电动机微机保护故障分析保护原理保护算法软硬件设计-论文

电动机微机保护故障分析保护原理保护算法软硬件设计电动机微机保护故障分析保护原理保护算法软硬件设计 论文论文 电动机的三段保护软硬件设计 电动机在工农业生产中被广泛应用 但是其高故障率对工农业生产造成巨大 的经济损失 因此 在分析传统电动机保护装置不尽完善的基础上 研制功能完 善 可靠性高的电动机保护装置己经成为必要 文中首先运用对称分量法对电动机的三相短路 两相短路 单相接地短路和 断相等常见对称和不对称故障进行了分析 在结合电动机微机保护原理的基础 上 提出了可靠性高 实用性强的电动机微机保护方案 文中对此装置硬件系统的设 计进行了详细的分析 并结合对微机保护数据处理算法和电动机微机保护原理 的研究 设计了保护装置的软件系统 二者都采用了模块化的结构设计方法 可 移植性强 通过对设计成的保护装置样机进行调试和分析 初步验证了系统硬件 部分和软件部分设计的正确性 通过静态模拟实验 初步验证了保护装置的可靠 性 关键词 电动机 微机保护 故障分析 保护原理 保护箕法 软硬件设计 Abstract Motor15widelyusedintheindustryandagrieultureProduetion butthehigh afultratiohaseausedenormouseeonomie1055 Aeeordingly basedonthe traditionallyincomPleteProteetivedeviee it15neeessarytostudyanddesigna PoweruflandhighreliablemieroProeessor一basedProteetivedevieeofrmotor Keywords motor mieroProeessor一basedProteetion afultanalysis Proteetive PrineiPle Proteetivealgorithm sotfwareandhardwaredesign 第一章绪论 1 1微机保护发展过程 随着微机保护的发展 一些新的改善继电保护性能的原理和方案 受到更多的重视并逐步得到 实际应用 这对微机保护装置硬件提出了更高的要求 微机保护装置的发展大致可以分为以 下几个阶段 1 第一阶段以单CPU的硬件结构为主 数据采集系统由逐次逼近式A D模数转换器构成 硬 件及软件的设计符合 四统一 设计标准 2 第二阶段以多单片机构成的多CPU硬件结构为主 数据采集系统为电压频率转换原理的 计数式数据采集系统 硬件软件的设计吸取了第一代微机保护装置成功运行经验 利用多CP U的特点 强化了自检和互检功能 使硬件故障可以定位 对保护的跳闸出口回路 具有完善 的抗千扰措施以及防止拒动与误动的 措施 3 第三阶段以高性能的16位单片机构成的硬件结构为主 具有总线不需引出芯片 电路简单 的特点 抗干扰性能进一步加强 并且完善了通信功能 为实现变电站自动化提供了方便 如今 计算能力强 精度高 总线速度快 吞吐量大的数字信号处理器 DSP 被逐渐运用到电力系统微机继电保护之中 充分发挥其快速强大的运算和处理能 力以及并行运行的能力 满足了电力系统监控的实时性和处理算法的复杂性等更 高的要求 并为不断发展的新理论和新算法应用于电力系统的实践奠定了技术基 础 由于DSP的价格较高 影响了DSP在微机继电保护领域的推广应用 随着 数字信号处理器芯片和开发工具的价格下降 可以预期数字信号处理器将会在微 机继电保护装置中发挥重要的作用 目前 微机继电保护技术的发展不断地向计算机化 网络化 智能化 保护 控制 测量和数据通信一体化方向发展 研究和实践证明 与传统的继电保护相 比较 微机保护有许多优点 其主要特点如下 1 改善和提高继电保护的动作特征和性能 动作正确率高 主要表现在能得到常规保护不易 获得的特性 其很强的记忆力能更好地实现故障分量保护 可引进自动控制 新的数学理论和 技术如自适应 状态预测 模糊控制及人工神经网络等 其运行正确率很高也已在运行实践 中得到证明 2 可以方便地扩充其他辅助功能 如故障录波 波形分析等 可以方便地附加低频减载 自 动重合闸 故障测距等功能 3 工艺结构条件优越 体现在硬件比较通用 制造容易统一标准 装置体积小 减少了盘位数 量 功耗低 4 可靠性容易提高 