 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文大规定，同 意学校保留并向国家有关部1 1 或机构送交论文的复印件和电子版，允许 论文被查阅和借阅。本人授权武汉大学可以将本学位论文的全部或部分 内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段 保存和汇编本学位论文。 保密琏 在f 年解密后适用本授权书。 本学位论文属于不保密口。 ( 清在以上相应方框内打“”) 作者签名：丁卫示日期：狮，年f 月口日 导师签名：宝7 游生日期：刎年多月钐。日 藏汉大学硕士学位论文第一嚣概述 第一章概述 l 。l 本课题的毽嬲积意义 凌发电厂中熙一些重癸疆极设备，翔绘水泵电极、蘑潆梳、送( 弓1 ) 风 机、循环水泵等，都是采用6 k v 高压异步电动机拖动的。由于电动祝的电气 注戆与枫械洼麓念困长瓣闽送行嚣变差，现场逅荦亍环境慈劣、保护後能静不 宪善及维护不及时，现场运行中电动机的烧掼是普遍存在的。由于发电厂辐 机设备的特殊重簧性，高压漱动机的烧损会带来巨大的直接和间接损失。类 似鹣l 毽_ 甄在其它缮选中也燕簧逮存在的。 以往由于每台电动樵容擞不大，电动机缣护不燹重巍，长糍默袋常赧的 电动机保护装置存在原理性的缺陷，运行状况很不理想，常有保护搬动造成 龟动机烧毁，或谈动中断生产过程。根据对武汉祥龙电塑公司热电厂豹现场 调查统计，该厂6 k v 高压电动机容量范围为2 2 0 k w - 6 5 0 k w ，电动机总台数为 5 6 台，燕电厂运行i 4 年戳采，瑰殇运杼审静电动橇发生敖障4 6 台次，其中 耀阕短路故障9 套，单相接燧赛常运行5 台，定子绕缝开路放障4 密，辘承 损坏引起的过负荷故障1 7 台，电动机接线盘引线开路故障7 台，其它原因 弓 超瀚故障4 台。密上述统计资料诃知，在发电厂巾，电动机的故障率是眈 较赢的，特别是电动机过负麓和不对称故障瑟占比例较大，是损坏毫动壤豹 常见原因。电动机故障形式燕多样的，大体可分为绕组损坏和轴承损坏两方 耨。 绕缀羰螺原西： ( 1 ) 由乎电源电压太低不能顺利启动，或者启动过于频繁，使电动机长 麓过受苟丽损坏。 ( 2 ) 长期受电、热、机械或化学作用，使绝缘老化祁损坏，澎成襁阕或 漪地短路。 ( 3 ) 三相电源电压不平衡、波动过大或者瓤相运行，长期承受受侉电流 藤烧损。 ( 4 ) 冷却系统故障或环境温度过高。 ( s ) 轴承臻毒l ：逑残偏心、糖建，以及爨橇被敖障造成堵牟。 电网电压的降低，有载窀动机的定子窀流增大，两虽毫压降低会捷潺差 武汉大学硕士学位论文第一章概述 增大，转子电流随之增加，致使电动机过热。 轴承损坏原因 ( 1 ) 机械负荷过大或振动过大。 ( 2 ) 使用润滑剂不合适、缺少润滑油甚至无油。 ( 3 ) 绕组温度过高，热量传至轴承，致使轴承烧坏。 因此，对电动机进行运行监测和故障处理是提高运行可靠性、防止事故 扩大的重要保证。 现代电动机的设计制造正走向“极限设计”，与3 0 年代相比，容量相同 的电动机，重量减少一半，体积减少约三分之一，这就是现代电动机的热容 量和耐热限度急剧下降，对电动机保护提出了更高要求。为了确保电动机的 安全运行，更有必要改善电动机的保护性能。 在电网总负荷中，约有6 0 以上是异步电动机，以电力作原动力的负荷 中，有9 0 左右是异步电动机。据“全国电动机保护与节能技术推广应用” 会议统计，可靠的电动机保护每年可减少约2 0 万台次的电动机烧毁，减少 经济损失数亿元。因此，有必要结合现场实际，采用先进的科技手段，研制 出先进有效的微机型电动机综合保护装置。 1 2电动机继电保护装置的发展 电动机继电保护装置的发展历史过程中，从简单的熔丝开始发展了1 0 0 年，其间经历了三个阶段及两次飞跃。三个阶段是机电式、半导体式、微机 式。第一次飞跃是由机电式到半导体式，主要是体现在无触点化、小型化、 低功耗。第二次飞跃是由半导体式到微机式，主要是体现在数字化和智能化。 第二次飞跃有着尤为重要的意义，它为继电保护技术的发展开辟了前所未有 的广阔前景，也为故障信息的识别、处理和利用等技术在电动机继电保护中 的应用提供了物质基础。 常规的机电式电动机保护性能单一，针对电动机的各种故障，要采用不 同类型的继电器进行保护，动作速度受机械惯性限制，尺寸大，消耗功率多。 以g l 系列为代表的机电式反时限过流或两段式电流保护在整定时，速断保 护定值必须躲开电动机自启动电流，而反时限和定时限的整定值又必须大于 武汉大学硕士学位论文 第一章概述 电动机的自启动时间，反映故障的灵敏度低，切出故障的时间长，往往保护 动作时电机已烧损。 