【文章內(nèi)容簡介】 負序 過電流保護、 欠壓 保護、堵轉(zhuǎn)保護等主要功能。 （ 3）通信功能 選擇合適的通信方式，實現(xiàn)與上位機 及時、準確的傳送報警數(shù)據(jù)，同時能接收上位機控制指令。 本論文的主要工作內(nèi)容如下 ： (1)對電動機保護原理和保護算法進行深入分析研究，對保護判據(jù)了進一步優(yōu)化。同時完善了保護裝置的保護功能。應(yīng)用對稱分量法對高壓電動機的各種故障進行分析，把高壓電動機的故障分為對稱故障和不對稱故障，采用電動機定子過電流程度和電流的負序分量作為故障判據(jù)。算法方面，對三采樣法、全周波傅式算法、均方根值進行了研究。采用全周波傅式算法既能抗干擾又能滿足裝置對測量的要求，在設(shè)計的裝置中采用了該方法，達到了預(yù)期的目的 ； (2)經(jīng)過對各種類型處 理芯片的綜合比較采用 80C196 處理芯片，完成對微機電動機保護硬件系統(tǒng)和總體方案設(shè)的設(shè)計。保證裝置的整體抗干擾優(yōu)山東科技大學學士學位論文 緒論 11 良，為人機界面提供硬件支持，解決硬件可靠性問題 ； (3)在高壓電動機早期故障診斷方面，提出了一種基于小波變換的針對非平穩(wěn)故障信號的消噪方法，仿真結(jié)果表明小波變換理論非常適合于突變信號或非平穩(wěn)信號的消噪，該方法不僅可以消除噪聲，更重要的是可以將突變信號保留下來，而突變信號中極有可能包含故障的早期特性，這為早發(fā)現(xiàn)故障贏得了時間，一定程度上提高了被保護對象的安全性 ； (4)基于對設(shè)備運行現(xiàn)場干擾情況的考 慮，本文從裝置的軟件、硬件兩方面針對抗干擾作了分析，提出了軟件、硬件應(yīng)該采取的措施。這些方法和措施在抗干擾試驗中證明是有效的，加強了保護裝置自身穩(wěn)定運行的可靠性。 山東科技大學學士學位論文 大型電動機保護方法研究 12 2 大型電動機保護方法研究 高壓電動機的應(yīng)用幾乎涵蓋了工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和人類生活的各個領(lǐng)域，在這些應(yīng)用 領(lǐng)域中電動機常常運行在環(huán)境惡劣的場合 (如高溫、高濕、塵埃、腐蝕等 )，導(dǎo)致電動機的過流、短路、斷相、絕緣老化等事故頻發(fā)，據(jù)調(diào)查全國約有 20%的電機因故障被燒毀，近 30%的電動機帶缺陷運行，給正常生活和日常維護造成沉重負擔，特別是高壓電動機，大功率電動 機容量大，不僅造價高，更因為往往都是應(yīng)用于大型工業(yè)設(shè)備的重要場合，一旦發(fā)生故障所造成的直接或間接經(jīng)濟損失更為慘重。因而對大 型電動機的保護問題被人們廣為高度重視。 在本章的后面幾節(jié)中，對電動機的故障特征及電動機常見的故障和不正常運行方式進行分析并給出保護裝置具體實現(xiàn)的方法。 電動機常見的故障 電動機常見的故障可分為對稱故障與不對稱故障兩大類。對稱故障包括過載、堵轉(zhuǎn)和三相短路等，這類故障對電動機的損害主要是熱效應(yīng)，使繞組發(fā)熱甚至損壞。此類故障明顯特征是電流幅值的顯著變化。不對稱故障有 ： 斷相、逆相、相間短路 、匝間短路等。這類故障是電動機運行中最常見的一類故障，不對稱故障對電動機的損害不僅僅是引起發(fā)熱，更重要的是不對稱引起的負序效應(yīng)能造成電動機的嚴重損壞。