体现在数字元件的特性不易受温度变化 电源波动 使用年限的影响 不易受元件更换的影响 且自检和巡检能力强 可用软件方法 检测主要元件 部件的工况以及功能软件本身 5 使用灵活方便 人机界面越来越友好 在操作方面采用触摸面板进行整 定值操作 采用画面方式显示文字 图 表 采用智能化人机接口等 提高了操 作性能并使维护调试变得更加方便 从而缩短维修时间 同时依据运行经验 在 现场可通过软件方法改变特性和结构 6 可以进行远方监控 微机保护装置具有串行通信功能 与变电所微机监控系统的通信联络 使微机保护具有远方监控特性 微机保护装置本身就是一台采样 测量装置 可以在调度室 或变电站集控室对各种模拟量 如电流 电压 有功 无功 功率因数等进行监控 可以在调 度室或变电站集控室对保护装置的定值进行修改和整定 并月 可以对保护装置的控制字进 行读写 从而控制保护装置的投退和工作方式的改变 另外 可以存多套保护定值 完全可 以达到梅套定值对应一种常用的系统运行方式 这样 每次修改定值的工作量变得非常小 仅仅需要改变一下定值区号而已 这些特点 是实现变电站综合自动化或无人值班的重要基 础 1 2电动机保护的发展 建国以来我国电动机保护主要沿用苏联模式 中小型电机采用熔断器 接触器 断路器及热继电器的组合 其控制方式大致分四种类型 一是熔断器 交流接触 器 热继电器 二是断路器 交流接触器 热继电器 三是熔断器 断路器 四是熔断器 断路器 交流接触器 热继电器 采用熔断器及热继电器的电动机保护是最廉价的 且是最容易掌握的一种方式 但当电动机发生故障或熔丝选择不当等原因使熔断器一相熔断时就会使电动机缺相运行而 使事故扩大 造成电动机烧毁 热继电器在保护电动机过载等方面具有结构简单 安装方便 等优点 但它有保护时滞和对轻微过载与堵转保护欠佳的缺点 因而容易导致长期轻微过载 运行 使电动机绕组产生热积累 使绕组绝缘老化造成电机损坏 另外 由于原材料及工艺 水平的落后等原因造成热继电器性能不稳定 动作曲线与电动机实际保护曲线不协调 使电 动机有效功率下降 热继电器作为传统的保护方式 由于以上诸多弊病 使其不能很好地保 护电动机 随着现代电子工业的发展 一批新型的电子模拟式多功能保护产品应运而生 我 国电子式保护是由晶体管型发展至集成电路型的 其功能的设置基本满足电动机保护的要 求 如过载保护 断相保护等 其原理大都是采集三相电流 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 但是这些电动机保护器普遍存在的问题是 抗干扰能力差 动作特性与电动机热曲线不协调 反时限特性并不明显优于热继电器 容易造成拒动或误动 影响产品的性能及质量 给运行人员带来很大麻烦 严重的甚至烧毁电动机 于是有些运 行人员干脆把保护放弃 造成电动机在无保护情况下运行 因此在国家标准中 机电产品目 录中没有它的一席之地 现在设计院 工厂也均不选用 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行的时候 微机电动机保护尚处于萌芽状态 直到90年代以 后 微处理器才开始进人电动机保护领域 与模拟式保护相比 微机保护的优点是显而易见 的 它具有高度的灵活性 利用计算机的特点 通过软件的更换 便可获得不同原理的保护 装置 易于实现新的保护原理 其人机对话功能强 可实施各种非常复杂的算法和各种保护 功能 由于能够方便地实现自检 测试功能 从而减少了装置的维修工作量 避免了因装置缺 陷引起的保护不正确动作 提高了保护的可靠性 国外对电动机保护与故障诊断技术的研究始于60年代 虽然各国都很重视 但直到70 80年代 随着传感器 计算机 光纤等高新技术的发展与应用 设备的在线保护与故障诊断 技术才得到真正的迅速发展 目前 国外许多公司己经研制出各自的电动机控制和保护装置 日本的Mitsubishi公司 美国的Westinghouse公司都有各自的产品 但其价格昂贵 国内大 批量应用很难接受 电动机的故障诊断与保护 长期以来一直是学术界和工程界的研究热点 和难题 近十几年来 这一领域的研究主要在两个方面 一方面是寻求在保护理论上的突破 另一方面是在实现手段上发展 逐步由电磁型 电子型到微机型 由单一功能到智能化的综 合保护等 随着微机保护技术的成熟以及在电力系统应用的日益普及 近年来国内外研制了 