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1、河北工业大学硕士学位论文基于单片机的电动机过载保护技术的研究摘 要电动机作为主要的动力设备在工、农业生产和发展中扮演着重要的角色。但是,因为使用不当或其他原因造成电动机故障的几率也是很大的。这不但造成电气设备的浪费,还会因此而带来不等的间接经济损失,因此,对电动机采取有效的保护措施是非常必要的。随着对电动机性能要求的不断提高,其保护系统也应随之改进。研制系统完善、可靠性高的电动机保护系统已是必然的趋势。本文首先介绍了电动机保护装置的发展历程和国内外的研究情况以及未来的发展趋势。其次,分析了电动机常见故障原因及对称分量法在故障判断中的应用。最后,结合现有理论,设计并实现了以单片机AT89S52为
2、核心的电动机过载保护装置的硬件电路,同时根据理论算法设计了装置的软件系统,两者相结合最终实现了保护装置的功能。整套装置包括了:主控制芯片、数据采集单元、时钟显示单元、键盘处理单元和报警中断等模块电路。将装置模块化不仅便于设计、调试,而且对软件编程也有帮助,简化了程序编写,出现错误时易于分析、查找。本装置是在传统电动机保护装置的基础上设计而成的。结果证明,灵敏度和精确度均优于后者。为使其性能更加可靠,需要从软件和硬件两方面作进一步的研究,以提高系统的抗干扰能力。关键字:对称分量法,过载保护,可靠性MOTOR OVER-LOAD PROTECTION TECHNOLOGY RESEARCH BAS
3、ED ON MICROCONTROLLERAbstractAs a major power equipment, motor plays an important role in industrial and agricultural production and development. However, because of improper use or other causes, motor failure probability is great. This not only results in the waste of electrical equipment, but also
4、 creates indirect economic losses, therefore, it is very necessary to take effective measures to motor protection. With the continuous improvement of motor performance requirements, its protection system should also be improved. It is the inevitable trend that developing system perfect, reliable mot
5、or protection system.First of all, this paper describes the development of motor protection devices, research at home and aboard, as well as the future trend. Second, it analyses the common cause of motor and the application of symmetrical component method in fault diagnosis. Finally, with existing
6、theory, designing and implementing the hardware circuit of motor over-load protection based on microcontroller AT89S52, meanwhile, according to theory algorithm, designing the software system. Combining the two parts, the function achieves.The whole package includes: MCU, data acquisition unit, the
