【正文】 高壓電動機故障分析 異步電動機的運行原理交流電機分為異步電動機和同步電動機，其中異步電動機由于其結(jié)構(gòu)簡單，制造、使用、維護方便，運行可靠，成本低廉，是各類電動機中應(yīng)用最廣、需要量最大的一種。三相異步電動機的基本運行原理是：當(dāng)向三相對稱定子繞組中通過入對稱的三相交流電時，就產(chǎn)生了一個以同步轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)的圓形旋轉(zhuǎn)磁場。 異步電動機的基本結(jié)構(gòu)異步電動機的基本結(jié)構(gòu)，包括定子和轉(zhuǎn)子兩部分。電動機的定子部分包括定子鐵芯、定子繞組和機座，轉(zhuǎn)子部分包括轉(zhuǎn)子鐵芯和轉(zhuǎn)子繞組，其他附件為端蓋、軸承、軸承端蓋、風(fēng)扇等部件。定子鐵芯是電動機磁路的一部分，其上放置定子繞組。定子繞組主要有對地絕緣、相間絕緣、匝間絕緣三個絕緣項目。轉(zhuǎn)子鐵芯是電機磁路的一部分，在鐵心槽內(nèi)放置轉(zhuǎn)子繞組。端蓋安裝于電動機端部與轉(zhuǎn)子相交，轉(zhuǎn)子通過軸承和軸承端蓋與電動機端蓋連為一體。 高壓電動機故障類型及不正常運行狀態(tài)高壓電動機的故障類型和不正常運行狀態(tài)如下：電動機故障：電動機故障可分為機械故障和電氣故障兩類。電動機振動會加速電動機軸承磨損，使軸承的正常使用壽命大大縮短，同時繞組絕緣將下降。運轉(zhuǎn)聲音異常的原因可能是轉(zhuǎn)子損壞、定轉(zhuǎn)子相擦、潤滑油嚴(yán)重缺少等。（2）電氣故障電動機的電氣故障又可分為對稱和不對稱兩大類。電動機的不對稱故障有斷相、三相不平衡、匝間短路、相間短路、接地短路等。不對稱故障的明顯特征是電動機電流出現(xiàn)負(fù)序電流和零序電流。（2）異常升溫。第三章 高壓電動機保護原理分析 高壓電動機保護的基本要求為保證系統(tǒng)能安全、可靠的運行，對繼電保護提出了四個基本要求：選擇性、速動性、靈敏性、可靠性。高壓電動機是工業(yè)生產(chǎn)的一個關(guān)鍵設(shè)備，它的可靠運行對工廠的生產(chǎn)安全、經(jīng)濟效益具有重大意義。高速度電流速斷保護要求繼電保護具有高速度。 高壓電動機保護原理分析電動機保護原理的研究決定了電動機智能保護器性能的高低，在查閱大量文獻之并經(jīng)過認(rèn)真仔細(xì)的分析對比后發(fā)現(xiàn)對稱分量法可以對交流電動機的三相電流進行詳細(xì)的描述，非常適用于故障診斷。這類故障的主要特征是三相基本對稱，但同時出現(xiàn)過電流，故障的嚴(yán)重程度基本反應(yīng)在過電流的程度上，因此檢測過電流的程度可作為這類故障的判斷依據(jù)。以A相為例，對稱分量的計算公式如下： （31）式（31）中， ，分別是A相電流用對稱分量法分解所得的正序電流、負(fù)序電流、零序電流；復(fù)數(shù)算子α=ej120176。在電動機正常運行時，三相基本對稱，負(fù)序和零序電流分量基本為零，而一旦發(fā)生不對稱故障，則出現(xiàn)很大的幅值，以此鑒定不對稱故障有很高的靈敏度和可靠性。隨著過電流倍數(shù)的變化，定子繞組導(dǎo)體的溫升具有反時限特性。