一系列微机型电动机保护装置 由于微机保护软件的灵活性 新一代电动机微机保护的保护 特性大大改善 2电动机保护原理和保护功能配置 2 1电动机的故障形式和起因 要设计一个保护装置 首先要分析保护对象会遇到的各类故障 分析其故障特征 才能 提出切实可行的保护方案 对于异步电动机来说 其故障形式主要分为绕组损坏和轴承损坏 两方面 造成绕组损坏的主要原因有 1 由于电源电压太低不能顺利启动 或者启动过于频繁 使电动机因长期过负 荷而毁坏 2 长期受电 热 化学或机械作用 使电动机绝缘老化和损坏 形成相间或对105 电动机微机保护故障分析保护原理保护算法软硬件设计 地短路 3 三相电源电压不平衡或者断相运行 电动机长期承受负序电流而烧毁 4 冷却系统故障或环境温度过高 5 轴承损坏造成偏心 扫膛 以及因机械故障造成堵转 造成电动机轴承损坏的原因主要是 1 机械负荷过大或振动太大 2 使用润滑剂不合适 缺少润滑油甚至无润滑油 3 绕组温度过高 热量传至轴承 致使轴承损坏 由于电动机的微机保护主要通过检测电量 电流 电压以及开关状态等 来监 测电动机的运行状态 因此面对的主要问题是绕组故障 2 2电动机常见故障特征 异步电动机的常见故障很多 大体可以分为对称故障和不对称故障两大类 2 2 1对称故障 对称故障包括过载 堵转和三相短路等 这类故障对电动机的损坏主要是机械应力和 电流增大引起的热效应 使绕组发热甚至烧毁 其主要特征是三相仍基本对称 但同时出现 过电流 故障严重程度基本反映在过电流的程度 因此以过流程度作为这类故障的判定依据 当电动机对称过载时 电流一般在1 2倍 5倍的额定电流 堵转情况下 电流的大小接近于电 动机的起动电流 一般在5 7倍额定电流 三相短路时电流大约为8 12倍的额定电流 对称故障可以通过常规的过流保护来实现 对于严重的三相短路的保护应采用速断跳 闸 堵转故障的保护应采用短时限跳闸 而对于对称过载应采用定时限跳闸或反时限跳闸 反时限特性应与电动机的温升指数特性相配合 详细情况如表2 1所示 表2 1高压电动机对称故障特征分析 故障类型零序负序过电流其他特征保护特 性 过载 无无 1 2 5 InIa Ib Ic反时限 堵转无无 5 7 InIa Ib Ic短时限 对 称 故 障 短路无无 7 10 InIa Ib Ic速断 2 2 2不对称故障 异步电动机的不对称故障主要有断相 逆相 不平衡运行 匝间短路 相间短路 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 大多数的不对称故障一般不会出现明 显的过电流 而最明显的特征是电动机电流中会出现负序电流和零序电流 因此常规保护往 往不能及时反应 而不对称故障产生的负序电流也会给电动机造成很大的危害 不对称故障 又可进一步分为非接地性和接地性两类 非接地性不对称故障 主要包括断相 相间短路 匝间短路及不平衡运行等 这类故障会引起三相电流不对称 由于我国电动机的中性点不接 地 故定子电流可分解为正序和负序分量 零序分量为零 而电动机在正常运行时负序电流 分量基本没有 所以采用负序电流分量作为这类故障的判据 这类故障对电动机的损害主要 是负序电流引起的负序效应 可能造成电动机端部发热 转子振动及起动力矩降低等一系列 问题 如果有过电流出现 还会使绕组发热 这类故障的保护应采用短时限跳闸或速断 接 地性不对称故障 包括单相接地短路和两相接地短路 由于电动机外壳必须安全接地 因此 绕组端部碰壳 绝缘破坏等都可能导致接地故障 特别是处在尘埃重或湿度大的环境下 故 障率就更高 发生接地性不对称故障时 会出现零序电流分量 这是区别其它任何非接地性 故障的根本特征 可作为接地性故障的主要判据 这类故障应采用速断或短时限跳闸加以保 护 具体如表2 2所示 表2 2高压电动机不对称故障特征分析 电动机的三段保护软硬件设计系统免费 附 单相故障时 设A相为故障相 两相故障时 设B C相为故障相 I0表示故障前电流幅值 In表示额定电流 由以上分析和计算表明 过电流 负序和零序三个分量的不同分布组合与各故障类型之 间具有很好的对应关系 2 2 3电动机的起动故障 异步电动机投入电网 从静止状态转动起来 升速并达到稳定转速运行的过程 称为起 动过程 电动机合闸瞬间 电流从零急剧上升至起动电流 如果电动机能顺利起动 则在经 历了一段时间后 