一種高壓電動機(jī)綜合保護(hù)裝置的研究

摘 要:針對目前高壓電機(jī)故障頻繁及其保護(hù)存在的問題，根據(jù)對稱分量法，提出并設(shè)計了一種基于檢測正序、負(fù)序、空序、零序電流分量的電動機(jī)綜合保護(hù)裝置，該裝置應(yīng)用于大中型異步電動機(jī)及同步電動機(jī)，效果明顯，運(yùn)行可靠。

關(guān)鍵詞:高壓電動機(jī); 對稱分量法; 綜合保護(hù); 電流分量

中圖分類號:TP29 文獻(xiàn)標(biāo)識碼:A

文章編號:1004-373X(2010)07-0198-03

Design of Comprehensive Protection Device for High-voltage Motors

LIU Zhen-guo

(Dexing Copper Mine， Dexing 334224， China)

Abstract: In view of the frequent faults of high-voltage motors and the problems of protection， a comprehensive protection device was designed based on symmetrical component method to test the current component of positive phase sequence， negative sequence， empty sequence and zero sequence. The device can be used in large and medium asynchronous electric motors. The result is obvious and reliable.

Keywords: high-voltage motor; symmetrical component; comprehensive protection; current component

0 引 言

在大型銅礦企業(yè)生產(chǎn)中，大量采用6 kV供電的高壓電動機(jī)。由于作業(yè)環(huán)境惡劣，在運(yùn)行過程中經(jīng)常出現(xiàn)絕緣老化、機(jī)械損傷及其他不能防范的故障，使電動機(jī)長期帶“病”作業(yè)，嚴(yán)重時會造成電動機(jī)燒毀，不但給企業(yè)帶來很大的經(jīng)濟(jì)損失，也打亂了礦山生產(chǎn)的正常秩序，直接影響到礦山生產(chǎn)任務(wù)的完成。目前，高壓電動機(jī)多采用以常規(guī)繼電器和熔斷器構(gòu)成的保護(hù)裝置。此類保護(hù)裝置的缺點(diǎn)是:只能反映過電流為特征的故障量，無法考慮到異步電動機(jī)中負(fù)序電流產(chǎn)生的特殊效應(yīng)，因此，其動作特征只能不精確地模擬電動機(jī)的熱特征。基于常規(guī)繼電保護(hù)裝置的缺陷，將單片機(jī)引入到高壓電機(jī)的綜合保護(hù)中，使其達(dá)到繼電保護(hù)所要求的“四性”(選擇性、速動性、可靠性、靈敏性)并在經(jīng)濟(jì)性上達(dá)到一個新的水平。

1 高壓電動機(jī)的故障特征分析

高壓電動機(jī)的常見故障可分為對稱和不對稱兩大類。對稱故障有對稱過載、堵轉(zhuǎn)、三相短路等，這類故障最明顯的特征是電流幅值顯著變化，對電動機(jī)的損害主要是熱效應(yīng)。因此，可以通過檢測過流程度來反映這類故障;不對稱故障有斷相、逆相、匝間短路、單相接地和兩相接地等。此類故障多數(shù)不出現(xiàn)明顯的電流幅值變化，因此，常常不能及時鑒別。而不對稱故障對電動機(jī)的損害不僅僅是電流增加引起的發(fā)熱，更重要的是不對稱引起的負(fù)序電流，產(chǎn)生負(fù)序電流磁場，使集膚效應(yīng)顯著增加，轉(zhuǎn)子電阻增加，電機(jī)損耗增大，電動機(jī)發(fā)熱變得嚴(yán)重，造成電機(jī)嚴(yán)重?fù)p壞。因此，以零序和負(fù)序電流分量作為鑒別不對稱故障的判斷，有較高的靈敏度和可靠性[1，2]。

2 硬件設(shè)計

硬件裝置總的結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

圖1 硬件裝置總結(jié)構(gòu)框圖

主機(jī)采用準(zhǔn)16位單片機(jī)8098，主要包括以下幾個模塊[3，4]:

(1) 輸入通道。采用8098內(nèi)部的10位A/D轉(zhuǎn)換器，在12 MHz晶振時完成一次轉(zhuǎn)換只需22 μs，3個輸入通道分別引入正序、負(fù)序、零序分量。

(2) 鍵盤/顯示器與8279的接口電路。保護(hù)裝置整定采用鍵盤整定、LED顯示。鍵盤/顯示器專用接口芯片8279采用全部譯碼方式，最多可擴(kuò)展8個LED和32位鍵盤，所以能滿足保護(hù)設(shè)計要求。

(3) 出口電路。通過8098的高速輸出HSO接光隔離和驅(qū)動電路到執(zhí)行機(jī)構(gòu)，使用2個出口，1個用于負(fù)荷報警，另1個用于跳閘切斷電源。

(4) 面板。裝置面板使用4×8鍵盤，8個LED，1個7位DZP開關(guān)，8個發(fā)光二極管，復(fù)位開關(guān)。

4×8鍵盤中0～9位鍵為數(shù)字鍵，A為小數(shù)點(diǎn)，B～F為功能鍵，控制五項(xiàng)整定項(xiàng)的輸入，包括:電動機(jī)發(fā)熱時間常數(shù)、起動時間、起動電流倍數(shù)、額定功率、負(fù)序效應(yīng)系數(shù)、最大電容電流、最小短路電流和負(fù)序分量。

