摘 要：簡(jiǎn)要分析了電動(dòng)機(jī)保護(hù)與控制的特征及關(guān)鍵技術(shù)，介紹了一種集測(cè)量、診斷、保護(hù)、控制和總線通信于一體的智能型電動(dòng)機(jī)保護(hù)裝置及其在智能變配電網(wǎng)絡(luò)中的應(yīng)用

　　關(guān)鍵詞:電動(dòng)機(jī)；保護(hù)與控制；智能

　　0 引言

　　  計(jì)算機(jī)技術(shù)、通信技術(shù)和微電子技術(shù)的迅速發(fā)展、互相結(jié)合，使信息技術(shù)得到了高速發(fā)展，并將人類社會(huì)帶進(jìn)信息社會(huì)。2003年，美國電科院首先提出《智能電網(wǎng)研究框架》后，*隨之掀起了一股智能電網(wǎng)熱潮。2009年3月，國家電網(wǎng)公司提出了“建設(shè)堅(jiān)強(qiáng)智能電網(wǎng)”，拉開了中國智能電網(wǎng)建設(shè)的序幕。

　　1 智能變配電系統(tǒng)介紹

　　1.1 智能電網(wǎng)

　　  智能電網(wǎng)的研究依然處于起始階段，至今還沒有一個(gè)統(tǒng)一的定義。目前，初步形成的智能電網(wǎng)的基本概念是：以物理電網(wǎng)為基礎(chǔ)，將*傳感測(cè)量技術(shù)、通信技術(shù)、信息技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、控制技術(shù)和決策支持系統(tǒng)技術(shù)與物理電網(wǎng)高度集成而形成的新型電網(wǎng)，其目標(biāo)在于使電網(wǎng)更加安全、可靠、經(jīng)濟(jì)與環(huán)保。智能電網(wǎng)的總體特征如圖1所示。

圖1 智能電網(wǎng)總體特征

　　  智能電網(wǎng)建設(shè)將帶動(dòng)信息化平臺(tái)、調(diào)度自動(dòng)化系統(tǒng)、電網(wǎng)穩(wěn)定控制系統(tǒng)、柔性交流輸電、變電站自動(dòng)化系統(tǒng)、微機(jī)綜合繼電保護(hù)系統(tǒng)、配電自動(dòng)化系統(tǒng)、用電管理采集系統(tǒng)和智能電器的市場(chǎng)需求。

　　1.2 智能變配電系統(tǒng)

　　  80%以上的電能是通過用戶端配電網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)接脩舨⒃诮K端用電設(shè)備上消耗的，變配電網(wǎng)絡(luò)是構(gòu)建堅(jiān)強(qiáng)智能電網(wǎng)的重要組成部分，這就對(duì)配電系統(tǒng)運(yùn)行的可靠性及其智能化管理提出了更高的要求。利用現(xiàn)代電子技術(shù)、傳感器技術(shù)、通信技術(shù)、計(jì)算機(jī)及網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，將電力設(shè)備正常及事故情況下監(jiān)測(cè)、保護(hù)、控制、電力計(jì)量同工廠集散控制系統(tǒng)DCS、PLC、企業(yè)資源計(jì)劃管理融合一起，達(dá)到高層次、高透明度良好管理，已成為一種必然趨勢(shì)和發(fā)展方向。智能變配電系統(tǒng)的概念應(yīng)運(yùn)而生。

　　  智能變配電系統(tǒng)由具有通信功能的智能化元件經(jīng)數(shù)字通信與計(jì)算機(jī)系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)連接，實(shí)現(xiàn)變電站設(shè)備運(yùn)行管理的自動(dòng)化、智能化?？蓪?shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)采集、數(shù)字通信、遠(yuǎn)程操作與程序控制、保護(hù)定值管理、事件記錄與告警、故障分析、各類報(bào)表及設(shè)備維護(hù)信息管理等功能。其基本構(gòu)架如圖2所示。由于現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)的應(yīng)用，系統(tǒng)中智能化元件可不依賴計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)而獨(dú)立運(yùn)行，提高系統(tǒng)運(yùn)行的實(shí)時(shí)性和可靠性，滿足電氣設(shè)備運(yùn)行管理的需要及工廠生產(chǎn)過程控制的要求。

圖2 智能變配電網(wǎng)絡(luò)典型架構(gòu)

