電動機故障分析和綜合保護配置

電動機故障分析和綜合保護配置摘要:通過對異步電動機各類故障特征的詳細分析,提出了以序分量為基本保護判據(jù)、結合熱積累和熱發(fā)散模型,構成微機型電動機綜合保護的方案。并以電動機熱過負荷保護為重點,深入探討了保護方案的具體實現(xiàn)。以此方案設計成的保護裝置已經通過動模實驗,證明了其正確性。關鍵詞:電動機故障;保護;序分量;過負荷41引言異步電動機作為一種應用非常廣泛的電氣設備,在主要由電動機、電源設備和控制裝置構成的電氣傳動系統(tǒng)中,占有重要的地位。由于電動機多處于高溫、高濕、多灰塵的工作環(huán)境,容易出現(xiàn)堵轉、短路、斷相、長期過負載使絕緣受損等故障。因此,如何針對各種易發(fā)故障建立整套保護,確保電動機的安全、可靠運行,一直是人們關注、研討和開發(fā)的課題?；趩纹瑱C的微機智能保護由于其快速的數(shù)據(jù)處理能力和邏輯判斷能力,能夠實時反映電動機的運行特性,并結合有效的故障判據(jù),實現(xiàn)新型的電動機綜合保護。使用微機保護還能明顯簡化裝置的硬件結構,做到小型化和高集成度,而且便于維護,當要滿足用戶的不同需要或增加保護功能時,只需對裝置的軟件進行修改即可。使用微機裝置,還可以實現(xiàn)與上位機和調節(jié)系統(tǒng)通信,實現(xiàn)遙測、遙控以及自動調節(jié)負載,有利于提高綜合自動化水平。2電動機故障情況分析[1]要設計一個保護裝置,首先要分析保護對象會遇到的各類故障,分析其故障特征,才能提出切實可行的保護方案。對于異步電動機來說,其故障形式主要分為繞組損壞和軸承損壞兩方面。造成繞組損壞的主要原因有:(1)由于電源電壓太低使得電動機不能順利啟動,或者短時間內重復啟動,使得電動機因長時間的大啟動電流而過熱。(2)長期受電、熱、機械或化學作用,使繞組絕緣老化和損壞,形成相間或對地短路。(3)因機械故障造成電動機轉子堵轉。(4)三相電源電壓不平衡或波動太大,或者電動機斷相運行。(5)冷卻系統(tǒng)故障或環(huán)境溫度過高。造成電動機軸承損壞的原因主要是機械負荷太大、潤滑劑不合適,或者惡劣的工作環(huán)境,如多塵、腐蝕性氣體等給軸承帶來的損壞。由于電動機的微機保護主要通過測量電量(電流、電壓以及開關狀態(tài)等)來監(jiān)測電動機的運行狀況,因此面對的主要是繞組故障。引起電動機繞組損壞的常見故障可分為對稱故障和不對稱故障兩大類。對稱故障主要有三相短路、堵轉和對稱過載等;不對稱故障主要有斷相、三相不平衡和單相接地或相間短路。發(fā)生對稱故障和嚴重的相間短路故障時,例如因為各種原因,如機械故障、負荷過大、電壓過低等,使電動機的轉子處于堵轉狀態(tài)時,由于散熱條件差,電流大,特別容易燒壞電機。其它不出現(xiàn)顯著過流的不對稱故障,例如斷相、不平衡運行等,過流保護常常不能及時動作。對于電動機的各類內部繞組故障,如匝間短路、接地短路等,往往是由于運行環(huán)境差、長期運行不當引起的,故障最初并不引起顯著的電流增大,若不及時處理會導致事故擴大,進而引起電動機機端過熱、轉子及起動力矩降低等一系列問題,并嚴重損壞電動機。各種短路故障還會造成供電網絡電壓的顯著降低,破壞其它用電設備的正常工作。因此,要可靠地保護電動機,單一的過流保護是不夠的,必須配置全面的保護方案。3電動機綜合保護分析3.1以序分量為基礎的電流保護[2]根據(jù)對稱分量法,發(fā)生不對稱故障時,電動機電流可分解為正序、負序和零序分量。當電動機三相對稱時,負序和零序電流為零,而發(fā)生不對稱故障時的電流,轉子將在對應的時間后達到熱容限。實施保護時,使用的保護曲線應接近但處于廠家給定的熱容限曲線的下方,以便最大限度地利用電動機的過負荷容量。在進行熱過負荷保護時,要考慮到電動機運行(即工作于額定轉速)時,負序電流會引起轉子損耗顯著增加這一現(xiàn)象。當負序電流流過定子繞組時,將產生逆轉子旋轉方向的旋轉磁場,在電動機額定轉速下,其速度近似為轉子轉速的2倍,即轉子感生電流的頻流電阻Rac,而正序電流的旋轉磁場相對于轉子轉速近似為0,其感應電流頻率很低,轉子電阻表現(xiàn)為直流電阻Rdc。