7、clock display unit, keyboard processing unit and alarm interruption. Modular circuit is not only easy to design, debug, also helpful to software programming, simplifying programming, easy to analysis and find when error.This device is designed based on traditional motor over-load protection. It is p
8、roved that sensitivity and accuracy are both better than the latter. In order to make it more reliable, both the hardware and software need further research to improve the anti-jamming capability of the system.KEY WORDS: symmetrical component method, over-load protection, reliability目 录第一章 绪论11-1 电动
9、机保护的意义11-2 电动机保护装置的发展历史11-2-1 热继电器型保护方式11-2-2 电磁型保护方式21-2-3 温度保护方式21-2-4 电子式保护方式21-2-5 微处理器式保护方式21-3 国内外在过载保护方面的研究和发展趋势31-4 本文的研究内4第二章 电动机保护原理52-1 对称分量法52-2 电动机常见故障的保护措施72-2-1 过载保护72-2-2 堵转保护112-2-3 零序电流保护122-2-4 短路保护122-2-5 过热保护1122-2-6 欠压和过压保护132-2-7 起动时间过长保护132-2-8 频繁起动保护14第三章 电动机过载保护装置的硬件研究与设计15
10、3-1 智能型过载保护装置的总体结构153-2 单片机系统单元的设计163-2-1 单片机的选型163-2-2 主控系统的设计203-2-3 上电复位电路203-3 信号采集单元的设计203-3-1 采样芯片的选型213-3-2 采样方法的比较223-3-3 基于AD7705的采集单元设计233-4 时间单元的设计233-4-1 DS1307的寄存器设置233-4-2 DS1307I2C总线操作时序243-4-3 DS1307与单片机的接口电路243-5 键盘显示单元的设计253-6 报警电路单元273-7 串行通信单元27第四章 电动机过载保护装置的软件研究与设计294-1 电动机过载保护装
11、置的软件总体结构294-2 主程序304-3 数据采集程序314-4 时钟单元程序344-5 按键单元程序36第五章 总 结38参考文献39致 谢42攻读学位期间所取得的相关科研成果4343第一章 绪论1-1 电动机保护的意义电动机作为动力系统中的重要组成部分在国民经济中占有举足轻重的地位。随着工、农业生产的发展,以及其可靠性高、结构简单、成本低廉、维护方便等特点,越来越多的电动机被广泛地应用于各行各业,是工业、农业和国防建设及人民生活正常进行的重要保证。据统计,电网的总负荷中有60%以上是电动机;以电力作为原动力的负荷中有90%左右是电动机。但是,每年因使用不当等原因造成损坏的电动机的数目也
12、是可观的,由此产生的电气设备的浪费或者维修费用数额巨大,无法计算。截至2001年,全国使用的中型电动机大约有2000万台,每年烧毁的电动机大约有320万台,占到总量的16%,按平均每台1000元的维修费用计算,总费用约为32亿元1。不仅如此,电动机经过修理后功率下降,耗电量大,性能变差,一旦发生故障,可能导致动力系统和电力系统服务中止,从而造成生产线的停工,甚至危及到作业人员生命安全,由此造成的间接损失更是一个无法估量的数目。所以,确保电动机的正常运行就显得十分重要。据统计资料表明,电动机易受到损坏的是定子绕组,其故障率约占80%以上,在电动机的各种故障中,又以过载、堵转、断相为主。这些故障的
13、发生会引起电动机的电流、电压和相位的变化,其中以过流和过热为显著特征。如果在电动机过流和过热时能及时采取有效措施消除,这不仅能有效地保护电动机不受损坏,还能减少因电动机停止给工艺过程造成的大规模间接损失和不安全因素。1-2 电动机保护装置的发展历史1-2-1 热继电器型保护方式在电动机的过载保护装置中应用最普遍的是热继电器。其工作特点是:当电动机发生故障时,过载保护继电器能及时、可靠的动作,达到保护电动机的目的;当电动机正常工作时,过载保护继电器不动作。电动机保护装置采用热继电器已有很长的历史,在电子行业技术尚不发达的时代曾是电动机过载保护的首选产品。它主要采用双金属片式保护技术,利用双金属片