目前现场应用较多的集成电路式保护装置克服了机电式继电器的缺点， 但每增加一项检测保护功能就要相应增加一个功能回路，其体积、重量、成 本同样随之增加。保护装置由硬件实现，对保护定值整定不灵活。 采用微机式的电动机综合保护装置，不仅本身集成度高，体积更为小 型化，能够在现场开关柜体上安装；其二消耗功率低，减轻了c t 的负担。 其三能以软件取代硬件，每当增加功能或满足用户不同需求时，修改软件即 可，无需增添硬件投资，有利于降低产品成本。其四微机具有很强的数据处 理能力和逻辑判断能力，可以应用成熟的算法理论，识别故障信息，根据故 障参数，对事故作进一步分析处理，以确定越陷、报警、发出跳闸命令。其 五可以自诊断，自动校正由环境变化引起的测量误差，还可与上位机通信， 实现遥测、遥信、遥控的功能。 1 3 电动机继电保护理论的研究现状与发展趋势 近些年来，电动机继电保护理论的研究主要集中在两个方面：一方面是 追寻在保护理论上的突破，逐步由定性描述到定量分析；另一方面是在实现 手段上发展，逐步由常规保护方式发展为基于先进信号处理方法和微机保护 技术的实现方式。 1 3 1 基于电流幅值变化 我国电动机常规保护方式一般采用机电式的过流保护，大型电动机 ( 2 0 0 0 k w 及以上) 配置有差动保护。过流保护的基本原理是以电流幅值增加 作为故障判据，从原理上只能反映严重对称故障，对断相、接地、不平衡运 行等不对称故障不能及时有效地保护。 常规过流保护不能有效保护不对称故障的原因有两个方面：一是各类不 对称故障不一定出现明显的过流，根据文献 2 的分析，当发生断相故障时， 只有电动机负荷率大于0 7 时，健全相才会出现过流，而由于负荷特性及电 动机选型等因素，电动机经常运行于轻负载的情况是常见的；另一方面原因 武汉大学硕士学位论文第一章概述 是不对称故障对电动机的危害不只表现在过流引起的过热效应，更主要是表 现在负序电流效应。由于负序电流效应会导致电动机端部发热、转子震动等 问题。 1 3 2 基于对称分量法 根据对称分量法，当电动机回路发生不对称故障时，电动机电流可分 解为正序、负序、另序电流分量，其中负序分量和另序分量在电动机正常运 行时没有或很小，因此，通过检测负序分量和另序分量来判别不对称故障具 有较高的灵敏度和可靠性。由于正序分量和负序分量在电动机内引起的过热 效应不同，可采用发热运算模拟方程来模拟电动机的发热特性，实现电动机 的最佳的热保护特性。据此，和过流保护结合可以构成大中型电动机的综合 保护。 1 3 3 基于f o u r i e r 变换的频谱分析 电动机的不对称故障在定子中会产生相应的谐波电流，基于f o u r i e r 变 换的频谱分析技术可以检测出这些特征分量。由于轴承磨损或转子断条等原 因而应起的电动机震动会在定子中产生相应频率的谐波电流，而且震动幅值 与谐波电流幅值之间有一定的关系 2 。利用某一特定的震动频谱分量和它 所应起的电流谐波分量之间的对应关系，通过分析电流频谱就可确定电动机 的故障状态。 1 3 4 基于小波变换理论 小波变换理论是一种新型的时一频域分析工具，能对不同的频率成分采 用逐渐精细的采样步长，从而可以聚焦到信号的任意细节，尤其是对奇异信 号很敏感，能很好地处理微弱信号或突变信号，因此适合于处理电动机故障 特征信号，便于捕获异常状态以采取预防控制或保护措旖。目前，小波分析 的研究还处于理论和实验研究阶段。 1 3 5 基于人工智能法 基于人工智能法的电动机保护一般有学习、检测、比较、动作4 个部分 武汉大学硕士学位论文第一章概述 组成。学习阶段主要是将电动机正常运行时的各种运行参数、特微量和相应 豹教障特征量、绦护动 肇凝值、赦簿模式蒋作为蒸疆数攒痒缲存裁来，一般 需贾电动机安装或正常运行段时间或几个测量进行检测；监测阶段主要是 安瓣运行过程中对蒺一个妓尼个捡测量送行裣溅；篦较除菠主要燕将实辩羧 测所得数据与数据库中正常运行数据相比较，判断是否超过预定阀值，以确 定是否震予菜静臻定懿教障模式；裁馋黔羧是棂攒篦较掰褥结果秘蕊霾敖簿 类型，选择相应的动作模式。采用人工智能的电动机保护结构、算法复杂， 遗馀暴赛。另乡 ，采月人王智戆按术鲍电动枫保护试图爻德一穆赦障建立 个相应的模型，以便能迅速跟正常运行情况处分出来，这样做会引起处理的 过程非常复杂。 常规的电动机过流保护基于电流幅值的变化，反映截障的灵敏度低。对 称分量法瑷论在电动机故障诊断与保护方蕊已经发展得较为成熟，借助于微 机在数据烛理和智能化上的优势，可以实糯智能化综合保护。