對異步電動機，轉(zhuǎn)子對負(fù)序電流和正序電流所表現(xiàn)的電阻之比為： R1/R2=KR=~6,這就是說數(shù)值相同的負(fù)序電流的損耗近似于正序電流的損耗的KR倍，若不考慮負(fù)序電流的熱效應(yīng)，在某些故障情況下，可能有時定子過流不是很大，但轉(zhuǎn)子溫度卻已達(dá)到危險值,所以為了對電動機提供更為全面，準(zhǔn)確的保護，本論文采用等效電流的方法，分別求出電動機電流的正序分量和負(fù)序分量，然后把負(fù)序電流的熱效應(yīng)擴大K2倍，求得一個等效電流，用這個等效電流作為電動機過負(fù)荷保護的計算電流，等效電流計算方法為： （32）式（32）中：KK2為正、負(fù)序電流發(fā)熱等效系數(shù), ，啟動結(jié)束后為1，K2=3~10，一般取6；II2是電動機電流正、負(fù)序分量。 負(fù)序電流保護電源電壓不對稱、外部不對稱短路、定子一相斷線等故障均會引起負(fù)序電流I2。本文采用兩段式定時限負(fù)序電流保護，作為電動機斷相、不平衡運行、定子繞組或引出線不對稱相間短路、定子繞組匝間短路的主保護。在電動機正常運行及起動過程中，允許三相電壓之間有持續(xù)性的5%以內(nèi)的誤差，此時會出現(xiàn)較長時間的負(fù)序電流I2，應(yīng)保證負(fù)序電流保護第二段可靠地不動作，為此=（~）Ie，延時t2一般可整定為3s。 零序電流保護零序保護即接地保護，當(dāng)3倍零序電流大于保護的動作電流時，經(jīng)短延時保護出口動作，發(fā)出接地信號或跳閘。~。 電壓保護電壓保護主要有以下兩種情況：過電壓保護電動機繞組是用固體介質(zhì)來絕緣，沖擊絕緣水平很低，特別在電動機導(dǎo)線出槽處，由于電場極不均勻，在過電壓作用下，會受輕微損傷，使絕緣老化，引起擊穿。低電壓保護電動機的低電壓保護是一種輔助性保護，一般用于下列電動機：（1）當(dāng)電源電壓短時降低或中斷后，根據(jù)生產(chǎn)過程不需要自啟動的電動機或為保證重要電動機啟動而需要斷開的次要電動機上應(yīng)裝設(shè)低電壓保護，其動作時限應(yīng)在滿足選擇性條件下先取最小值，~,為保證重要電動機自啟動有足夠電壓，保護裝置的動作電壓多整定為額定電壓的60%~70%。 過熱保護三相定子繞組的短路、斷路，三相定子繞組接錯，軸承及定子與轉(zhuǎn)子鐵芯相摩擦等都會導(dǎo)致電動機過熱。電動機的繞組溫度過高還會損壞繞組絕緣，縮短電動機的壽命。另外，有時候也會出現(xiàn)電動機因長時間運行等原因即使電壓、電流在正常范圍內(nèi)，但電動機的溫度確實達(dá)到了極度危險的數(shù)值，過熱保護可直接根據(jù)電動機的溫度狀況做出保護動作，使其對電動機的保護更為全面，確保設(shè)備的安全。在微機保護系統(tǒng)中，輸入量的電氣量經(jīng)過采樣和模數(shù)轉(zhuǎn)換所形成的離散數(shù)字信號傳送到中央處理器，根據(jù)該保護系統(tǒng)應(yīng)具有的功能進行相應(yīng)的數(shù)值分析、運算和判斷，最終輸出跳閘與否的命令，或同時輸出計算結(jié)果，以實現(xiàn)繼電保護功能。 微機保護裝置的構(gòu)成微機保護裝置是以CPU為核心，根據(jù)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)所采集到的實時狀態(tài)數(shù)據(jù)，檢測設(shè)備是否發(fā)生故障以及故障的性質(zhì)、范圍等，并據(jù)此做出是否需要跳閘或報警等判斷的一種安全裝置。 