對于鼠籠式異步電動機,轉子對負序電流和正序電流表現(xiàn)的電阻之比Kc=RacPRdc=1.25~6。由于轉子發(fā)熱損耗與其電阻成正比,所以數(shù)值相同的負序電流產生的損耗近于正序電流損耗的Kc倍。因此,計算時采用計及正序、負序電流的等效電流Ieq進行過負荷判定。Ieq的表達式如(1)式所示:Ieq=(I1Is)2+k(I2Is)2(1)式中I1為電動機正序電流分量,I2為負序電流分量;k為負序電流系數(shù),模擬負序電流的增強熱效應,一般取6。電動機啟動后,使用一寄存器實時記錄電動機的熱容量(TC),TC的容限為100%。每過一熱積累計算的時間間隔$t就計算當時的等效電流Ieq,如果大于額定負載電流,則判定電動機處于熱積累過程,否則為熱發(fā)散。進行熱積累時,從熱容限保護曲線上查出相應的保護出口時間(time_to_trip),也即電動機會在time_to_trip的時間內達到熱容限,由于Ieq產生的熱效應將持續(xù)$t,因此相應的熱容量就將增加$t與time_to_trip的比值所表示的百分比。計算式如(2)式所示:TCused=TCused-$t+$ttime_to_trip@100%(2)如果Ieq的值比額定負載電流還小,則電動機處于散熱狀態(tài),TC值按設定的散熱時間常數(shù)減少。當熱容量TC值累加至100%時,電動機達到熱容限,保護出口。3.2.2電動機熱發(fā)散模型當電動機的過負載消除,即Ieq小于額定負載電流時,電動機進入冷卻狀態(tài),所積累的熱量按指數(shù)規(guī)律衰減,如(3)式所示:TCused=TCused-start#e-tPS(3)式中TCused-start為電動機過負載消除時的熱容量積累值,S為熱衰減時間常數(shù),TCused為經t時間衰減后的熱容量值。將上式寫成離散形式:TCused=TCused-$t#e-$tPS(4)上式中$t為相鄰兩次熱發(fā)散計算的時間間隔,TCused-$t和TCused-start分別為過負載消除后,每次熱發(fā)散計算前后的電動機熱容量值。$t可以預先設定,S則由用戶選擇。例如$t取1min,S取15min,則TCused=TCused-$t#e-1P15=TCused-$t@0.936,即1min內電動機熱容量將減少6.4%。3.3其它保護功能[1,5]系統(tǒng)電源電壓是很難保證恒定、不出現(xiàn)波動或其它異常情況的。如果電動機在系統(tǒng)電壓低于額定電壓一定程度時啟動,則難以提升到額定轉速。當電源電壓降低或短時中斷時,一些不允許或不需要自起動的電動機,須從電力網中斷開。在另一方面,如果電動機帶負載運行時電源電壓升高,則電動機電流降低,但鐵損和銅損變大,引起電動機溫度上升。因此,針對電源電壓的變化,可以分別配置低電壓和過電壓保護。當三相相間電壓均小于低電壓保護定值時,低電壓保護動作。低電壓保護在電動機三相均無電流的情況下應能自動退出,其定值的設置要躲過電動機啟動時的最低電壓。當三相相間電壓均高于過電壓保護定值時,過電壓保護動作。過電壓保護定值要按電網電壓允許波動的最大范圍進行整定。另外,當電動機近處系統(tǒng)發(fā)生短路故障時,會引起母線電壓瞬間大幅度下降,此時電動機轉子的轉速一時降不下來,電動機將轉為發(fā)電制動狀態(tài),向短路點送出逆功率,從而對系統(tǒng)造成危害?？刹捎媚婀β时Ｗo,當檢測到送往電動機的功率方向與正常情況相反時,保護起作用。由以上分析,電流保護、電壓保護和逆功率保護一起,構成了微機綜合保護方案。1:速斷電流保護2:堵轉電流保護3:過負荷反時限保護4:負序電流保護5:零序電流保護6:逆功率保護7:低電壓保護8:過電壓保護9:電動機啟動時間過長保護圖2電動機綜合保護配置圖4結論按圖2保護配置設計成的TH21-4M電動機綜率近似為100Hz,這時轉子電阻表現(xiàn)為交合保護裝置,已經順利通過了動態(tài)模擬實驗,實驗結果表明:以序分量為判據(jù)基礎、結合熱積累模型,并輔以其它保護功能的微機型綜合保護裝置,可以很好地反應異步電動機各類常見故障,具有較高的保護準確性和靈敏度,可靠性高,多次模擬各種故障時,均不發(fā)生誤動或拒動。