14、热效应原理。电流流过金属片时,产生的热量会使金属片发生明显变形,这种变形力积累到一定程度后就会启动继电器中的脱口装置去切断电动机的电源,以达到保护电动机的目的。这种产品在三十年代就开始大量使用, 因其在过载保护方面具有结构简单、安装方便等优点,一直是电动机保护的主要元件。但是其核心器件双金属片由于被反复的加热和冷却,其应力变化很不稳定,长期轻微过载运行会使电动机绕组产生热积累,从而使绕组绝缘老化造成电动机损坏;重复性能差、大电流过载或短路故障后不能再次使用、误差大、易受环境温度的影响,功耗大、耗材多、性能指标落后。对于断相、不平衡运行等不对称故障不能及时、有效地保护,容易出现拒动和误动,使热继
15、电器的准确性、灵敏性和可靠性受到影响,难以满足电动机保护的要求。1-2-2 电磁型保护方式以故障前后电流量的变化为判据的电磁型保护方式曾被广泛应用,通常是在电流断速或是定时限过流情况下发挥作用,另有一次过流时动作。这些保护的定值都要尽量避开电动机的起动电流,而且是要比额定电流大很多倍,这会使电动机匝间故障、堵转、转子鼠笼断条等故障的动作灵敏度降低,加重电动机的损坏程度。可见此种保护方式并不能从根本上提高装置的灵敏性。1-2-3 温度保护方式温度保护是利用安装在电动机内部的温度传感器来实现的。当电动机出现各种故障,导致绕组温度达到危险值之前,传感器将温度信号变为电信号输出,送至保护装置中,经晶体
16、管或集成电路检测放大,推动继电器动作或晶闸管截止,迅速切断电动机电源,使其得到保护。温度保护不仅对电动机实现可靠保护,而且对发电机、变压器和电焊机等均能实现可靠保护2。在制造电动机时,传感器预先安装在电动机绕组里来监测内部的温升。但是这样就会产生一个不好解决的问题,传感器是固定不可移动的,当远离它的地方发生故障时,传感器有可能动作延误或是根本监测不到,这样会造成更大的危险。因此温度保护有相当大的局限性。1-2-4 电子式保护方式上个世纪七八十年代,随着半导体模拟器件的兴起及普及,涌现出了一批性能比较可靠、功能多样化的电子式电动机保护器,它主要以单片机作为主控制器。首先建立与电动机热特性相一致的
17、数学模型,以便对电动机进行热动态跟踪;其次设计多功能模块并结合计算机软件的优势,使得在软硬件相结合条件下,集多种功能于一体的综合保护器的出现成为可能3。其工作原理有两方面:一是通过检测电流值来反映过载、短路和堵转等以过流为特征的故障;二是通过检测电动机的电流是否缺相来反映断相故障。1-2-5 微处理器式保护方式微处理器保护装置的发展大致可分为以下几个阶段: 第一阶段以单CPU硬件结构为主,数据采集系统由逐次逼近式A/D转换器构成; 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,利用多CPU的特点,强化了自检和互检功能,具有完善的抗干扰措施以及
18、防止拒动和误动的措施。 第三阶段以高性能的16位单片机构成的硬件结构为主,具有总线无需引出芯片,电路简单的特点;抗干扰性能进一步增强,并且完善了通信功能。其主要特点是: 功能多,易于设计和控制,可以方便地扩充其他辅助功能; 可对多种故障进行监测和保护:如断相、过载、短路、欠压、过压及漏电等故障; 可以与远程计算机联网,监控电动机工作情况;具备遥控的功能,实现通讯; 具有电流电压显示、时间控制、软件自诊断、来电自恢复、自启动顺序、故障记忆、自锁和远传报警等智能化功能; 动作灵敏,精准度高,能得到常规保护不易获得的特性; 可靠性高,自检和互检能力强。1-3 国内外在过载保护方面的研究和发展趋势现代
19、电动机与30年代相比,体积相对减少约1/3,重量已不到原来的1/2。随着自动化程度的不断提高和人们对电动机的可靠保护越来越重视,以双金属片为核心的传统热继电器已远远不能满足现代工业对过载保护继电器在精度、速度和灵敏度等方面的要求,设计新的电动机保护装置已是必然趋势。1997年国家机械部等八部委联合发文宣布:从1997年12月31日起,停止生产热继电器等落后机电产品,逐步以新型电动机保护器代替热继电器。近几十年,国内外在电动机保护装置的研究方面大体经历了机电型、整流型、晶体管型、集成电路型四个阶段4。随着电子技术的发展,电子式和智能型的过载保护装置相继问世。国外在电子式保护装置方面的研究较早,是
