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关于电力系统中电动机智能保护系统设计的探讨 安科瑞 黄飞蓉 18860995251

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jsacrelhfr
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LV6
高级工程师
  • 2021-11-24 15:11:13
  摘要:电动机是电力企业中基础性机电设备,其实际运行中受多方面因素影响,运行中可能会出现一系列故障,导致电动机出现问题,影响电力系统稳定生产,甚至会导致安全事故发生。
  关键词:电力系统;电动机;智能保护;系统
  电动机保护器的作用是给电机保护控制,在电机出现过流、欠流、断相、堵转、短路、过压、欠压、漏电、三相不平衡、过热、接地、轴承磨损、定转子偏心时、绕组老化予以报警或保护控制。
  0 引言
  我国经济快速发展中,电力企业为各项生产生活提供电力支持,而电动机是电力系统中基础性设备,其在电力能源中占有重要地位。社会对电力需求越来越大,使优化电动机,实现智能控制成为电气企业首要待解决问题。电动机自身传动系统简单,应用广泛。但是其自身发生故障后,会导致系统不能稳定运行,给电力企业造成一定经济损失,严重的还会对工作人员造成人身伤害。下文以电力系统电动机智能保护系统研究进行详细分析,旨在为合理使用电动机智能保护系统奠定坚实的基础。
  1 电动机保护系统发展及现状
  电动机保护装置发展中,经历不同时期变化,开始其为机械式双金属热继电器,经科学技术进步影响,后发展为双金属温度开关保护,当下,电动机保护系统已经发展现代化电子式电动机控制。
  1.1 机械式双金属热继电器保护
  热继电器(如图1所示)20世纪50年代由苏联引进的金属片机械式电动机保护设备,该设备能够实现对电动机过载运行合理保护,自身具有反时限性,结构简便。但是该设备自身功能具有单一性,热继电器自身特热量时间常数小,对于一些特殊电动机(大惯量、重载起动)不能适用,容易出现堵转保护现象。
   图片1.png
  图 1 德力西 JR36-20 热继电器示意图
  1.2 电子式电动机保护装置
  在电子技术成熟的工业时代,以电子模拟为支持的多功能保护装置替代了机械式双金属热继电器保护。电子式电动机发展已久,开始为晶体管支持下的电子式电动机,后发展到以集成电路为支持,可满足低压电动机保护需求的功能性电子式电动机。当今时代背景下,电子式电动机保护装置已经不单单是保护取样,其更多的在于电压取样及电流取样两种形式。
  2 电力系统电动机智能保护内容
  2.1 短路
  短路保护应遵从相敏保护原则,将起动电流及短路电流区分恰当,确保系统保护的可行性。例如,在鼠笼式三相异步电动机保护上,其额定功率为工作电流5倍。电磁保护装置中,要脱离起动电流工作,若电动机容量大,起动电流将会接近电动机短路电流。不能单纯分析电流辐射值,避免不合理判断引起拒动或误动现象。在电动机启动时,功率因数较小,线路短路后,电感效应较低,相应功率因数较大。
  2.2 过载
  过载保护中,应遵循自适应反时限保护,以规范操作获取β(过载倍数),根据电动机容许过载时间(t),以:
  t=1500ln(β2-α) (1)
  通过此公式计算实际允许过载时间量,在考虑到实际允许过载时间量的同时,还要考虑到热积累的升温问题,以
  t2=β22/β12xt1(t1-△t) (2)
  以上述公式,计算允许过载时间,以强化对电动机过载保护,实现冷态及热态积分,从而达到应用长时间电动机冷态特征的目的。
  2.3 断相
  实际的断相保护中,其短路则存在正序电流分量和负序电流分量。设计可利用这一优势,使故障发生可形成对电流的充分保护,设计科学保护装置。保护装置中,可以反映故障分量,实现对故障整定值的简化选择,提高装置的整体整体灵活性。传统负序保护其主要是应用负序电流过滤器,以此获取信号信息,传统负序保护输入和负序电流有必要联系。若采用传统负序保护,则需应用硬件滤序器,其硬件设备上成本消耗多大,参数调试复杂,可行性较差。应以智能化保护装置为支持,以交流采样为的主要方式,获取瞬时值,进而对采样频率、负序分量等内容进行优化处理,确保系统稳定。
  2.4 电压
  电压保护上,其分为失压保护、欠压保护及过压保护等。对于过压保护及欠压保护,在一定延时后,单片机将发出跳闸命令,消除过压及欠压干扰。若电源电压消失,则电力系统电动机会发生停车,引起失压保护。失压保护下电源恢复正常工作,但是电动机将不再自动开启或解除闭锁。电动机开启之前,应检测供电线路是否正常。若发现断相故障,则要以信号方式闭锁回路,电机不再启动,同时对故障进行报警,显示故障。若无故障,则电动机正常启动。
  3 电力系统中电动机智能保护系统设
  3.1 三相异步电动机保护判据
  三相异步电机如图2所示,对其保护,要先找出需保护判据,操作针对现有科研成果进行分析,分析电机保护原理,将其和实际电力系统联系起来,了解电动机的工作原理。同时,要确保电动机智能保护系统具有通用性,能够适用于不同的电力系统当中,确保其保护曲线及保护动作程序和电力规范相吻合,对保护装置中保护曲线进行定制,根据不同电动机需求进行科学修改。
   图片2.png
  图 2 西门子三相异步电机示意图
  3.2 硬件电路设计
  硬件电路设计主要以电流电压互感器、电压形成电路、采用保持电路等处罚,将不同通道电能转化为电压值,将其输送到DSPA/D合转换电路中进行转换,再根据实际结果和标准值比对,判断是否存在故障,若存在故障则跳闸并发出报警,记录事件发生时间、故障性质等,实现对电力系统中电动机合理保护。其主要以DSP系统、前向输入、开关输入输出、人机交互及通信系统组成。
