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电动机故障分析和综合保护配置
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电动机故障分析和综合保护配置
李璇华,黄益庄,唐晓泉,张楠
(清华大学电机系,北京100084)
摘要:
通过对异步电动机各类故障特征的详细分析,提出了以序分量为基本保护判据、结合热积累和热发散
模型,构成微机型电动机综合保护的方案。
并以电动机热过负荷保护为重点,深入探讨了保护方案的具体实
现。
以此方案设计成的保护装置已经通过动模实验,证明了其正确性。
关键词:
电动机故障;保护;序分量;过负荷
中图分类号:
TM772文献标识码:
A文章编号:
1引言
异步电动机作为一种应用非常广泛的电气设
备,在主要由电动机、电源设备和控制装置构成的电
气传动系统中,占有重要的地位。
由于电动机多处
于高温、高湿、多灰尘的工作环境,容易出现堵转、短
路、断相、长期过负载使绝缘受损等故障。
因此,如
何针对各种易发故障建立整套保护,确保电动机的
安全、可靠运行,一直是人们关注、研讨和开发的课
题。
基于单片机的微机智能保护由于其快速的数据
处理能力和逻辑判断能力,能够实时反映电动机的
运行特性,并结合有效的故障判据,实现新型的电动
机综合保护。
使用微机保护还能明显简化装置的硬
件结构,做到小型化和高集成度,而且便于维护,当
要满足用户的不同需要或增加保护功能时,只需对
装置的软件进行修改即可。
使用微机装置,还可以
实现与上位机和调节系统通信,实现遥测、遥控以及
自动调节负载,有利于提高综合自动化水平。
2电动机故障情况分析[1]
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)由于电源电压太低使得电动机不能顺利启
动,或者短时间内重复启动,使得电动机因长时间的
大启动电流而过热。
(2)长期受电、热、机械或化学作用,使绕组绝缘
老化和损坏,形成相间或对地短路。
(3)因机械故障造成电动机转子堵转。
(4)三相电源电压不平衡或波动太大,或者电动
机断相运行。
(5)冷却系统故障或环境温度过高。
造成电动机轴承损坏的原因主要是机械负荷太
大、润滑剂不合适,或者恶劣的工作环境,如多尘、腐
蚀性气体等给轴承带来的损坏。
由于电动机的微机保护主要通过测量电量(电
流、电压以及开关状态等)来监测电动机的运行状
况,因此面对的主要是绕组故障。
引起电动机绕组损坏的常见故障可分为对称故
障和不对称故障两大类。
对称故障主要有三相短
路、堵转和对称过载等;不对称故障主要有断相、三
相不平衡和单相接地或相间短路。
发生对称故障和
严重的相间短路故障时,例如因为各种原因,如机械
故障、负荷过大、电压过低等,使电动机的转子处于
堵转状态时,由于散热条件差,电流大,特别容易烧
坏电机。
其它不出现显著过流的不对称故障,例如
断相、不平衡运行等,过流保护常常不能及时动作。
对于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,故障最初并不引起显著的电流增大,若不及时处
理会导致事故扩大,进而引起电动机机端过热、转子
及起动力矩降低等一系列问题,并严重损坏电动机。
各种短路故障还会造成供电网络电压的显著降低,
破坏其它用电设备的正常工作。
因此,要可靠地保
护电动机,单一的过流保护是不够的,必须配置全面
的保护方案。
3电动机综合保护分析
3.1以序分量为基础的电流保护[2]
根据对称分量法,发生不对称故障时,电动机电
流可分解为正序、负序和零序分量。
当电动机三相
对称时,负序和零序电流为零,而发生不对称故障时
则会显著增加。
因此可以在检测电动机过流程度的
同时,以序分量为基础,检测负序、零序电流的大小。
这样,不但能更好地反应电动机的运行状况,还可以
大大提高保护的灵敏度和可靠性。
异步电动机常见
故障的过流、负序和零序电流的分布情况如表1所
示,表中单相故障设A相为故障相,二相故障设B、C
相为故障相,Ip表示故障前相电流幅值。
表1异步电动机常见故障信息分布表
故障类型过电流负序电流零序电流其它故障特征设置保护类型
对称
故障
三相短路(8~10)Ip无无IaUIbUIc电流速断
堵转(5~7)Ip无无IaUIbUIc过流定时限
过载(1.2~5)Ip无无IaUIbUIc过流反时限
不对称性故障
非接地接地
断相3P2Ip1P2Ip无Ia=0Ib=-Ic
逆相无Ip无IaUIbUIc
不平衡无有无IaXIbXIc
相间短路有1P3Ib无IbUIc>Ia
单相接地有1P3Ia1P3IaIa>IbUIc
二相接地有有(值的大小取决于位置)Ib,Ic>IaUIp
负序定
时限
零序定
时限
从表1中常见故障信息可知,若以过流信息反
映短路和堵转故障,以负序和零序电流反映各类不
对称短路和接地短路等不对称故障,可以实施全面
的电流保护。
具体方案如下:
(1)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。
设置速断保护电流定值时,要保证电动机在
满载启动过程中短路保护可靠地不动作,即躲过电
动机最大启动电流。
(2)设置堵转保护作为电动机运行过程中短路
保护的后备保护。
当保护装置在电机运行过程中检
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。