20、从60年代开始的,而且生产规模较大,种类齐全。美国罗克韦尔自动化公司生产的MCS-E1系列电子式过载保护继电器体现了当今世界过载保护继电器的一种发展趋势5。MCS-El通过电流互感器将三相电流转换为直流信号,送至专用芯片,可实现过载保护、断相保护及热记忆功能。韩国三和株式会社研发的产品主要有交流、直流保护继电器、数显式智能型保护器、电压型保护器等各种型号的产品,有近50种规格。在电动机的断相、过载、欠载、三相不平衡、逆相、堵转、漏电、接地和短路等故障中发挥着重要作用2,6。由于采用了集成电路和电子元器件,电子式过载保护继电器相比于传统的热继电器动作速度快,精度和灵敏度高;可靠性好,不会出现拒动
21、或误动。80年代末,随着微处理器技术的发展,国外一些发达国家开始研制以单片机为核心的电动机过载保护继电器。德国西门子公司研制的3UB1系列继电器率先用单片机来完成对负载电流的采样、比较和选择工作点,从而对电动机进行可靠的保护7, 8。这种继电器能提供过载、断相和三相电流不平衡保护。此外,日本富士公司的具有过载、断相和反相保护的QA系列继电器,美国ABB公司的SPEM继电器在过载、三相电流不平衡、断电保护和自我监控等方面均具有完善的功能9。我国在新型过载保护继电器研究方面起步较晚,开始于80年代中期。不过进入90年代,越来越多的国内生产厂家涉足该领域,将先进的技术运用到继电器的研究中,不断创新,
22、使其智能化水平不断提高。例如济南中兴电器公司研制GDH-30系列电动机保护器采用微处理器作为核心部件,对信息的采集、处理、显示全部自动化,性能稳定、可靠,显示直观、准确,具有过流、缺相、三相不平衡、堵转等保护功能,另有故障预报警、各项参数可设定等辅助功能10。南京建威科技公司研制的KSL-521系列智能电动机保护控制装置主要应用于690V以下低压电动机控制系统,对电动机的过载、短路、长延时起动、堵转、欠压、过压等故障予以保护,并集合三相电量检测、显示、数字输入/输出和网络通讯于一身,实现数据的远方管理及“四遥”功能。此外,苍南三维仪表有限公司研制生产的典型产品DZJ系列电动机智能监控器均是在综
23、合保护技术的基础上发展起来的2。新型的智能化保护装置运用微电子技术和计算机技术,将电动机运行状态的测量、保护、通信集成于一体,使其可以选择最佳模式进行控制与保护,实现与中央控制器的双向通信,提高控制系统的信息化、自动化程度,有效的实现电动机的保护。具有功能强大、集成度高、反应灵敏、动作准确、误差率低等优点,智能化保护继电器已成为21世纪重要的发展趋势6。1-4 本文的研究内基于微处理器技术、计算机技术和通信技术的成熟程度和应用的广泛度,同时在借鉴国内外相关资料的基础上,本文提出了利用单片机实现电动机的过载保护。微处理器具有强大的计算能力、逻辑分析能力、记忆能力和通信能力,借助于这些优点设计出来
24、的电动机过载保护装置,不仅可以为电动机提供更加可靠灵活的保护,还可以提高工业生产的自动化水平。本课题的研究内容有如下几方面:(1) 分析电动机过载的原因和保护装置的工作原理;(2) 分析过载保护算法和模型;(3) 设计以单片机89S52为主控芯片的电动机保护装置设计,其中还包括:数据采集模块、时钟和计时模块、报警和显示电路;(4) 利用汇编语言实现软件的设计。采用模块化分别设计,分为主控电路程序、数据采集处理部分子程序、报警中断显示子程序等几部分。第二章 电动机保护原理电动机的故障通常可分为两大类:对称故障和不对称故障。(1)对称故障主要包括对称过载、堵转、三相短路等,主要特征是三相电流基本对
25、称但电流幅值增大,由此引起的热效应和机械应力是造成电动机损害的主要原因11,12,因此以过流程度作为这类故障的判定依据:过载时电流一般是额定电流的1.25倍;堵转时是57倍额定电流;三相短路时电流大约为812倍;(2)不对称故障主要有断相、相间短路、三相不平衡运行、单相接地等,在故障早期没有特别明显的过电流或过热表现,主要特征是电动机定子电流出现负序电流和零序电流。根据对称分量法分析,负序分量和零序分量在电动机正常运行时没有或很小,一旦出现必然表示发生了不对称故障。因此利用电流中的负序分量和零序分量来鉴别各类不对称故障具有很高的灵敏度和可靠性。2-1 对称分量法对称分量法是一种基于电工基础的叠