起动电流会下降到正常的工作电流 起动过程结束 起动电流的大小 常 用起动电流倍数表示 一般异步电动机在直接起动时K tst 4 7 在电动机上的大电流 使电动机受到很大的电磁力冲击 如果起动过程太长或者频繁起动 会使绕组过热 对电动机造成损害 在起动过程中 电动机出现的故障 常统称为起动故障 一般是指起动时间过长故障 也就是说 在规定的时间内 如果起动电流仍旧维持在一个 很大的值 而不是降到额定电流的附近 这时就认为电动机发生了起动时间过长故障 这种 故障通常都采用定时限保护 2 3保护原理分析 根据以上故障特征分析 电动机发生对称故障时的主要特征是出现电流幅值增大 而 发生不对称故障时的主要特征是出现负序和零序电流分量 根据这一结论 可将电动机的保 护分解成过流保护 负序电流保护 零序电流保护三个部分 由此可覆盖电动机的所有常见 故障类型 2 3 1过流保护 电动机是故障率较高的一种电气主设备 损坏的最终表现主要是过热烧毁 原因是三相 正序和负序电流过大 三相负荷太大 起动时间过长 堵转等 而定子绕组一相断线 不对称 短路 不对称负荷 三相电源电压不对称等均有正序和负序电流过大的征象 幅值相同的正 序电流和负序电流在电动机内部产生的热量并不相同 定子绕组的正序和负序电流产生的 旋转磁场 对定子自身而言为正反同步速度 但对正常运行的转子来说 假设转差率s 0 前 者差不多相对静止 后者近似为2倍同步速度 假设对应的转子正序电阻 折合到定子侧 近 似为直流电阻R1 对应的转子负序电阻 折合到定子侧 为交流电阻 R2 则对于异步电动机有 需要完整内容的请联系 本文免费 大小相同的负序电流产生的损耗为正序电流损耗的Kr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面 导致转子局部过热而烧 毁 为了反映正序和负序的不同发热效应 英国GEO公司提出了一个反映上述发热效应的 等效电流 I eq的概念 定义为 K2为负序电流发热等效系数 取值在3 6 I1为电动机电流正序分量 I2为电动机电流负序分量 a Ieq In 8时 设置电流速断保护作为电动机的主保护 用于电动机内部 定子绕组以及进线所发生的相间短路故障 b Ieq In 5 8时 设置定时限过流保护 作为电动机运行过程中短路保护 的后备保护 主要针对各类堵转故障 c Ieq In 1 1 5 5设置反时限过流保护 来防止电动机长时间过负荷 运行 定子部分过热而引起的损坏 电流速断保护 由于电动机在起动过程中 起动电流很大 可以达到额定电流的7倍以上 为了保证在起 动过程中 速断电流保护可靠地不动作 保护动作电流的整定值在起动过程以及起动过程结 束后的运行过程中 采用不同的值 起动过程中 为了保证电动机在满载起动过程中短路保护可靠地不动作 要求 Idz1必须大于电动机满载起动时的电流I qd 即 式中 I n 电动机的额定电流归算到机端电流互感器二次侧的值 K q 电动机起动系数 一般取4 7 K k 可靠系数 取1 2 1 4 在起动过程结束后的运行过程中 电流速断保护的整定可不必考虑要躲过电动 机的起动电流 可按电动机的额定电流的倍数整定 即 式中n的取值一般为4 8 这样可大大提高电动机在起动过程结束后运行过程 中短路保护的灵敏度 定时限过流保护 定时限过流保护也称堵转保护 电动机正常运转中 由于各种原因 机械故障 负载过 大 电压过低 使转子处于堵转状态 在全电压下堵转的电动机 散热条件极差 电流很大 特别容易烧毁 因此在检测到电动机处于堵转故障时 保护系统应及时动作 保证电动机不因堵转而烧坏 当保护装置在电动机运行过 程中 检测到电流超过堵转电流整定值 并达到整定时限时 堵转保护动作 出 口跳闸 堵转保护在电动机起动过程中闭锁 起动结束后自动投入 当起动时间 过长保护和堵转保护动作以后 电动机发热相当严重 如果电动机又立即起动 那么势必使电动机很容易烧毁 所以应将电动机闭锁 直到其充分散热后再重新 起动 热过载反时限过流保护 在正 负序电流I1和I2的作用下 用等效电流I eq表示其发热 包括定子 转子铜耗为主的各种损耗引起的发热 特性 热过载反时限过流保 护动作方程如下 式中 In为电动机额定电流 为电动机发热时间常数 表示电机的过热能力 过载保护一般都采用反时限来计算保护时间 当电动机的运行电流超过整定值时 过载 保护投入 