先进信号处穰 方法为处理电动机内部故障的早期诊断提供了新的途径，岛已经成熟的微机 保护技术籀结合可疆产生新的突破。 1 4 本文所研究的内容和主要工作 本文怒结合工程应用漾题进行硪究，其鼹究的杰容帮主要工终絮下： 1 本研究工作是在全面总结现有的异步电动机继电保护的研究成果的 基础上，对电动机负序电流产生的原因和对电动机运行的影响进行分板，深 入研究了嘏动机综合保护的基本琢理和综合保护熬定计算中必须考虑的特 殊问题，提出了实用、可靠的微机综合保护方案，按此方絮开发了额型有效 的麓于i s p l s i 及擎片枫静嘏动视综合傈护装置。 2 对电动机负j 葶电流产生的原阂和对电动机运行的影响进行分析，并从 魏疆概念上推导出箨毽稻阉静定子正亭毫流帮负净奄瀛程电动梳内产生酌 热羼不相同，为了反映定予正序电流和负序电流的不同发热效应，引用了“等 效瞧流”静缀念，袋矮更准臻反映嘏动祝温舞饔散热进程豹燕受热欷蒹模墅。 3 设计电动机综合保护方案时，分析了在保护的整定计算中必须考虑的 因素：羚帮不怼称蔽簿产垒的受彦瞧滚对绦护戆彭瘸；霉线电压不警赞产叟 藏汉“犬攀硕士学在论文第一章概述 的负序电流对保护的影响；c t 断线对傈护的影响；不对称短路故障对速断 保护灵敏度的影响。 4 对装置的硬件逃行了设计：( 1 ) 模数转换功能模块采用了基于通信 编秘理论与数字售号楚憨技术瓣薪型一a , 4 d 转换器，其特意怒聚震了过 暴样技术和数字抽取技术，提高了分辩率，对采样信号有抗混叠功能。( 2 ) 本裟鼹采用了在系统可编程技术( i ns y s t e mp r o g r a m m a b l e ) 和相应的i s p 芯 片，威用硬件描述语言a b e l h d l ，在一片i s p l s l 1 0 3 2 e 上实现了整个测 控羧阴的逻辑功能，代替了大多数常规外围器件的功能。 5 采用差分帮傅氏交挨辐结合的算法，姨含有衰减壹流分量的赦障电流 孛撬毅基波藏蘅，裁用笺稳量滤痔算法求褥了毫滚戆歪事、受序、零净分量， 完成了程序的编制，实璐上述算法，进彳亍保护判断。 6 给出了部分静态模拟试验结果，得出了若干有益的结论。结果表明， 本算法是正确的，精度满足工程要求。 6 武汉大学硕士学位论文 第二章电动机保护的理论基础与综合保护的配置方粲 第二章电动机保护的理论基础与综合保护的配置方案 2 1电动机保护的理论基础 2 1 1 表征电动机运行特征的备序电流分量 毫魂壤继宅缳轳与葵它保护魄较，除了舂共鬻静一方嚣，更主瑟游霆它 还有一些须特殊考虑的问题。电动机是故障率较高的一种电气主设备，它的 安全威胁主要来岛负荷电流过大丽导致电机过热烧毁。常规的电动机继电保 护仅班全电流佟兔保护羚强，实戥诞餮它楚不可靠的。亳劝祝鑫睾袋起码特征 表现为：三相电机的旋转磁场和旋转的转予。三相对称状态下的过流与不对 毒长状态下款过流( 其不对称孛必鸯反良旋转豹受廖磁场) 烧伤电掇蠢羞竞众 不同的枫理和不同鸵危害。也就燕说以三相全电流蹙为判搽有着原理性的缺 陷，必然导致电机的保护不可靠。 基于旋转电蕊浆对嚣分量法分罄亍，毫渤凝暴零运霉及产生赦黪对，萁三 相电流将发生相成的变化，而各种变化都以其正序分量，( 正向旋转磁场) ， 负序分量i ，( 反向旋转磁场) 和另序分量厶( 接地放障特征) 表现出不同的 故障特征；电动撬三楣对猕稳定短路，三摆受蕊过大，启动鼙重闻避长，堵转 等对称状态下的菲正常运行其表现为正序电流i l 过大；定予绕组一相断线， 定子匝间斑路，不对称负荷，- - f f 电源电压不平衡等不对称故障有明显的负 露电滚1 2 过大豹摄象；定予绕缓擎糖接遮藏缝缘破坏嚣将产生另澎邃滚1 0 。 通过以上分析可见，葛丁以利用梭测相电流中的难序、负序、另序分量， 即可反映呶动机的嚣种对称故障和不对称故障。因此，可以把分析电动机呶 流豹正净、受摩和零牟分爨靛大小鞠戚电韵税保护豹主要判据，笄黻魏为蒸 础实现电幼机的综合保护。 2 1 2 电动机负序电流的热效应 幅值摆阉的定予正序电流1 1 负序电滚1 2 载电动机内产生的热爨募不攘 黼。分析如下： 相对定子而言，定子绕组的正序电流i l 和负序电流1 2 产生的正、负序旋转 磁场，为正反同步速度。设定子绕缀歪j | 芋彀隧为r l ，其受黪毫篷为r 2 ，却 有r l ：r 2 ，则在i l 和1 2 的熬同作用下，定子铜损为： p s = 3 ( j ? + ) r ，( 2 - t ) 武汉大学硕士学位论文第二章电动机保护的理论基础与综合保护的配置方案 但是定子绕组的和，产生的正、负序旋转磁场，相对正常运行的转子 ( s 。