26、加原理的变换方法。以三相系统为例,对称分量法是把一组不对称的电流或电压,分解成同频率的三组对称的三相电流或电压,即正序、负序和零序,再进行分析的方法13。本设计中,采用的方法就是对单片机所采集到的线电流进行计算。(1) 正序三相正序分量的幅值相等,相位为A相超前B相120,B相超前C相120;(2) 负序三相负序分量的幅值相等,相位为A相落后B相120,B相落后C相120,即与正序相反;(3)零序三相零序分量的幅值和相位均相同。具体关系如图2.1所示。 (a) (b) (c)图2.1.1 图2.1.2 图2.1.3图2.1 对称分量Fig.2.1 Symmetrical components图
27、2.1.1 正序分量 图2.1.2 负序分量 图2.1.3 零序分量根据对称分量法,一组不对称的三相电流、可分解为三组对称的三相电流,分别为正序电流、和;负序电流、和;零序电流、和。、和,、和以及、和称为三相电流、和的对称分量。有如下关系: (2.1)或者 (2.2)其中:,(1)电动机正常运行时,定子绕组中通过对称的三相电流、和,且,即绕组中没有负序和零序分量。(2)当电动机发生不对称故障时,则会出现负序电流。当发生对称故障或严重的相间短路故障时,电动机的转子处于堵转状态,绕组电流大,特别容易烧毁电动机。这类故障的主要特征是三相基本对称,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上
28、,因此检测过电流的程度可作为这类故障的判断依据。对称故障的保护可通过常规的过流保护手段实现;对于严重的三相短路保护应采用快速跳闸;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,利用反时限特性与电动机的温升指数特性相配合。综合起来,电动机的常见故障可由表2.1说明14,15。表2.1 电动机常见故障特性分析Table 2.1 Analysis of common fault of motor故障类型零序负序故障特征保护特性对称故障过载无无反时限堵转无无定时限短路无无速断不对称故障非接地断相无有定时限不平衡无有定时限相间短路无有速断接地单相接地有有速断注:为电动机的额
29、定电流。2-2 电动机常见故障的保护措施2-2-1 过载保护过载是指电动机负荷加大,造成电机输出力矩加大,运行时电流超过额定值,引起发热的现象。电流的增加会使电动机的温升超过额定值,导致绕组绝缘降低,电阻增加,严重时会烧毁绕组。因过载对电动机的损坏主要是由于过电流引起的,所以故障严重程度可通过过电流的程度来判断。过载保护是指电流超过电气设备限定范围,而有一定烧毁危险时保护装置能在一定时间内切断线路,保护设备不受损坏的过程。电动机的过载与输电线路或其它设备的过载不同,因为电动机过载将导致电动机过热,但又允许在低倍过载情况下运行一定时间,故电动机的过载特性一定要具有良好的反时限性16,如图2.2所
30、示。图2.2 过载保护反时限特性曲线Fig.2.2 Inverse time characteristic curve of over-load protection 时间与电流的关系通常用数学模型表示: (2.3)其中,是以启动电流倍数表示的故障电流;、为常数。的量纲为时间,(2.3)式表明动作时间是输入电流的函数,当1时,为正,动作。显然,越大,越小,表明时间与电流成反时限特性。另外,电动机的过载保护还应具有模拟和记忆电动机热积累的功能。电动机在多次重复短时间过载,而每次过载时间均小于容许时间的情况下,保护装置不会动作,但由于电动机自身热积累的结果可能使电动机烧毁,所以电动机保护应具有模拟
31、和记忆电动机热积累的功能14。2-2-1-1 等效电流的计算幅值相同的正序电流I+和负序电流I-在电动机内部产生的热量并不相同。定子绕组的I+和I-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(设转差率s0),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,对异步电动机有17,18:1.256 (2.4)即与I+大小相同的I-产生的损耗为I+的KR倍。因此,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