开始利用反时限公式计算时间 一旦故障时间超过了计算时间t之后 则动作于出 口 实现对电动机的保护 但是有的用户也会采用定时限的方式来设置过载保护 此时 当 电动机的运行电流超过整定值 且故障时间超过整定时间时 动作于出口 速断 堵转 过载保护之间的配合 速断保护 堵转保护和过载保护需要相互配合 以使保护装置的工作更符合电动机运行 过程中的实际电流特性 三者之间的配合关系曲线如下图2 1所示 图2 1速断 堵转 过载保护配合关系 2 3 2负序电流保护 设置负序电流保护 作为电动机断相 逆相 定子绕组或引出线不对称相间短路 定子绕 组闸间短路 电源电压严重不平衡等的主保护 本装置采用两段式定时限负序电流保护 第一段具有高定值I 2 短延时t1 第二段具有低定值 I 2 长延时t2 在系统最小运行方式下电动机机端两相短路时 最小的短路电流负序分量I 2 2min 应使负序电流保护第一段可靠地动作 其灵敏度Kcm至少为1 25 按此原则得 按上式计算之后 还必须校验I 2的值大于I 2 以确保在电动机起动过程中负序电流第一段可 靠地不动作 本负序电流保护第一段的延时t1固定为1s 以短延时躲开断路器跳合闸及其他 暂态干扰所出现的短时间负序电流的影响 2 第二段的整定计算 由于负序电流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诊断具 有很大优势 然而由于实际供电电源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 因此负序电流保护整定时必须躲过这一不平衡电流 在电动机正常运 行及起动过程中 允许三相电压之间有持续性的5 以内的误差 此时会出现较长时间的负序 电流I2 应保证负序电流保护第二段可靠地不动作 为此 按上式整定的I 2躲不开断路器跳合闸或其他暂态干扰所出现的短时间数值较大的负序 电流 但因为有长延时 则能保证第二段不误跳 t2一般可整定为3s 2 4 3零序电流保护 当发生接地故障时 电动机电流中会出现零序电流分量 零序电流保护也称零序保护或 接地保护 当3倍零序电流大于保护的动作电流时 经短延时保护出口作 发出接地信号或跳 闸 单相接地故障对电动机的危害取决于电源中性点的接地方式 当电源中性点接地时 电 动机接地故障点经过电源中性点构成零序电流回路 零序电流较大 保护装置动作跳闸 当 电源中性点不接地时 零序电流只有较小的电容电流 此时保护装置动作发接地信号 单纯的零序电流保护往往难以同时满足选择性和灵敏性的要求 因此 可在保护装置中 设计具有选择性的零序方向电流保护 在中性点不接地或经高 中电阻接地的小电流接地网络中 当电动机区外单相接地故障时 流过电动机保护安装处的电流3I 0为电动机本身的对地电容电流 其相位超前零序电压900 即 而当区内单相接地时 此电流3I 0 为系统对地等效电容电流 不含电动机本身 和中性点 接地电阻电流之相量和 它与零序电压之间的相位关系为之间 这样 零序电流元件的启动 电流按躲开相间零序TA的不平衡电流整定 而与电动机本身的电容电流无关 既简化了整 定计算 又极大地提高了保护的灵敏度 零序功率方向元件的最灵敏角设计为 既可以满足中性点不接地或经高 中电阻接地网络的需要 同时能保证区外单相接地故障时 不会误动作 2 4 4电动机的其他保护 为防止由于各种原因使得电动机不能成功起动时 大起动电流对绕组的损坏以及起动转 矩对轴承的损坏 应设置电动机起动时间过长保护 电动机电源电压因某种原因降低时 电动机的转速将下降 当电压恢复时 由于电动机 自起动 将从系统吸取很大的无功功率 造成电源电压不能恢复 为保证重要电动机的自起 动 应装设低电压保护 1 起动时间过长保护 正常的起动过程结束后电动机的运行电流将低于额定值或在额定值附近 而起动时间过 长则是在起动时间过后电动机的运行电流仍保持较大值 一般为机械原因 起动时间过长保 护是由起动时间和堵转保护整定值配合来实现的 当正序电流大于0 1I n In为电动机机端电流互感器二次侧的额定电流值 一般认为电动机开始起动 经过起动时 间后 电动机的电流如果仍然大于堵转电流整定值 则起动时间过长保护开始动作 发出跳 闸命令 若电动机运行电流小于堵转电流的整定值 则认为电动机已进入正常运行状态 由 于通常运行时的堵转电流整定值是小于电动机的起动电流的