o ) ，前者差不多相对静止，对应的转子正序电阻( 折合到定子方) 近 似于直流电阻尺：，后者近似于二倍同步速，对应的转子负序电阻( 折合到定 子方) 为交流电阻瓦。对于异步电动杌有 4 ： r ：r 卜( 1 _ 2 5 6 ) = 妊 ( 2 2 ) 因此在，+ 和，的共同作用下，转子的铜损为： a p r = 3 ( ，? + k 月霹) r i ( 2 3 ) 分析结论：与正序电流大小相同的负序电流产生的损耗为正序电流损耗 的x 。倍，所以当有负序电流出现时，转子损耗将显著增加，特别是在转子 中产生倍频电流流过转子表层时，导致转子局部过热而烧伤，甚至导致转子 护环松脱，造成严重事故。因此，负序电流产生的铜损是制定电动机过热保 护方案时必须考虑的一个重要因素。 2 1 3 电动机负序电流产生的原因 2 1 _ 3 1 电网参数不对称 电网参数不对称包括正常运行时的电源电压不平衡和外部不对称短路 ( 产生的不对称电压，这两种情况下部会产生负序电流。 a 正常运行时三相电压不平衡产生的负序电流 当三相电压不平衡是将引起较大的负序电流。根据对称分量法，若正常 运行时不平衡电压所产生的负序电压为，此时电动机回路的负序电流l 为： 扣m = 等静；l 等 c z 训 式中：，。为电动机额定电压下的启动电流：互为负序阻抗； z 。为启动阻抗；u 。为电动机额定电压；文献 4 中互m z s c 。 武汉大学硕士学位沦文第二章电动机保护的理论基础与综合保护的配置方案 由( 2 4 ) 式可知，由于电动机的启动电流，。可达额定电流的5 8 倍。 因此，只要有很小的负序电存在，也会产生很大的负序电流。 例如，设= o 0 5 u ，由于l = ( 5 8 ) i u ，代入式( 2 4 ) 中可得： l = ( 5 8 ) i ( o 0 5 u u ) = ( o 2 5 o 4 ) i 。 ( 2 5 ) 即只要存在额定电压5 的负序电压，将会在电动机中产生达2 5 4 0 额 定电压的负序电流。 b 外部不对称短路产生的负序电流 如果在电动机所属的高压母线上或靠母线很近的其他设备上发生两相 短路，将在非故障的电动机回路上产生很大的负序电流。设在电动机所在的 高压母线上发生b c 相短路，系统电势为e 1 ，忽略系统阻抗的影响，可认为 e = u 。，这时有 u = 局，u b = u c = - e i 2 由对称分量法，可求得此时的负序电压为： = e ，2 ( 2 - 6 ) ( 2 - 7 ) 由于置= u 。，且z 一= z s c ，因此非故障电动机回路产生的负序电流为： i ：= u ! z 一= e 。 2 z 。= 0 2 ) u n z 虻= ( 1 2 ) 1 。 ( 2 8 ) 由此可见，在电动机所属高压母线上或母线附近其他设备上发生两相短 路时，非故障电动机回路将产生达电动机启动电流一半的负序电流，这在定 值整定时是不容忽视的。 2 1 3 2 内部参数不对称 造成电动机内部参数不对称的原因主要有：定子线圈相间短路、定子线 圈匝间短路、定子线圈断线、转子断条等故障。以现场运行中故障率较高的 定子线圈一相断线为例进行分析。 根据故障分析法，当电动机定子线圈发生一相断线时( 假设a 相断线) ，由 边界条件：f ，一2 0 ，则有 i8 ：一i c 武汉大学硕士学位论文第二章电动机保护的理论基础与综合保护的配置方案 ，2 i a ( 1 ) + ，( 2 ) + ，( o ) 2 0 ( 2 9 ) 【 i o = 0 ( 中性点不接地，另序电流无通路) 得i a ( 1 ) = 一i a ( 2 )即正序和负序电流大小相等。 非故障相e g , 流i 日= i c = 3 2 ) 电动机定子一相断线复合序阻抗图如图2 1 所示。 图2 1电动机一相断线复合序阻抗等效电路 由图2 一l 所示，忽略激磁电流时，电动机正序阻抗为： z + = r l + r2 s + j ( x l + x 2 ) ( 2 - 1 0 ) 负序等效阻抗为： z _ = r 。+ r 2 ( 2 一s ) + _ ，c 墨+ 爿j ) ( 2 - 1 1 ) 电动机定子线圈一相断线时的负序电流为： ，：= 一，= 一e 。( z + + z 一) ( 2 1 2 ) a 启动时一相断线 这时，s = l ，z + = z 一= ，则有： ，：= 一目( z + + z 一) = - e 。( 2 z 。) = 一( i 2 ) i 。 ( 2 1 3 ) 即负序电流为启动电流的一半，其大小与上述外部不对称故障短路时，非故 武汉大学硕士学位论文第二章电动机保护的理论基础与综合保护的配置方案 障的电动机产生的负序电流大小差不多。 b 正常运行时一相断线 电动机正常运行时，根据对多台不同型号的电动机进行现场实测，电动 机的转差率s 一般约0 0 3 4 0 0 5 ， 3 正序等值阻抗即为电动机的负荷等值 阻抗，而负序等值阻抗z 一仍可认为与电动机的启动阻抗相等。 在正常运行的情况下电动机定子回路发生一相断线的瞬间，由于电动机 的机械惯性，这时电动机的转差率基本保持不变。因此，仍可按正常运行的 有关参数进行分析。 根据现场运行资料统计，电动机正常运行时，电动机的功率因数约为0 9 ( 相当于阻抗角为2 5 0 ) 左右，而电动机启动时，功率因数只有0 2 o 3 ( 相 当于阻抗角7 2 0 7 8 0 ) 左右，即： z + = z ，= e , e x p ( j 2 5 。) ，知 ( 2 - 1 4 ) z = z 。= e 。e x p ( j 7 5 。) 【( 5 8 ) 1 。】 ( 2 1 5 ) 则有： z + + 互= e e x p ( j 2 5 。) 如+ 乓e x p ( j 7 5 。) ( 5 8 玑】 z ( 1 0 8 1 1 4 ) e 1e x p ( j 3 0 。) ， ( 2 1 6 ) 这时，产生的负序电流为： ，：= e , ( z + + z ) = ( o ，8 8 0 9 3 ) i 。 ( 2 一1 7 ) 由此可知，在正常运行时发生断相，在不考虑转差率变化的情况下，所 产生的负序电流约为电动机额定电流的8 8 9 3 左右。由于负序电流的存 在，将产生负序转矩，从而使合成转矩减少，如果维持负载转矩不变，将使 电动机的转差率增大，又进一步使负序电流增大，一般可达额定电流的 1 1 0 3 。 由此可见，正在运行的三相异步电动机发生一相断线时，没有断线的绕 组的电流急剧增大，并出现较大的负序电流，当这种现象未能及时发现时， 武汉大学硕士学位论文第二章电动机保护的理论基础与综合保护的配置方案 电机绕组将因过热而烧毁。实际上，三相电动机的损坏，大部分都是由此造 成的。因此利用负序电流大幅值出现作为断线判别的依据具有很好的可靠性 及选择性。 2 1 4 负序电流对保护的影响的分析 2 1 4 1c t 二次回路一相断线 如果电动机正常运行时发生c t 二次回路一相断线，这时，通入综合保护 装置仅有一相电流，使得微处理器计算结果有负序电流分量。例如，当发生 a 相c t 二次回路断线时，这时i 。= 0 ，根据对称分量法得 铲1 ( i a + a 2 1 b + a l c ) = 拉( 1 。) + t g 。= 鱼3 ，c = 0 5 7 7 k ( 2 _ 1 8 ) 由此可见，正常运行时发生c t 二次回路一相断线，产生了相当于电动机 工作电流0 5 7 7 倍的负序电流，可能造成保护的误动作。因此，在定值整定 计算中必须考虑c t 断线的影响，或者考虑在保护装置中设有c t 断线报警和 闭锁保护出口功能。 2 1 4 2 正常运行时不平衡电压产生的负序电流 从2 1 3 1 的分析可知，只要出现很小的负序电压，将在电动机中产生 较大的负序电流。这时，只要电源的不平衡电压在允许范围内，同时所产生 的负序电流与正序电流的叠加值不超过电动机的额定电流，即电动机的工作 电流不超过额定值是允许的，不会给电动机造成不利的影响。因此，没有必 要由负序电流保护来切除。但是，如果负序电流保护的定值整定过低，将会 造成保护的误动作。 2 1 4 3 外部不对称短路故障产生的负序电流 在电动机所属的高压母线上或靠近母线的其它回路上( 例如其它电动机 和厂用电分支回路) 发生两相短路，将在非故障电动机回路上产生达启动电 流一半的负序电流，在这种情况下，如果故障设备的瞬动保护( 如差动保护、 电流速断保护) 正确动作，则一般不会造成非故障电动机的负序保护误动。 但是，如果故障设备的瞬动保护拒动，特别是当故障发生在厂用分支回路上， 这时必须靠其后备保护来切除故障点，如果非故障电动机的负序电流保护定 武汉大学硕士学位论文第二章 电动机保护的理论基础与综合保护的配置方案 值整定不当，则该负序电流保护将误动出口，这是不允许的。因为当故障支 路切除后或备用电源自投后，要求非故障电动机自启动，保证电厂的安全运 行。同样，单纯依靠提高负序电流保护的启动值也是不允许的，因为从 2 1 3 2 的分析可知，在正常运行时，电动机发生断相时所产生的负序电流 只有额定电流的9 0 至1 1 0 左右，远小于外部两相短路时在非故障电动机中 所产生的负序电流。