32、、负序电流的不同发热效应,英国GEC公司提出了一个反映上述发热效应的“等效电流”11,19: (2.5)式中:K1为正序电流发热系数,电动机起动过程中由定值按电动机负荷能力整定,一般设为0.5,电动机运行过程中自动设为1;K2为负序电流发热系数,K2=(36),一般设为6;I1为正序电流分量;I2为负序电流分量。等效电流不仅适用于过载保护,还适用于过流保护,根据等效电流,将过流保护分为三段20:2-2-1-2 过载特性与热积累前面已经介绍过电动机过载将导致电动机过热,但其低倍过载又允许一定时限,所以电动机过载特性具有反时限特性。如图2.2所示。电动机发热理论研究表明,电动机持续运行的容许负荷主
33、要取决于定子绕组的温度,故将定子电流的大小作为电动机过载的主要依据。电动机发热过程温度变化曲线如图2.3所示21。 图2.2 过载保护反时限特性曲线 图2.3 电动机发热过程温度变化曲线Fig.2.2 Inverse time characteristic curve of Fig.2.3 Temperature change curve over-load protection of motor heating电动机过载之后其过载倍数不可能是一成不变的,随着过载倍数的变化,允许过载时间也发生相应的变化22-24。考虑到负序电流的热效应,特别是转子绕组中的热效应,具有反时限特性的过载保护模型的
34、动作判据如下式所示17,2526: (2.6)其中,为过载保护动作时间;为电动机热积累时间常数,表示电动机的过热能力。 (2.7)其中, 为反时限时间系数; 为电动机发热时间常数。当时,为无穷大或负值,即保护不动作;的大小一般可通过过载能力数据进行估算,如果在倍过载允许范围内,则根据(2.7)计算得到: (2.8)为实现电动机发热模型的热积累特性,可将上式改写成: (2.9)其中,为电动机的热积累值,表示电动机的过热程度;为相邻两次积累计算的时间间隔。2-2-1-3 动态过载保护数学模型分析电动机不是一个均匀物体,其发热和散热过程比较复杂。在电动机热计算中,假定电动机是一个均匀物体,只计算平均
35、温度。根据能量守恒定理,电动机在实际运行过程中的热平衡微分方程为21: (2.10)式中,在时间内电动机总的发热量(J);电动机的蓄热量,其中为电动机的重量,为电动机的比热,为时间内电动机的温升变化值();为在时间内电动机总的散热量(J);定子绕组的温升;电动机的散热面积;散热系数。式(2.10)在考虑发热的同时,也考虑了热量向周围介质的散失,完全可以用来描述电动机在恒定负载、变负载和断续工作情况下温度的真实变化过程。该微分方程的解为:(2.11)式中,为定子绕组的稳定温升;为定子绕组的初始温升;为电动机的热时间常数, (2.12)过载保护元件应在小于电动机温升允许值的设置值动作,断开电路,得
36、:(2.13)当时, (2.14)动作时间: (2.15)主要由电动机绕组线圈的损耗和铁芯的涡流与磁滞损耗组成。与成正比;取决于磁场强度。由与的关系曲线可知,与基本成正比,而与成正比。因此,与基本成正比关系,与基本成正比关系21。当电流一定时,电动机的稳定温升与成正比,故电动机的稳定温升就与成正比,即 (2.16)为电动机的线电流有效值;为稳定温升比例系数,由电动机的各参数确定。(2.17)为电动机的额定电流;为电动机电流为时的稳定温升。电动机在实际运行时,随着电流的变化,稳定温升也是变化的。在整个运行时间范围内,无法用一个函数表达式计算电动机的温升。因此,把电动机的运行过程离散成一个个小区间
37、,在每个小区间上,可把电流看成定值21,2728。在此区间上,利用(2.17)求解电动机的温度,同时考虑负序电流效应,把公式(2.13)改写成离散区间的形式,得: (2.18)式中,为第段时间的最后温升;为第段时间的最后温升。把前一区间的最后温升作为下一区间的开始温升,并设定电动机的初始温升,可求解电动机任意时刻的温升。2-2-2 堵转保护电动机刚刚启动时,由于种种原因(机械故障、负荷过大、电压过低等)转子不能正常运转,始终处于静止状态(S1.0,S为转差率),这就是通常意义下的堵转。电动机在启动过程中除了S=1.0为堵转外,由于某种原因使电动机运行在转速很低的状态下,而达不到设计的额定转速,
38、也是一种堵转状态;电动机在正常运行中,由于机械故障将转子卡住、负荷急剧增加、电压突然失去等原因也可能使转子转速迅速下降,运行在一个很低的转速下甚至转子完全停下来,造成电动机堵转(或称运转中的堵塞)。发生堵转的电动机,电流很大,散热条件差,造成温升急剧上升,产生一定的损耗,如:绕组电阻损耗、铁芯电磁损耗、介质损耗、涡流损耗等,特别容易烧毁电动机。堵转属于对称故障的一种,所以保护方式通常采用过电流倍数的判别方法,其中,为堵转允许电流;为堵转允许时间。当电动机启动时间超过允许时间且堵转电流大于允许值时,堵转保护动作。堵转保护信号可取自电动机线电流,当线电流超过堵转电流整定值,并达到时限时,立即进行断
