一种高压电动机综合保护装置的研究

一种高压电动机综合保护装置的研究

作者：刘振国

来源：《现代电子技术》2010年第07期

摘 要:针对目前高压电机故障频繁及其保护存在的问题,根据对称分量法,提出并设计了一种基于检测正序、负序、空序、零序电流分量的电动机综合保护装置,该装置应用于大中型异步电动机及同步电动机,效果明显,运行可靠。

关键词:高压电动机; 对称分量法; 综合保护; 电流分量 中图分类号:TP29 文献标识码:A 文章编号: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

在大型铜矿企业生产中,大量采用6 kV供电的高压电动机。由于作业环境恶劣,在运行过程中经常出现绝缘老化、机械损伤及其他不能防范的故障,使电动机长期带“病”作业,严重时会造成电动机烧毁,不但给企业带来很大的经济损失,也打乱了矿山生产的正常秩序,直接影响到矿山生产任务的完成。目前,高压电动机多采用以常规继电器和熔断器构成的保护装置。此类保护装置的缺点是:只能反映过电流为特征的故障量,无法考虑到异步电动机中负序电流产生的特殊效应,因此,其动作特征只能不精确地模拟电动机的热特征。基于常规继电保护装置的缺陷,将单片机引入到高压电机的综合保护中,使其达到继电保护所要求的“四性”(选择性、速动性、可靠性、灵敏性)并在经济性上达到一个新的水平。 1 高压电动机的故障特征分析

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高压电动机的常见故障可分为对称和不对称两大类。对称故障有对称过载、堵转、三相短路等,这类故障最明显的特征是电流幅值显著变化,对电动机的损害主要是热效应。因此,可以通过检测过流程度来反映这类故障;不对称故障有断相、逆相、匝间短路、单相接地和两相接地等。此类故障多数不出现明显的电流幅值变化,因此,常常不能及时鉴别。而不对称故障对电动机的损害不仅仅是电流增加引起的发热,更重要的是不对称引起的负序电流,产生负序电流磁场,使集肤效应显著增加,转子电阻增加,电机损耗增大,电动机发热变得严重,造成电机严重损坏。因此,以零序和负序电流分量作为鉴别不对称故障的判断,有较高的灵敏度和可靠性[1,2]。 2 硬件设计

硬件装置总的结构框图如图1所示。 图1 硬件装置总结构框图

主机采用准16位单片机8098,主要包括以下几个模块[3,4]:

(1) 输入通道。采用8098内部的10位A/D转换器,在12 MHz晶振时完成一次转换只需22 μs,3个输入通道分别引入正序、负序、零序分量。

(2) 键盘/显示器与8279的接口电路。保护装置整定采用键盘整定、LED显示。键盘/显示器专用接口芯片8279采用全部译码方式,最多可扩展8个LED和32位键盘,所以能满足保护设计要求。

(3) 出口电路。通过8098的高速输出HSO接光隔离和驱动电路到执行机构,使用2个出口,1个用于负荷报警,另1个用于跳闸切断电源。

(4) 面板。装置面板使用4×8键盘,8个LED,1个7位DZP开关,8个发光二极管,复位开关。 4×8键盘中0～9位键为数字键,A为小数点,B～F为功能键,控制五项整定项的输入,包括:电动机发热时间常数、起动时间、起动电流倍数、额定功率、负序效应系数、最大电容电流、最小短路电流和负序分量。 LED显示从键盘输入的值。

DZP开关用于控制整定、保护功能选择及过负荷保护曲线选择。

8只发光二极管指示电动机运行状态及故障类型,分别指示:电动机正常运行,过负荷,相间短路,严重的不平衡,接地故障,启动时间过长,E2PROM故障,整定值出错。 3 软件设计及保护措施

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图2为主程序框图。 图2 软件主程序框图

程序采用模块化设计,各功能程序以子程序形式出现。程序采用了抗干扰措施,如使用16位的程序监视寄存器(WATCH.DOG)作看门狗;设置软件陷阱,当单片机内部出现意外事件,程序将自动转移到一个特定的程序中去处理;在程序中设置防脉冲干扰数字滤波程序,其能有效地消除信号的随机干扰和脉冲干扰;整定数据采用多处贮存防冲毁的保护方法[5,6]。

程序的设计,使其具有以下保护功能:电动机启动时间过长保护,相间短路/运行中的堵转保护,过流及过负荷保护,不平衡保护(三相电源电压严重不对称、断相、反相),接地故障保护[7,8]。 3.1启动时间过长保护

该程序是通过模拟电动机的启动过程来实现电动机启动完毕判断,实现启动时间过长保护。

3.2 过流及过负荷保护

过流及过负荷保护是以热模拟方程作为动作议程的,电动机的等效电流Ieg=I21+KI22,考虑了异步电动机的集肤效应引起的正、负序电流对电动机发热的不同影响,式中K为负序电流发热等效系数,取3～6;I1为正序电流分量,I2为负序电流分量。保护分为三段: (1) Ig/Ie>5,保护特性为速断,针对的是短路故障;

(2) Ig/Ie=3～5,保护特性为定时速断,针对的是机械堵转故障; (3) Ig/Ie=1.15～3,保护特性为反时限过流,针对的是过负荷故障。 3.3 不平衡保护

异步电动机的常规继电保护,基本上不反应负序电流的不平衡保护,发生不平衡故障时,电流倍数不很大,但负序电流的发热变得严重,若过流保护不能快速动作,电动机很容易烧毁。 新保护装置采用两段式定时限负序电流保护,作为不平衡故障的主保护。当负序电流I2≥0.8Is(Is为系统最小运行方式下电动机机端端两相短路时,最小的短路电流负序分量)时,保护短延时速断,延时时间为0.5 s,主要保护断相和反相故障;当Is在(0.05～0.08)Is之间时,保护反时限动作,主要保护电机局部匝间短路及三相电源电压严重不对称之类的轻微故障,对电机故障的早期诊断具有很大益处。 3.4 接地故障保护

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当零序电流3I0大于系统的电容电流时,经短延时t保护出口动作,发出接地信号或跳闸。对6 kV电网中变压器中性点不接地或经消弧线圈接地的系统,保护通常只需发接地信号,不跳闸。保护的短延时整定为0.5 s;对6 kV电网中变压器中性点经高阻接地的电网,保护动作于跳闸,其动作电流应躲过电动机的启动过程中由于三相电流不完全对称而出现的3倍不平衡零序电流,延时整定为1 s。 4 硬件抗干扰措施

应用控制系统的工作环境恶劣,周围有各种各样的干扰。针对不同干扰采用以下抑制措施: (1) 在电源出线加隔离变压器、稳压器、低通滤波器或直接使用开关电源供电; (2) 采用光电隔离技术,隔断各个通道与单片机之间的耦合,防止传输线引入干扰; (3) 在接地上,采用数字“地”与模拟“地”分开,并最后与电源端地线相连。 5 结 语

综合保护装置整定简单,抗干扰能力强,基本覆盖了电动机常见故障类型,具有理想的保护性能和智能化的故障诊断功能,克服了常见继电保护的缺点,具有良好的应用前景。 参考文献

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