該裝置采用多CPU結構和大屏幕液晶顯示,能對異步電動機的運行進行測量、監(jiān)視和開關操作,并具有CANbus通信功能,可作為全分散式的變電站自動化系統(tǒng)的一個智能模塊,也可獨立安裝于相應的開關柜中,具有良好的應用前景。參考文獻:[1]王維儉.電氣主設備繼電保護原理與應用.北京:中國電力出版社,1996,12.[2]王禹民,蔡澤祥.高壓異步電動機的故障診斷及綜合保護.電網技術,1996,20(3).[3]黃益莊.變電站綜合自動化技術.中國電力出版社,2000.[4]郎兵,李繼紅.電動機綜合保護中過負載保護模型的研究.電力情報,1998,(4).[5]MurtyVVSYalla.Adigitalmultifunctionprotectiverelay,IEEETractionsonPowerDelivery,1992,7(1).收稿日期:2001-07-03作者簡介:李璇華(1977-),女,碩士研究生,研究方向為微機保護;黃益莊(1938-),女,教授,研究方向為電力系統(tǒng)自動化、微機保護;唐曉泉(1965-),男,博士,研究方向為電力系統(tǒng)自動化。MotorfaultanalysisandintegratedprotectionschemeLIXuan-hua,HUANGY-izhuang,TANGXiao-quan,ZHANGNan(TsinghuaUniversity,Beijing100084,China)Abstract:Basedonthedetailedanalysisofvariousfaultcharacteristicsofasynchronousmotor,thispaperbringsforwardanintegratedmicro-computerprotectionschemewhichhassequencecomponentsasthebasicprotectioncriteria,andintegratesheataccumulationanddiffusionmod-el.Inthispaper,concreteimplementationoftheprotectionschemeisalsoexpounded,especiallyfortheheatoverloadprotection.Aprotectiondevicebasedonthisschemehasalreadypasseddynamicsimulationexperimentstoproveitsvalidity.Keywords:motorfault;protection;sequencecomponent;overload根據(jù)本文方法編制的大慶熱電廠智能倒閘操作票系統(tǒng),經實際測試表明本文提出的方法是正確的、可行的。參考文獻:[1]孫雅明,張沛.電力系統(tǒng)的知識獲取和知識庫的維護管理.全國高等學校電力系統(tǒng)及其自動化專業(yè)第十一屆學術年會論文集,1995:1100~1105.[2]陳允平,周理.計算機生成操作票的理論與實踐.電網技術,1996,(2):39~42.[3]范錫普.發(fā)電廠電氣部分.北京:水利電力出版社,1982.收稿日期:2001-05-07作者簡介:梁磊(1976-),男,碩士,主要從事電力系統(tǒng)繼電保護的研究;陳超英(1957-),男,教授,博士生導師,現(xiàn)從事電力系統(tǒng)繼電保護、交直流系統(tǒng)的數(shù)字仿真以及電力系統(tǒng)故障測距等方面的研究。ResearchonmaximumsetofoperationaldevicesinintelligentticketssystemLIANGLei,CHENChao_ying(TianjinUniversity,Tianjin300072,China)Abstract:Onthebasisofsummaryofintegratedoperationalcommands,thispaperofferedamethodwhichcanintelligentlyanalyzeandcre-atedispatchingticketsbyconceptofmaximumsetofoperationaldevices.Alsointhispaper,functionalmo