因此，如果定值整定过高，在电动机发生断相时，负序 电流保护根本无法动作，失去了综合保护装置中应有的功能。要解决这一茅 盾，只有通过时限来配合。 2 2电动机综合保护配置方案 根据电动机继电保护设计技术规程及2 1 分析，电动机综合保护装置应 该实现以下功能( 如图2 2 所示) ： ( 1 ) 短路、堵转和启动时间过长的保护( 正序保护 ) ：防止电动机短 路、堵转和启动时间过长等故障，用正序电流分量完成保护功能。为了提高 保护装置的灵敏度和可靠性，电动机启动时和运行时的保护定值分别设置。 ( 2 ) 不平衡保护( 负序保护l ) ：通过负序电流分量完成对电动机的电 源断相或相序错误的保护。动作时间按电流时间反时限特性确定。为增加 保护装置的灵敏度，负序电流动作和时限的整定之为启动过程定值及正常运 行期间定值。 ( 3 ) 接地保护( 零序保护i 。) ：当电动机回路的零序电流大于或等于整 定值时，动作于信号报警。( 规程规定：6 k v 系统为不接地系统，出现接地时， 可以运行3 个小时。) ( 4 ) 过热保护：过热是电动机损坏的重要原因，特别是负序电流。本 装置综合计及电动机的正序电流和负序电流的热效应，模拟电动机发热和散 热的动态过程，当发热大于散热时，热进行积累；当发热小于散热时，热量 散失。对电动机过载、启动时间过长和运行中堵转提供保护，负序电流的发 热系数可以选择。保护出口可选择过热报警和过热跳闸。 ( 5 ) 欠压保护：对各种原因造成的母线电压过低进行保护，p t 断线时自 动闭锁。 2 2 1 正序电流保护o t 。) 电动机相间短路，三相负荷过大，启动时间过长，堵转等非正常运行其 电气特征表现为正序电流i l 过大，因此，可以通过检测电动机正序电流实 现保护目的。 “ 武汉大学硕士学位论文 第二章电动机保护的理论基础与综合保护的配置方案 常规电流速断保护按躲过电动机启动电流的原则整定。但是，由于综合 保护的电流速断是通过测量电动机的正序电流实现的，故定值计算及灵敏系 数的校验方法与常规保护不同。其方法如下： 图2 - 2电动机综合保护原理图 a 正序电流保护整定z d 为了躲过电动机启动电流和提高电动机运行时的保护灵敏度，利用微机 的特性，正序电流保护定值在电动机启动前后按梯形设置。 当电动机启动时，在设定的启动时间t s 内，按躲过电动机启动电流整 定o ，) ，正序电流保护定值自动切换为按躲过正常运行 时最大负荷电流整定： z o = 昙，。 ( 2 2 0 ) 在电动机综合保护装置中的实现方式：保护检测到正序电流分量 经过 信号处理送入c p u 与设定值z d 比较，若大于z d ，则正序保护出口；f s 整定范围0 9 9 秒，级差1 秒；在设定的启动时间内，i l z d 整定范围为 2 0 0 5 0 o o a ，级差0 o s a ；当启动时间过后( f _ t ，) ，i 。z 凸整定范围为 1 0 0 2 5 o o a ，级差为0 0 5 。 b 动作时间l 启动时：f 整定范围为0 0 0 1 0 0 秒，级差0 0 2 秒。 运行时：，1 整定范围为0 o o 1 0 0 秒，级差o 0 2 秒。 对于采用少油断路器和真空断路器控制的电动机，选择瞬时动作，即 f 。= 0 ；对于f c 控制的电动机，由于短路故障由快速熔断器切除，而非接 触器切除，应整定带一定的延时，一般取，i = o 3 s 。 针对a 、c 相电流基波的晟大值，当任一相电流大于或等于整定值时， 则定时器启动。若在整定时限内电流恢复正常，则终止定时器计时；若持续 到整定时限，则正序电流保护出1 ：1 动作。 c 灵敏度校验 根据规程规定，电动机的电流速断保护应保证在最小运行方式下，保护 安装处两相短路时的灵敏系数大于2 。由于本保护装置的工作原理是通过测 量正序电流实现的，当发生两相短路时，所测得的正序电流为： 武汉大学硕士学位论文第二苹 电动机保护的理论基础与综合保护的配置方案 删。二f l 。订 ( 2 2 1 ) 已知同一地点两相短路电流与三相短路电流的关系为： j ：拿， ( 2 - 2 2 ) 因此，将式( 2 - 2 1 ) 代入式( 2 - 2 2 ) 得出两相短路时流入继电器的正序电流 与三相短路电流的关系为： ! 蹭。= i ( 3 。1 2 ( 2 2 3 ) 式中，船。为最小运行方式下，保护安装处两相短路时的正序电流；堙k 为 最小运行方式下，保护安装处两相短路电流；，擎) 咖为最小运行方式下，保护 安装处三相短路电流。 