此類故障明顯特征是電機電流出現(xiàn)負序電流和零序電流。電動機在發(fā)生不對稱故障時，應(yīng)用對稱分量法可將三相電流分解為正序、負序和零序分量。電動機在正常運行時負序和零序分量沒有或很小，旦發(fā)生不對稱故障則將會大幅值出現(xiàn)，因此通過檢測過流幅值、負序和零序電流分量、電流不平衡率，母線電壓山東科技大學學士學位論文 大型電動機保護方法研究 13 為基礎(chǔ)的故障判據(jù)具有很高的靈敏度和可靠性。 短路保護 電動機的短路故障是比較嚴重的一 種故障，危害性很大，在進行短路保護時，即要避開起動電流，同時保護裝置應(yīng)是電流速斷保護。當電動機定子繞組短路時，由于短路而產(chǎn)生的短路電流不僅會使繞組的絕緣破壞，導(dǎo)致電動機損壞，而且會導(dǎo)致供電電網(wǎng)電壓下降，從而影響其它用電設(shè)備的正常運行。因此必須要裝配有短路保護裝置。本文相電流速斷保護是裝置通過檢測電動機 A、 B、 C 三相工作電流的最大值，算法上能夠自動判別電動機是起動時間內(nèi)還是在起動時間后，起動時間內(nèi)和起動時間后的速斷值可分別整定，從而可有效地躲過電動機的起動電流，保護裝置在判斷電動機電流值大于 速斷保護的整定值后 ，立即動作，跳開電動機。 相電流速斷保護整定原則 ISQ=K1IS I1=K2Ie 其中 :ISQ— 速斷動作電流高值 (電動機啟動過程中速斷電流動作值 )(A) IS— 電動機啟動電流最大值； Ie— 電動機額定電流； I1— 電動機速斷電流； K1 為安全系數(shù)，一般在 ~ 范圍內(nèi)取值。 K2 為過電流倍數(shù)，一般在 2~9 范圍內(nèi)取值。 相電流速斷保護動作判劇 IMAX=MAX(Ia,Ib,Ic) 即 IMAX≥ ISQ 在電動機啟動過程中 IMAX≥ I1 在電動機啟動結(jié)束后 t≥ t1 山東科技大學學士學位論文 大型電動機保護方法研究 14 式中， IMAX： A、 B、 C 相電流 (Ia， Ib， Ic)最大值 (A)。 ISQ： 速斷動作電流高值 (電動機啟動過程中速斷電流動作值 )(A)。 I1： 速斷動作電流低值 (電動機啟動結(jié)束后速斷電流動作值 )(A)。 t： 整定的速斷保護動作 時限 ms。 欠壓保護 當供電系統(tǒng)出現(xiàn)短路故障，導(dǎo)致電壓降低或電壓消失時，電動機轉(zhuǎn)矩急劇下降。在電壓恢復(fù)電動機自起動時，將有數(shù)倍于額定值的大電流流過電動機，使電網(wǎng)電壓降低，同時電動機端電壓也降低，造成電動機起動困難或根本不能自起動。另外如果供電電壓恢復(fù)的較慢，則電動機長期處于起動狀態(tài)，此時，電動機 或配電系統(tǒng)均受相當大的起動電流作用，這時在長時間的起動電流作用下，會導(dǎo)致絕緣過熱甚至損壞。由此可見，為減少供電系統(tǒng)的電壓降，保證重要電動機自起動，保障電動機的安全，應(yīng)設(shè)置欠壓保護，切除不重要電動機和根據(jù)生產(chǎn)過程及技術(shù)保安條件要求不允許自起動的電動機。這樣當供電系統(tǒng)恢復(fù)正常時，可保證一部份有必要自起動的電動機順利起動，同時可人工控制各電動機的先后起動順序，使電動機的起動電流先后錯開，保持供電系統(tǒng)穩(wěn)定。 