堵转保护在电动机启动
过程中闭锁,启动结束后自动投入。
(3)设置过负荷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。
过负荷保护
的原理将在2.2节内详细说明。
过负荷保护和速断
保护、堵转保护互相配合,更符合电动机的实际过电
流特性。
三者之间的配合关系如图1所示。
(4)针对电动机的各类非接地性不对称故障(如
断相、逆相、三相不平衡和相间短路等),设置负序电
流保护。
在整定负序电流定值时,需要注意1%的
电压不平衡会引起6%的电流不平衡。
而实际供电
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,所以整定时必须躲过这
一不平衡因素。
(5)针对各种接地性短路故障,设置零序电流保
护。
另外,为防止由于各种原因使得电动机不能成
功启动时,大启动电流对绕组的损坏以及启动转矩
对轴承的损坏,可以设置电动机启动过长保护。
图1电动机速断保护、堵转保护、
过负荷保护的配合关系
3.2过负荷保护[4]
影响电动机使用寿命的主要问题之一就是发
热。
电动机长时间过负载,或短时间连续启动而造
成电动机过热,绝缘老化,是损坏电动机的常见原
因,在电动机故障总数中占相当大的比例。
由于电
动机过负荷会导致过热,而低倍过负荷又允许一定
时限,所以电动机的过负荷特性是反时限特性。
在
电动机出厂时,生产厂家会提供电动机的热容限曲
线或一组过负荷能力的数字,这些是进行热过负荷
保护的重要依据。
3.2.1电动机热积累模型
电动机的三种不同工况,即堵转或停止、加速、
运行,对应不同的热容限特性。
但大多数电动机的
热容限特性都可以用一条平滑的反时限曲线表示。
热容限曲线上的点表示电动机在该工况下运行相应
的电流,转子将在对应的时间后达到热容限。
实施
保护时,使用的保护曲线应接近但处于厂家给定的
热容限曲线的下方,以便最大限度地利用电动机的
过负荷容量。
在进行热过负荷保护时,要考虑到电动机运行
(即工作于额定转速)时,负序电流会引起转子损耗
显著增加这一现象。
当负序电流流过定子绕组时,
将产生逆转子旋转方向的旋转磁场,在电动机额定
转速下,其速度近似为转子转速的2倍,即转子感生
电流的频流电阻Rac,而正序电流的旋转磁场相对于转子转
速近似为0,其感应电流频率很低,转子电阻表现为
直流电阻Rdc。
对于鼠笼式异步电动机,转子对负
序电流和正序电流表现的电阻之比Kc=RacPRdc=
1.25~6。
由于转子发热损耗与其电阻成正比,所以
数值相同的负序电流产生的损耗近于正序电流损耗
的Kc倍。
因此,计算时采用计及正序、负序电流的
等效电流Ieq进行过负荷判定。
Ieq的表达式如
(1)式
所示:
Ieq=(I1Is)2+k(I2Is)2
(1)
式中I1为电动机正序电流分量,I2为负序电流
分量;k为负序电流系数,模拟负序电流的增强热效
应,一般取6。
电动机启动后,使用一寄存器实时记录电动机
的热容量(TC),TC的容限为100%。
每过一热积累
计算的时间间隔$t就计算当时的等效电流Ieq,如
果大于额定负载电流,则判定电动机处于热积累过
程,否则为热发散。
进行热积累时,从热容限保护曲
线上查出相应的保护出口时间(time_to_trip),也即电
动机会在time_to_trip的时间内达到热容限,由于Ieq
产生的热效应将持续$t,因此相应的热容量就将增
加$t与time_to_trip的比值所表示的百分比。
计算
式如
(2)式所示:
如果Ieq的值比额定负载电流还小,则电动机处
于散热状态,TC值按设定的散热时间常数减少。
当热容量TC值累加至100%时,电动机达到热
容限,保护出口。
3.2.2电动机热发散模型
当电动机的过负载消除,即Ieq小于额定负载电
流时,电动机进入冷却状态,所积累的热量按指数规
律衰减,如(3)式所示:
TCused=TCused-start#e-tPS(3)
式中TCused-start为电动机过负载消除时的热容
量积累值,S为热衰减时间常数,TCused为经t时间
衰减后的热容量值。
将上式写成离散形式:
TCused=TCused-$t#e-$tPS(4)
上式中$t为相邻两次热发散计算的时间间
隔,TCused-$t和TCused-start分别为过负载消除后,每次
热发散计算前后的电动机热容量值。
$t可以预先
设定,S则由用户选择。
例如$t取1min,S取
即1min内电动机热容量将减少6.4%。
3.3其它保护功能[1,5]
系统电源电压是很难保证恒定、不出现波动或
其它异常情况的。
如果电动机在系统电压低于额定
电压一定程度时启动,则难以提升到额定转速。
当
电源电压降低或短时中断时,一些不允许或不需要
自起动的电动机,须从电力网中断开。
在另一方面,
如果电动机带负载运行时电源电压升高,则电动机
电流降低,但铁损和铜损变大,引起电动机温度上
升。
因此,针对电源电压的变化,可以分别配置低电
压和过电压保护。
当三相相间电压均小于低电压保护定值时,低
电压保护动作。
低电压保护在电动机三相均无电流
的情况下应能自动退出,其定值的设置要躲过电动
机启动时的最低电压。
当三相相间电压均高于过电
压保护定值时,过电压保护动作。
过电压保护定值
要按电网电压允许波动的最大范围进行整定。
另外,当电动机近处系统发生短路故障时,会引
起母线电压瞬间大幅度下降,此时电动机转子的转