因此，为保证电动机在启动过程中，发生两相短路时有足够的灵敏度， 灵敏度应该按下式校验： k 。= “窖。( 2 i , 。) = ， ) 叫。0 i , 。) 2 2 ( 2 - 2 4 、 2 2 2 负序电流保护( ，2 ，：) 电源电压不对称、断线、反相等均引起负序电流，过热保护已能提供 保护( 见2 2 4 ) ，但对严重的不对称故障，很大，要求根据j ，设置单独的 快速保护。 a 根据前面分析，负序电流保护的启动值整定原则是： ( 1 )躲过c t 二次回路断线 己知e t 二次回路断线时，相当于在继电器中产生了一个0 5 7 7 倍电动机 负荷电流的负序电流。由于本设计中不设计c t 断线判断及闭锁，故启动值 应为： 1 2 z d k x 0 5 7 7 1 ( 2 2 5 ) e 2 ) 在正常运行时电动机发生断相有足够的灵敏度。 武汉大学硕士学位论文第二章电动机保护的理论基础与综合保护的配置方案 已知电动机正常运行时发生断相，将产生电动机负荷电流约9 0 的负序电 流。因此，为保证断相时负序电流保护可靠动作，负序电流保护启动值应为： i u d s 0 9 in | k _ ( 2 _ 2 6 ) 综合考虑式( 2 2 5 ) 和( 2 2 6 ) ，负序电流保护启动值的整定值范围为： o 5 7 7 k x l ns1 2 z ds 0 9 1 n k ( 2 2 7 ) 式中：i ：z d 为负序电流保护整定值：，。为电动机额定电流；k 。为可靠系数， 取1 1 5 ；k 为灵敏系数，取1 1 异步电动机负序电流保护整定原则为：1 2 z a 超过最大不平衡电流。通常 负序电流保护整定为o 8 j 。即可。这样的负序电流保护整定值躲过了c t 断 线所产生的影响，又满足了负序电流保护的灵敏度。因此，在本设计中，可 以不设计c t 断线判断及闭锁功能。 在电动机综合保护装置中，1 2 z p 的整定范围为0 。4 i 0 。o a ，级差为0 0 5 a ， 当检测电动机中的i ：1 2 z d 时启动负序电流保护。 b 动作时间f ：的整定 负序电流保护的反时限特性如下 铲。 ，2 ，2 z d ( 2 - 2 8 、 1 2 l z d 式中：，：。为流入继电器的负序电流与负序电流启动值之比，即： ，2 。= ，：，：z d ；t 为流入继电器的负序电流，：等于整定值，2 z d 时的动作时 间。 由于负序电流保护的动作时间r ：必须躲过外部两相短路时候被保护的 动作时间，设电动机所在母线后备保护的动作时间为f ，由式( 2 8 ) 和式 ( 2 - 2 8 ) ，t 可整定为： 1 7 武汉大学硕士学位论文第二章电动机保护的理论基础与综台保护的配置方案 r = 。( f ，+ f ) ( 2 ，：。) ( 2 2 9 ) 式中出为时间级差，取0 5 s 。 在综合保护装置中，负序电流保护时间常数t 整定为：0 8 0 4 0 0 秒， 级差0 0 4 秒。为避免开关合闸时三相不同期可能引起的误动，保护时间f ：应 采用不小于0 2 s 的延时，显然根据上面的公式整定的 值能够满足这个要 求。 2 2 3 接地保护( 厶，r 0 ) 在发电厂中，电动机一般接于6 k v 电力系统，中性点采用不接地方式， 电动机单相接地时，接地电流很小，仅为电网对地电容电流。为了检测较小 的接地故障电流，可用零序电流互感器来取得零序电流。当采用消弧线圈过 补偿时，单相接地电流呈感性。当零序电流额定值l = o 0 2 a 时，零序电流 动作值，。z d 的整定范围为0 0 2 0 5 0 a ，级差为0 0 1 a ；当零序电流额定值 k = 0 2 0 a 时，零序电流动作值，。z d 的整定范围为0 2 0 5 0 0 a ，级差为 0 0 5 a 。接地保护的动作时间为“= 0 0 4 1 0 0 秒，级差为o 0 2 秒。 当零序电流大于或等于整定值时，则定时器动作。若在整定时限内c p u 检测到零序电流恢复正常，则终止定时器；若持续到整定时限，则保护出口 动作。 当零序电流保护动作时，如果选择接地报警，接地报警继电器动作；如 果选择接地跳闸，则接地报警继电器和出口继电器同时动作。 2 2 4 反映热平衡关系的过热保护( 六，毋) 为了反映正序分量和负序分量，：在电动机中产生不同的发热效应，英 国g e c 公司提出一个反映2 1 2 所述发热效应的等效电流l 的概念，即 i 毛= k l i ：+ k l l j ( 2 - 3 0 ) 武汉大学硕士学位论文第二章 电动机保护的理论基础与综合保护的配置方案 式中：k 正序电流热效应系数； k ：负序电流热效应系数 ，。