LED顯示從鍵盤輸入的值。

DZP開關(guān)用于控制整定、保護(hù)功能選擇及過負(fù)荷保護(hù)曲線選擇。

8只發(fā)光二極管指示電動機(jī)運(yùn)行狀態(tài)及故障類型，分別指示:電動機(jī)正常運(yùn)行，過負(fù)荷，相間短路，嚴(yán)重的不平衡，接地故障，啟動時間過長，E2PROM故障，整定值出錯。

3 軟件設(shè)計及保護(hù)措施

圖2為主程序框圖。

圖2 軟件主程序框圖

程序采用模塊化設(shè)計，各功能程序以子程序形式出現(xiàn)。程序采用了抗干擾措施，如使用16位的程序監(jiān)視寄存器(WATCH.DOG)作看門狗;設(shè)置軟件陷阱，當(dāng)單片機(jī)內(nèi)部出現(xiàn)意外事件，程序?qū)⒆詣愚D(zhuǎn)移到一個特定的程序中去處理;在程序中設(shè)置防脈沖干擾數(shù)字濾波程序，其能有效地消除信號的隨機(jī)干擾和脈沖干擾;整定數(shù)據(jù)采用多處貯存防沖毀的保護(hù)方法[5，6]。

程序的設(shè)計，使其具有以下保護(hù)功能:電動機(jī)啟動時間過長保護(hù)，相間短路/運(yùn)行中的堵轉(zhuǎn)保護(hù)，過流及過負(fù)荷保護(hù)，不平衡保護(hù)(三相電源電壓嚴(yán)重不對稱、斷相、反相)，接地故障保護(hù)[7，8]。

3.1啟動時間過長保護(hù)

該程序是通過模擬電動機(jī)的啟動過程來實(shí)現(xiàn)電動機(jī)啟動完畢判斷，實(shí)現(xiàn)啟動時間過長保護(hù)。

3.2 過流及過負(fù)荷保護(hù)

過流及過負(fù)荷保護(hù)是以熱模擬方程作為動作議程的，電動機(jī)的等效電流Ieg=I21+KI22，考慮了異步電動機(jī)的集膚效應(yīng)引起的正、負(fù)序電流對電動機(jī)發(fā)熱的不同影響，式中K為負(fù)序電流發(fā)熱等效系數(shù)，取3～6;I1為正序電流分量，I2為負(fù)序電流分量。保護(hù)分為三段:

(1) Ig/Ie>5，保護(hù)特性為速斷，針對的是短路故障;

(2) Ig/Ie=3～5，保護(hù)特性為定時速斷，針對的是機(jī)械堵轉(zhuǎn)故障;

(3) Ig/Ie=1.15～3，保護(hù)特性為反時限過流，針對的是過負(fù)荷故障。

3.3 不平衡保護(hù)

異步電動機(jī)的常規(guī)繼電保護(hù)，基本上不反應(yīng)負(fù)序電流的不平衡保護(hù)，發(fā)生不平衡故障時，電流倍數(shù)不很大，但負(fù)序電流的發(fā)熱變得嚴(yán)重，若過流保護(hù)不能快速動作，電動機(jī)很容易燒毀。

新保護(hù)裝置采用兩段式定時限負(fù)序電流保護(hù)，作為不平衡故障的主保護(hù)。當(dāng)負(fù)序電流I2≥0.8Is(Is為系統(tǒng)最小運(yùn)行方式下電動機(jī)機(jī)端端兩相短路時，最小的短路電流負(fù)序分量)時，保護(hù)短延時速斷，延時時間為0.5 s，主要保護(hù)斷相和反相故障;當(dāng)Is在(0.05～0.08)Is之間時，保護(hù)反時限動作，主要保護(hù)電機(jī)局部匝間短路及三相電源電壓嚴(yán)重不對稱之類的輕微故障，對電機(jī)故障的早期診斷具有很大益處。

3.4 接地故障保護(hù)

當(dāng)零序電流3I0大于系統(tǒng)的電容電流時，經(jīng)短延時t保護(hù)出口動作，發(fā)出接地信號或跳閘。對6 kV電網(wǎng)中變壓器中性點(diǎn)不接地或經(jīng)消弧線圈接地的系統(tǒng)，保護(hù)通常只需發(fā)接地信號，不跳閘。保護(hù)的短延時整定為0.5 s;對6 kV電網(wǎng)中變壓器中性點(diǎn)經(jīng)高阻接地的電網(wǎng)，保護(hù)動作于跳閘，其動作電流應(yīng)躲過電動機(jī)的啟動過程中由于三相電流不完全對稱而出現(xiàn)的3倍不平衡零序電流，延時整定為1 s。

4 硬件抗干擾措施

應(yīng)用控制系統(tǒng)的工作環(huán)境惡劣，周圍有各種各樣的干擾。針對不同干擾采用以下抑制措施:

(1) 在電源出線加隔離變壓器、穩(wěn)壓器、低通濾波器或直接使用開關(guān)電源供電;

(2) 采用光電隔離技術(shù)，隔斷各個通道與單片機(jī)之間的耦合，防止傳輸線引入干擾;

(3) 在接地上，采用數(shù)字“地”與模擬“地”分開，并最后與電源端地線相連。

5 結(jié) 語

綜合保護(hù)裝置整定簡單，抗干擾能力強(qiáng)，基本覆蓋了電動機(jī)常見故障類型，具有理想的保護(hù)性能和智能化的故障診斷功能，克服了常見繼電保護(hù)的缺點(diǎn)，具有良好的應(yīng)用前景。

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