39、电保护。堵转保护的电流整定值一般可取电动机的稳定起动电流,即额定电流的47倍29。由于电动机起动电流也能达到额定电流的47倍,为区分电动机的堵转故障与正常启动,保护算法上要能够判断是起动时间内还是起动时间后,一般采用躲过电动机起动时间的方法来实现30。2-2-3 零序电流保护零序电流故障也称接地故障主要是过电压原因造成绝缘受损,主要表现为相线与电气装置的外露导电部分(包括电气设备金属外壳、敷线管槽及构架等)、外部导电部分(包括金属的水、暖、煤气、空调管道和建筑的金属结构等)以及大地之间的短路。这种故障与相线和中性线间的单相短路故障不同,与相线之间产生的相间短路也不同。接地故障与一般短路相比,具
40、有更大的危险性和复杂性,因为这类故障可能引发火灾并对人身触电构成威胁。接地保护与漏电保护不同,它采用矢量和方式,通过对保护器内部互感器所测得的三相电流进行矢量和计算,也可以采用漏电电流互感器(零序互感器)直接检测,主要用于故障电流在几百安培以上的金属性接地故障保护,一般用于中性点直接接地系统。对于较小的电流,由于采用零序互感器更为准确和可靠,故漏电保护信号必须取自零序互感器16,31。2-2-4 短路保护电动机的短路故障是危害性较大的一种故障,包括定子绕组的相间短路和一相匝间短路。前者是电动机最严重的故障。会引起破坏机器本身,使电网的电压显著下降,影响周边用电设备正常运行的后果;一相匝间短路是
41、较常见的短路故障,表现为三相电流不对称,使相电流增大,严重时会导致匝间线圈绝缘烧毁,使电动机严重损坏27,32。短路保护的整定值应大于电动机最大稳定起动电流,一般是额定电流的810倍。保护方法是通过检测三相线电流,如果任何一相的电流超过整定值,则短路保护启动。即:2-2-5 过热保护绕组温度是决定绕组绝缘寿命的主要因素,是电动机寿命的决定因素。因此,电动机的温度绝对不能超过电动机的额定温升,否则应立即采取保护措施保证电动机工作在正常的温升范围内。这样就十分有必要对电动机的绕组温度进行监控,当检测到电动机温度超过额定最大温升时及时采取保护措施,使电动机能一直在小于额定温升的温度下正常运行33。另
42、外,有时也会出现电动机因长时间运行等原因即使电压、电流在正常范围内,但电动机的温度确实达到了极度危险的数值,过热保护可直接根据电动机的温度状况做出保护动作,使其对电动机的保护万无一失,确保设备的安全。2-2-6 欠压和过压保护根据异步电动机电磁转矩公式 (2.19)式中:电磁转矩;常数;定子电压;,电动机转子电阻和启动感抗;转差率电动机的电磁转矩与电网供电电压有关。当电网电压上下波动时,电动机的电磁转矩相应发生变化,影响定子电流的变化,进而影响到电动机的正常运行27。a. 欠压保护在电动机负载和转子电阻一定的条件下,电压降低时,电磁转矩下降,电动机转速下降,旋转磁场对转子的相对速度增大,磁通切
43、割转子导条的速度增大,转子绕组中感应出的电动势和产生的转子电流都将增大。和变压器原理一样,转子电流增大,定子电流必然增大34,温升增高。如果电动机长时间在低压条件下工作会使其过热而烧毁,严重时还会造成堵转。低电压也会使电动机起动转矩下降,当电压降低到能是起动转矩小于负载转矩时,电动机就无法启动27。欠压保护的原则是:若在一定时限内采样到的线电压有效值低于保护整定值,则认为有故障产生,需进行断电保护。b. 过压保护过电压一般是由电压波动造成的,也可能是由于其他故障而产生的。过压保护的原则是:若在一定时限内采样到的线电压有效值高于保护整定值,则认为有故障产生,应进行断电保护。2-2-7 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。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,而且该保护只针对电动机起动过程加以保护,当电动机正常起动后,该保护自动退出14。当正序电流大于0.1(为电动机机端电流互感器的额定电流值)时,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大于堵转电流整定值,则起动时间过长保护开始动作;若电动机运行电流
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