硬件設(shè)計概述電動機的運行環(huán)境及其故障特點對電動機智能保護器提出如下要求：抗高溫、低溫能力強保護器系統(tǒng)電路中元件的性能會隨溫度變化而變化，在較低溫度或較高溫度時有可能發(fā)生誤動作，故保護器系統(tǒng)所有的元器件都應(yīng)選用工業(yè)級器件。處理器運算速度快由于裝置需要進行大量的數(shù)據(jù)處理，必須采用運算速度快的微處理器以保證保護器動作的快速性和準(zhǔn)確性。 主系統(tǒng)硬件設(shè)計 ATmega16微處理器ATmega16是基于增強的AVR RISC結(jié)構(gòu)的低功耗8位CMOS微控制器。ATmega16單片機的主要特點：高性能、低功耗的8位AVR微處理器。片上高達(dá)16K字節(jié)的可編程Flash，擦寫壽命在一萬次以上；集成可擦寫十萬次以上的512字節(jié)的EEPROM，用于數(shù)據(jù)保存；1K字節(jié)的片內(nèi)SRAM；可以對鎖定位進行編程以實現(xiàn)用戶程序的加密；具有獨立鎖定位的可選Boot代碼區(qū)，可實現(xiàn)同時讀寫。 多路模擬開關(guān)由于有多路模擬采樣信號輸入，需要對多路參量進行A/D轉(zhuǎn)換，為節(jié)省硬件開銷，可使用多路開關(guān)分時將各路模擬量與ATmega16轉(zhuǎn)換電路的通道接通。綜合考慮本系統(tǒng)采用帶有校準(zhǔn)功能的新型8通道CMOS模擬開關(guān)MAX4539。其工作模式及輸入通道的選擇參見真值表見表41。鉑熱電阻的優(yōu)點是：精度高，電氣性能穩(wěn)定，溫度和電阻關(guān)系近于線性。PT100鉑熱電阻是阻抗型傳感器，其輸出電阻與溫度呈近似線性關(guān)系，為使其直接輸出電壓本裝置設(shè)計了如圖43電橋。 電壓電流采集系統(tǒng)國產(chǎn)高壓電動機的端電壓一般為3~10kV，線電流可達(dá)幾十乃至上百安培，這不可能直接送到模數(shù)轉(zhuǎn)換器直接進行A/D轉(zhuǎn)換，因此在本裝置中使用電壓互感器和電流互感器將高電壓、大電流轉(zhuǎn)換成模數(shù)轉(zhuǎn)換器可以接受的低電壓、小電流。由于AVR單片機的模數(shù)轉(zhuǎn)換器對采集信號的要求，進行數(shù)據(jù)分析之前需要對這些電壓信號整形，將交流信號轉(zhuǎn)換為直流信號，以獲得單片機能接收的信號，對此可使用二極管全橋整流裝置將交流電壓值轉(zhuǎn)換成直流電壓值。JDZ6型電壓互感器體積小、重量輕，安裝僅占有限空間所有繞組完全澆注在環(huán)氧樹脂中，具有優(yōu)良的絕緣性能，耐沖擊和機械壓力，并可以保護繞組不受潮。（2）單片機電路板上使用的電壓互感器選用TYPT31D型微型精密電壓變換器1）特點：① 體積小，精度高；印刷線路板直接焊接安裝，使用方便，外形美觀；② 全封閉，機械和耐環(huán)境性能好，電壓隔離能力強，安全可靠。3）工作頻率范圍：20 Hz~20 kHz。5）安全特性：① 絕緣電阻：常態(tài)時大于1000M；② 抗電強度：可承受工頻2500V/1分鐘；③ 阻燃性：符合UL94Vo級。 