运行等效电流： 根据运行等效电流l 的概念，装置可以在电动机的各种运行工况下，建 立电动机的热模型，对电动机提供准确的过热保护。k 。随启动过程变化，为 的是躲过启动电流。墨= 0 5 ( 在整定的启动时间f 。内) 足。= 1( 在整定的启动时间，后) 置，用于改变负序电流在发热模型中的热效应。由于负序电流在转子中的 热效应比正序电流高很多，在比例上等于在两倍系统频率下转子交流阻抗对 直流阻抗之比( 式2 - 2 ) ，k ，选择不同的系数，以适应于各种型号的电动机。 k ，= 2 、1 0 ( 一般选6 ) ，级差为1 。 电动机的热积累模型可由下式表示： 占= j k 一( 1 0 5 1 s ) 2 k ( 2 3 1 ) 其中，口为电动机热积累，则电动机的运行时间电流关系可用下面的公式表 刁r ： ，= 非钟肪2 电动机热过载保护动作判据为： r 为电动机发热时间常数，一般由用户提供。 发热时间常数f 的整定： ( 1 ) 电动机制造厂家提供。 ( 2 ) 己知电动机在k 倍电流下允许运行t 秒，则 f = r k ! _ 1 0 5 2 j ( 2 - 3 2 ) ( 2 - 3 3 ) ( 2 - 3 4 ) 武汉大学硕士学位论文第二章电动机保护的理论基础与综台保护的配置方案 即：r = k 2 - 1 0 5 2j ( 2 3 5 ) ( 3 ) 知道电动机定子绕组的额定温升巧，极限温升和定子 绕组电流密度山， f = 1 5 0 x 巧r 。一1 ) 1 0 5 j | v ( 2 3 6 ) 式中：1 5 0 为r 调整级差( s ) 。 ( 4 ) 提供启动电流标幺值i s r 和启动电流时间b ，按允许连续 启动两次考虑，则 r a 2 t 。瞻_ 1 0 5 2 j ( 2 - 3 7 ) 为了便于在微机中实现上述热过载保护判据，将式( 2 - 3 3 ) 离散化，并 略作修改为： ) f q r ) 的表达式如下： ( 2 - 3 8 ) = 瘫溉2 ，- _ ( 1 _ ( 1 - 0 毗5 1 s ) ) 2 l 兢庐1 0 5 i s ，。， 式中：研r ) 当前k 时刻热积累值 乙计算步长，在装置中为常数； 忙) 当前k 时刻等效电流： 厶电动机基准电流。 当运行等效电流，岬( ) 大于热积累门槛电流1 0 5 1 。时，可以认为电动机发 热过程；当运行等效电流( 。) 小于1 0 5 i s 时，可以认为电动机为散热过程。 武汉大学硕士学位论文第二章电动机保护的理论基础与综合保护的配置方案 因此，当电动机运行等效电流，一。、小于1 0 5 i 。时，电动机热积累值口按二次 曲线进行衰减。过载动作后，电动机温升逐渐下降，经过一定的时限，保护 自动复位，复位时间根据电动机动作时记录的热积累值自动调整。 2 2 5 低电压保护( u ，) 在发电厂中，当电力系统出现外部故障并切除故障以后，要求重要电 动机参加自启动，以避免造成停炉停机事故。但是，如果所有的电动机同 时参加自启动，会造成厂用电母线电压过低，甚至导致重要电动机自启动 失败。外部故障导致母线电压降低时，电动机的转矩将会成倍地下降，造 成电动机严重过载而电流增加不大。通常情况下，当母线电压降低到6 0 时，电动机的自启动将发生困难。因此，需要设置低电压保护，通过测量 电动机母线电压实现。当母线电压过低时，按电动机的重要程度，分步切 除相对次要的电动机，即短时间内不会危及发电厂安全生产的电动机，保 证重要电动机的运行。因此，厂家可以根据电动机的重要程度，决定投退 该电动机的低电压保护。 下列电动机均应装设低电压保护。当电源电压短时降低或短时中断后又 恢复时，为保证重要电动机自启动而需要断开的次要电动机；当电源电压短 时降低或短时中断后，根据生产过程或工艺要求，不允许或不需要自启动的 电动机；需要自启动，但为保证人身和设备安全，在电源电压长时间消失后， 需从电网中自动断开的电动机；属i 类负荷并装有自动投入装置的备用机械 的电动机等。 低电压保护整定值：u 0 8 u 。 在电动机综合保护装置中，欠压保护动作电压的整定范围为( 4 0 0 9 0 0 ) v ，级差为0 5 v ，动作时间的整定范围为( 0 0 4 5 0 0 ) 秒，级差为0 0 2 秒。 p t 断线判据为： 满足下列两个条件：1 正序、负序电流保护均无启动。2 线电压二次值 有一路从0 9 倍额定电压突然下降至o 6 5 倍额定电压以下。p t 断线闭锁启 动，闭锁电动机低电压保护。 低电压保护的