欠壓保護的裝設(shè)原則 (l)對于能自動起動的重要電動機，不裝設(shè)低壓保護 ： 但當裝有自動投入裝置的備用機 械設(shè)備時，為滿足聯(lián)動投入的要求，應(yīng)裝設(shè)帶 10 秒時限跳閘的低電壓保護。 (2)為了保證重要電動機的自起動，在其它的電動機上應(yīng)裝設(shè)帶 秒時限跳閘的低壓保護。 (3)當電源電壓長時間降低或中斷時，根據(jù)生產(chǎn)工藝過程和技術(shù)保安條件等要求不允許自起動的電動機，應(yīng)裝設(shè)帶 10 秒時限跳閘的低壓保護。 山東科技大學學士學位論文 大型電動機保護方法研究 15 由上分析可見，一般對比較重要的電動機，為提高工作的可靠性，允許電壓降低或消失后又恢復(fù)供電時自起動，對這一類電動機一般不設(shè)置欠壓保護。 欠壓保護整定 在阻力轉(zhuǎn)矩一定的情況下，當供電電壓降低到足以引起電動機制動時的電壓 稱為臨界電壓。此時欠壓保護應(yīng)能反應(yīng)并將電動機切開。根據(jù)規(guī)程規(guī)定，低壓保護的動作電壓，對不重要的電動機取 ，延時時間為 ：對重要電動機取 ，延時時間為 10s(U e 為二次額定電壓 )。 本文裝置通過測量電動機母線電壓來實現(xiàn)欠壓保護，當電動機母線電壓降低到整定動作值 U 欠 以下，且時間大于整定值 t 欠 時，進行跳閘保護。 (1)欠壓保護動作值 U 欠 整定范圍： 10~90V，級差 ； (2)欠壓保護動作時間 t 欠 整定范圍： ，級差 。 堵轉(zhuǎn)保護 電動機因機械原因、負荷過大等 原因造成轉(zhuǎn)子被卡死或低速運轉(zhuǎn)會造成過熱而危及電機，必須予以切除。 堵 轉(zhuǎn) 保 護 投 入運 行 過 程 中 I a≥ I1 3 I a≥ I1 3 I a≥ I1 3≥ 1amp。 T1 3 圖 電動機堵轉(zhuǎn)保護邏輯圖 山東科技大學學士學位論文 大型電動機保護方法研究 16 I13 為堵轉(zhuǎn)電流定值； T13 為堵轉(zhuǎn)時間定值。 堵轉(zhuǎn)保護邏輯圖如圖 ： 在啟動情況下，電動機的啟動電流一般隨啟動時間逐漸減少 ； 而發(fā)生堵轉(zhuǎn)時，電動機的電流一般是呈上升趨勢。電動機處于堵轉(zhuǎn)狀態(tài)下允許的時間很短，堵轉(zhuǎn)保護采用短時限保護。保護裝置應(yīng)能可靠地區(qū)分電動機的正常運行和堵轉(zhuǎn)。啟動過程中出現(xiàn)堵轉(zhuǎn)，由啟動時間過長保護提供保護 ；運行過程中出現(xiàn)堵轉(zhuǎn)，會引起電流 劇增，當電動機的任一相電流超過堵轉(zhuǎn)電流整定值 I1，并達到堵轉(zhuǎn)整定時限時，本保護動作作用于出口跳閘。在一定意義上，堵轉(zhuǎn)保護可作為電動機運行過程中短路保護的后備保護。堵轉(zhuǎn)保護電流 I13 可按電動機銘牌堵轉(zhuǎn)電流的一半整定 ； 保護時間不，可參考電動機的允許堵轉(zhuǎn)時間整定，一般整定為允許堵轉(zhuǎn)時間的 倍。 負序過電流保護 負序保護所針對各類非接地性不對稱故障，如斷相、不平衡運行、局部匝間短路等。應(yīng)用對稱分量，可以分析各種故障下的負序電流。以下以斷相為例進行分析。電動機斷相故障主要兩大類情況如下圖： 圖 型 接法三相異步電動機 A 相斷開 山東科技大學學士學位論文 大型電動機保護方法研究 17 對于電動機斷相而言，繞組斷相表現(xiàn)較為復(fù)雜。