圖46 （a）電阻法 圖46 （b）IC法表43 TYPT31D典型應(yīng)用的性能參數(shù)應(yīng)用方法輸入電壓輸出電壓相移非線性度線性范圍額定電流隔離耐壓電阻法≤1000V≤≤30′≤%2mA/2mA≥2000VIC法≤1000V≤1/2倍IC電源電壓≤5′≤%2倍額定2mA/2mA≥2000V8）注意事項：本型電壓變換器其原理是電流型電壓變換器，所以次級電路不允許開路使用，也因于此請不要在次級回路安裝熔斷器。1）特點：本產(chǎn)品采用超導(dǎo)磁材料，使產(chǎn)品具有高精度下能有大的動、熱穩(wěn)定電流承載能力和局部放電小的特點2）使用條件：① 海拔高度不超過3000米；② 周圍環(huán)境溫度不高于+40,不低于5；③ 周圍空氣的相對濕度不大于85%（20）；④ 產(chǎn)品表面爬電距離：滿足Ⅱ級污穢等級；⑤ 安裝場所無嚴(yán)重影響互感器絕緣的氣體、蒸汽、化學(xué)沉積、污穢及其它爆炸性和腐蝕性介質(zhì)。4）主要技術(shù)參數(shù)：① 額定一次電流：20~3000A；② 額定二次電流：5A或1A；③ 額定電壓：10kV；④ 計量準(zhǔn)確級次：；⑤ 保護準(zhǔn)確級次：10P10P110P20；⑥ 負(fù)荷的功率因數(shù)：（滯后）。（2）單片機電路板上使用的電流互感器選用TYCT21EM5A/1）特點：① 立式穿芯印刷線路板直接焊接安裝、外形美觀；② 體積小，精度高；全封閉，機械和耐環(huán)境性能好，電壓隔離能力強，安全可靠。3）工作頻率范圍：20Hz~20kHz。5）安全特性：① 絕緣電阻：常態(tài)時大于1000M；② 抗電強度：可承受工頻6000 V/1分鐘；③ 阻 燃 性：符合UL94Vo級。 采樣保持電路模擬信號在進行A/D轉(zhuǎn)換時，從啟動轉(zhuǎn)換到轉(zhuǎn)換結(jié)束輸出數(shù)字量，需要一定的轉(zhuǎn)換時間。否則轉(zhuǎn)換精度沒有保證，特別當(dāng)輸入信號頻率較高時，會造成很大的轉(zhuǎn)換誤差。采樣保持電路就是完成這樣的功能。為實現(xiàn)同步采樣，采用共享A/D轉(zhuǎn)換器通道的多通道采樣保持的形式構(gòu)成采樣保持電路。使用多路AD582將同一時刻的多路輸入信號鎖定，再分時輸入A/D轉(zhuǎn)換通道進行轉(zhuǎn)換。多路模擬開關(guān)MAX4539安置在采樣保持器AD582之后，因此多路開關(guān)的導(dǎo)通電阻將會影響傳輸誤差，為此有必要增加高輸入阻抗的緩沖器（圖410中的N放大器），這樣可提高整個采集系統(tǒng)的精度。這就要求對信號進行濾波處理。 AD轉(zhuǎn)換電路本文設(shè)計8路采集信號：3路電壓信號、3路電流信號、1路電動機定子繞組端部溫度信號和1路電動機漏電電流信號。用戶可以通過軟件設(shè)置將8路中的任何一路設(shè)置為A/D轉(zhuǎn)換，不需要作為A/D使用的口可以繼續(xù)作為I/O口使用。當(dāng)輸入信號為電流信號時，需先轉(zhuǎn)換為電壓信號，再進行濾波。 圖411（a） 圖411（b）（2）開關(guān)量輸入通道開關(guān)量輸入主要顯示各種開關(guān)狀態(tài)，如斷路器的位置，接地刀位置、手動合閘、手動分閘、保護動作情況以及裝置的各種報警功能。因此，在設(shè)計硬件時必須在二者之間添加緩沖驅(qū)動電路。開關(guān)量輸入通道電路圖如圖412所示：圖412 開關(guān)