速一时降不下来,电动机将转为发电制动状态,向短
路点送出逆功率,从而对系统造成危害。
可采用逆
功率保护,当检测到送往电动机的功率方向与正常
情况相反时,保护起作用。
由以上分析,电流保护、电压保护和逆功率保护
一起,构成了微机综合保护方案。
1:
速断电流保护2:
堵转电流保护3:
过负荷反时限保护
4:
负序电流保护5:
零序电流保护6:
逆功率保护
7:
低电压保护8:
过电压保护9:
电动机启动时间过长保护
图2电动机综合保护配置图
4结论
按图2保护配置设计成的TH21-4M电动机综率近似为100Hz,这时转子电阻表现为交合保护装置,已经顺利通过了动态模拟实验,实验结
果表明:
以序分量为判据基础、结合热积累模型,并
辅以其它保护功能的微机型综合保护装置,可以很
好地反应异步电动机各类常见故障,具有较高的保
护准确性和灵敏度,可靠性高,多次模拟各种故障
时,均不发生误动或拒动。
该装置采用多CPU结构
和大屏幕液晶显示,能对异步电动机的运行进行测
量、监视和开关操作,并具有CANbus通信功能,可
作为全分散式的变电站自动化系统的一个智能模
块,也可独立安装于相应的开关柜中,具有良好的应
用前景。
参考文献:
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[5]MurtyVVSYalla.Adigitalmultifunctionprotectiverelay,
IEEETractionsonPowerDelivery,1992,7
(1).
作者简介:
李璇华(1977-),女,硕士研究生,研究方向为
微机保护;黄益庄(1938-),女,教授,研究方向为电力系
统自动化、微机保护;唐晓泉(1965-),男,博士,研究方向
为电力系统自动化。
Motorfaultanalysisandintegratedprotectionscheme
LIXuan-hua,HUANGY-izhuang,TANGXiao-quan,ZHANGNan
Abstract:
Basedonthedetailedanalysisofvariousfaultcharacteristicsofasynchronousmotor,thispaperbringsforwardanintegratedmicro-
computerprotectionschemewhichhassequencecomponentsasthebasicprotectioncriteria,andintegratesheataccumulationanddiffusionmod-
el.Inthispaper,concreteimplementationoftheprotectionschemeisalsoexpounded,especiallyfortheheatoverloadprotection.Aprotection
devicebasedonthisschemehasalreadypasseddynamicsimulationexperimentstoproveitsvalidity.
Keywords:
motorfault;protection;sequencecomponent;overload根据本文方法编制的大庆热电厂智能倒闸操作
票系统,经实际测试表明本文提出的方法是正确的、
可行的。
参考文献:
[1]孙雅明,张沛.电力系统的知识获取和知识库的维护管
理.全国高等学校电力系统及其自动化专业第十一届
学术年会论文集,1995:
1100~1105.
[2]陈允平,周理.计算机生成操作票的理论与实践.电网
技术,1996,
(2):
39~42.
[3]范锡普.发电厂电气部分.北京:
水利电力出版社,
1982.
作者简介:
梁磊(1976-),男,硕士,主要从事电力系统继
电保护的研究;陈超英(1957-),男,教授,博士生导师,现
从事电力系统继电保护、交直流系统的数字仿真以及电力系
统故障测距等方面的研究。
Researchonmaximumsetofoperationaldevicesinintelligentticketssystem
LIANGLei,CHENChao_ying
Abstract:
Onthebasisofsummaryofintegratedoperationalcommands,thispaperofferedamethodwhichcanintelligentlyanalyzeandcre-
atedispatchingticketsbyconceptofmaximumsetofoperationaldevices.Alsointhispaper,functionalmodulesusedforintelligentlyanalyzing
systemareofferedandproceduresofsolvingandfilteringmaximumsetofoperationaldevicesaredescribedindetail.
Keywords:
maximumsetofoperationaldevices;intelligentticketssystem;integratedoperationalcommand
33电动机故障分析和综合保护配置
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