  3.2.1 信号预处理设计
  将实际搜集的电流的信号,经阻容低通滤波器净化之后,将信号以运放电路处理为电路允许的弱电压信号。
  3.2.2 DSP电路设计
  T1公司的DSP芯片属于哈佛结构改建,在数据总线及程序总线间局部交叉,数据可在程序存储器中储存,被算术运算使用,体现芯片灵活性。可调度两独立总线,确保处理能力效率高,减少储存器读取指令时间,提高运行速度。TMS320LF2407A数字信号处理器属于微控制器,具有高集成特点,将高性能DSP内核及微控制器外设功能集中在单片上,实现对MCU(传统多微处理器)及多片设计的理想替代,将DSP的实时性、性处理及外设功能集中起来,使控制系统具备40MIPS/秒的处理速度,以LF2407A DSP控制器实现远超16位微控制器的工作能力。
  外围电路设计上,LF2407A通过外部变压设备将220V交流电转化为5V直流电供应,但LF2407A芯片只支持3.3V电压,在电路设计中要将5V电源转化为3.3V电压,为CPU实现供应(采用TPS76833QPWP为转换芯片,转换5V电压为3.3V)5V电源输入端以2mm插口设计,电源功率要求在5V750mA
  外围电路中配备电源电路、监控电路及时钟电路,确保DSP电路可靠。
  3.2.3 键盘显示电路
  键盘显示电路是人机交互的重要内容,需保证其正常反应系统运行状态及运行参数,发生电动机故障时显示故障参数及故障类型,以键盘将整定值输入、修改,对历史故障准确查询记录,实现智能化、人性化操作设计。
  3.2.4 上位机通信设计
  以机械接口、电气接口、微处理器输出口连接,实现电动机智能保护及PC机通信结合,实现对设备的远程操作,操作人员可实现遥控操作,及时通知运行人员设备运行情况。
  3.3 软件程序设计
  电动机智能保护系统软件设计分为主控制模块及定时器中断处理设计。
  3.3.1 主控模块设计
  主控模块为主程序,属系统核心部分,起通过对各个功能性模块调整,对各个参数进行检测、分析并判断,进而实现一系列的保护控制实施。下位机上电,自行系统检测,对CPURAMROMA/D等内容自行检测,若发现硬件存在故障,则停止检测及时报警,待恰当处理后,进行系统初始化。电动机送电之前,对其漏电检测,检测供电线路及电动机是否存在漏电风险,若发现电动机或供电线路存在绝缘性问题,则不予供电,并发出警报。在地绝缘电
  阻高于整定电阻时,可对电动机正常供电。
  3.3.2 定时器中断处理模块设计
  定时器中断处理模块需对数据采集、处理、判断故障、执行保护措施等内容,可以网络为基础,实现在线检测电动机状态。以定时器中断程序进入,保护现场,对电力系统中电动机电压、电流采样分析,计算电动机电压及电流,判断其启动状态。未启动,则分析是否有短路、断相、接地等问题发生,及时采取速断保护设备。启动状态正常,则分析是否存在启动故障,若无启动故障,实现启动保护。
  软件程序设计是以各类编程语言、程序实现保护装置需实现的功能,以系统自检、初始化、开关量输入输出、A/D采样、参数计算、电机启动保护、电机运行保护、相应键盘、显示、CAN总线通讯等模块构成。不同模块可独立工作,各个接口涉及简单,避免程序冗余造成智能设备工作效率下降,要尽可能缩短程序开发实际周期。
  4.安科瑞智能电动机保护器介绍
  4.1产品介绍
  智能电动机保护器(以下简称保护器),采用单片机技术,具有抗干扰能力强、工作稳定可靠、数字化、智能化、网络化等特点。保护器能对电动机运行过程中出现的过载、断相、不平衡、欠载、接地/漏电、堵转、阻塞、外部故障等多种情况进行保护,并设有SOE故障事件记录功能,方便现场维护人员查找故障原因。适用于煤矿、石化、冶炼、电力、以及民用建筑等领域。本保护器具有RS485远程通讯接口,DC4-20mA模拟量输出,方便与PLCPC等控制机组成网络系统。实现电动机运行的远程监控。
  4.2技术参数
  4.2.1数字式电动机保护器
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  4.2.2模块式电动机保护器
  
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  4.3产品型号
  
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  5.结束语
  综上所述,对电力系统中电动机智能保护系统的分析,要了解电动机保护系统发展及现状,了解电力系统电动机智能保护内容,再次基础上分析电力系统中电动机智能保护系统设计内容。当下电力系统持续发展中,应重视对电动机的保护,针对异步电动机实施智能化保护。通过应用DSP数字保护系统及计算机网络技术,实现高校的信号处理,以集成电路为支持,提高保护装置计算能力,进而实现对电动机故障的迅速参照和处理,确保电动机稳定工作,促进我国电力企业可持续发展。
  电子式电动机保护器已由晶体管发展到集成电路至今已发展到微处理芯片厚模电路,从功能上一般分为断相保护、综合保护(多功能保护)、温度保护和智能保护。此类保护器具有节能、动作灵敏、耐冲击振动,重复性好、保护功能齐全、功耗小等优点。电动机保护器(电机保护器)是以检测线电流的变化(包括采取、正序、负序、零序和过流)为原则,可检测断相或过载信号。除具有断相保护功能外,还具有过负荷、堵转保护功能。

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