由于電動機繞組接法有 Y 形和△形接法兩種，故其斷相表現(xiàn)有所不同。對于 Y 形接法的電動機，主回路的任一處斷相可根據(jù)線電流來判斷 ； 對于△形接法的電動機，若在繞組中出現(xiàn)斷相，則只能根據(jù)三相電流的不對稱來判斷了。由對稱分量法分析，當電動機發(fā)生斷相等不對稱故障時，定子電流可分解出負序電流分量，該電流的取值決定于電動機的負序阻抗對正序阻抗的比值，負序電流會使電動機的轉(zhuǎn)子繞組中產(chǎn)生 2 倍工頻的單相交流電流，造成電動機機端過熱，轉(zhuǎn)子振動 ； 另 外，電動機斷相運行時由于負序磁場的存在，基波旋轉(zhuǎn)磁場質(zhì)量變差，機能、能量轉(zhuǎn)換能力降低。設(shè) Y 形接法三相異步電動機A 相斷開，如圖 所示。電源電壓雖對稱，但由于斷線處出現(xiàn)電壓△ U，所以在電動機端點 A、 B、 C 處三相電壓是不對稱的，電動機負載越大，斷相時電壓的不對稱程度越大。 圖 △接法三相異步電動機 A 相斷開 △接法三相異步電動機繞組斷開 圖 A繞組 斷開正序阻抗等效圖 圖 A繞組 斷負序阻抗等效圖 山東科技大學學士學位論文 大型電動機保護方法研究 18 應(yīng)用對稱分量法得出 A 相斷開后的三相異步電動機正、負序相阻抗等效電路如圖 ， 所示 圖 中 rl 代表定子繞組的電阻， jx1 代表定子繞組的漏抗； rm 代表與定子鐵芯損耗相對應(yīng)的等效電阻 (有功損耗 )， jxm 代表與主磁通相對應(yīng)的 鐵芯的電抗： sr2 ， jx2 代表折算到定子邊的轉(zhuǎn)子繞組電抗和漏抗； 圖 中， 39。1r 代表定子繞組的電阻， j 39。1x 代表定子繞組的漏抗； rm 代表與定子鐵芯損耗相對應(yīng)的等效電阻 (有功損耗 )， j xm 代表與主磁通相對應(yīng)的鐵芯的電抗； 39。39。2 )2( sr jx39。2 代表折算到定子邊的轉(zhuǎn)子繞組電抗和漏抗； 在不計磁路飽和的影響下，電動機 的運行可看成是在正序?qū)ΨQ電壓和負序?qū)ΨQ電壓分別作用下運行的疊加，疊加圖如圖 ： 在正、負序電壓作用下產(chǎn)生各序相應(yīng)的電流、功率及其轉(zhuǎn)矩，而綜合轉(zhuǎn)矩 M 是在序轉(zhuǎn)矩 Ml 和負序轉(zhuǎn)矩 M2 的合成。 M=M1M2 由于電動機正常運行中，轉(zhuǎn)差率 S 很小，則正序阻抗 Z+遠小于負序阻抗 Z，即負序電壓很小也會引起大的負序電流。負序電流產(chǎn)生的負序轉(zhuǎn)矩為制動轉(zhuǎn)矩，使輸出轉(zhuǎn)矩和功率減小，在負載不變情況下，引起電動機轉(zhuǎn)速下降，非故障相電流增大，引起繞組過熱而燒毀電動機。另一方面，在三相電壓不平衡時，三相感應(yīng)電動機的負序阻抗與其啟動期間的 阻抗相似，而此時在不平衡電源上運行的電動機將產(chǎn)生不平衡電流，所引起的線電流不平衡為線電壓不平衡的數(shù)倍，三相電流可能明顯地不同，而且電流較大的那一相中加重的發(fā)熱將使電動機的溫升加劇，最嚴重的不平衡形式是一相斷路，這種情況將會很快導(dǎo)致電動機燒毀，所以保護裝置要有不平衡 (斷相 )保護功能。山東科技大學學士學位論文 大型電動機保護方法研究 19 斷相電流特性分析 如圖 ，對 Y 形接法，設(shè) A 相斷開，流入電動機的電流為： ????????0II0CBA。I () 應(yīng)用三相對稱分量法：????