　　2 電動(dòng)機(jī)保護(hù)裝置概況及分析

　　  在現(xiàn)代工業(yè)中，電動(dòng)機(jī)作為一種拖動(dòng)機(jī)械，成為所有動(dòng)力機(jī)械的基礎(chǔ)。電機(jī)的廣泛應(yīng)用，使電機(jī)（包括各種發(fā)電機(jī)和各類電機(jī)）保護(hù)控制裝置已涉及所有發(fā)電、供電、用電系統(tǒng)等領(lǐng)域，是智能電網(wǎng)用戶端的重要組成部分。近年來，我國電力建設(shè)正以超常速度發(fā)展，有資料顯示，從2005年至今，我國每年新增發(fā)電機(jī)裝機(jī)容量保持在9 000萬kW以上，至2008年我國發(fā)電機(jī)容量已達(dá)到7.925億kW。預(yù)測(cè)2015年為12.80億kW。然而，惡劣的使用環(huán)境和復(fù)雜的工況條件以及多變的供電狀態(tài)，使電動(dòng)機(jī)容易發(fā)生故障。據(jù)不*統(tǒng)計(jì)每年僅因電動(dòng)機(jī)燒毀所消耗的電量就達(dá)數(shù)千萬kW·h，電動(dòng)機(jī)燒毀的數(shù)量達(dá)20萬臺(tái)次以上，容量約0.4億kW，因維修損耗的電磁線約5 000萬kg，修理費(fèi)達(dá)20億元，而因停工停產(chǎn)所造成的損失更是一個(gè)無法估量的巨大數(shù)目。因此，超前、準(zhǔn)確、及時(shí)地判斷電動(dòng)機(jī)的故障，并對(duì)電動(dòng)機(jī)進(jìn)行相應(yīng)的保護(hù)，具有節(jié)能顯著、提高生產(chǎn)效率和經(jīng)濟(jì)效益及保證安全生產(chǎn)的重要意義。電動(dòng)機(jī)保護(hù)裝置成為節(jié)能降耗和自動(dòng)化保護(hù)控制系統(tǒng)*的重要裝置，在國民經(jīng)濟(jì)和節(jié)約能源事業(yè)中有著不可替代的重要地位和作用。

　　2.1 電動(dòng)機(jī)保護(hù)現(xiàn)狀

　　  目前，我國電機(jī)保護(hù)控制技術(shù)水平與其他國家相比還有一定差距，主要體現(xiàn)在技術(shù)含量低、品種和功能少、參數(shù)精度低、生產(chǎn)工藝落后、產(chǎn)品未形成系列化，普及應(yīng)用程度低等方面。因此，盡快提高我國電機(jī)保護(hù)控制科技水平已刻不容緩。隨著微電子技術(shù)與微處理器技術(shù)的發(fā)展以及現(xiàn)代控制理論的應(yīng)用，電動(dòng)機(jī)保護(hù)器正朝著智能化、綜合化、高精度、高可靠性方向發(fā)展。

　　  我國的電動(dòng)機(jī)保護(hù)裝置經(jīng)歷了仿蘇、自行設(shè)計(jì)、更新?lián)Q代、引進(jìn)技術(shù)、智能化發(fā)展等幾個(gè)階段。從機(jī)械式的雙金屬熱繼電器發(fā)展到雙金屬溫度開關(guān)和電子式保護(hù)控制等。值得一提的是近年來微處理器技術(shù)的發(fā)展，給電動(dòng)機(jī)保護(hù)器向智能化、多功能化方向發(fā)展提供了硬件平臺(tái)，使得電機(jī)保護(hù)進(jìn)入了一個(gè)飛速發(fā)展的階段。

　　2.2 電動(dòng)機(jī)保護(hù)裝置的發(fā)展

　　  傳統(tǒng)電動(dòng)機(jī)保護(hù)裝置的檢測(cè)和保護(hù)功能多由熱繼電器和電磁元件完成，其保護(hù)靈敏度低、動(dòng)作時(shí)間誤差大、保護(hù)精度低、整定困難，已經(jīng)難以滿足人們對(duì)電動(dòng)機(jī)保護(hù)可靠性越來越高的要求。隨著科學(xué)技術(shù)的不斷進(jìn)步和工藝控制的不斷完善，尤其是自動(dòng)化生產(chǎn)的要求，迫切需要開發(fā)和完善電動(dòng)機(jī)的調(diào)速、控制和保護(hù)設(shè)備，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)生產(chǎn)過程和大型機(jī)械的遙控、遙測(cè)、遙調(diào)、故障診斷以及集中控制等功能。近年來，電動(dòng)機(jī)保護(hù)控制理論研究和新技術(shù)應(yīng)用等方面都取得了突破。

　　  新理論的研究：通過故障建模和仿真計(jì)算，并引入序分量、諧波分量、阻抗量、相位量、突破量等多種對(duì)電機(jī)故障檢測(cè)量作判據(jù)和小波分析、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等技術(shù)進(jìn)入電機(jī)保護(hù)控制領(lǐng)域，不但大大提高了保護(hù)控制裝置的靈感度和精度，而且對(duì)輕微故障的監(jiān)測(cè)和保護(hù)方面的理論研究都取得了突破性進(jìn)展。新技術(shù)的應(yīng)用：利用新的理論和各種傳感器（包括紅外線、高頻電磁波、振動(dòng)、位移、電、熱、機(jī)械、光聲等）對(duì)電動(dòng)機(jī)運(yùn)行進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，通過計(jì)算機(jī)進(jìn)行判斷、分類、確定故障類型和嚴(yán)重程度，實(shí)現(xiàn)各種電動(dòng)機(jī)的保護(hù)控制功能。

　　3 電動(dòng)機(jī)保護(hù)原理

　　  電動(dòng)機(jī)保護(hù)器是為了防止非正常情況損壞電動(dòng)機(jī)而設(shè)計(jì)的電動(dòng)機(jī)保護(hù)裝置。主要用于操作電動(dòng)機(jī)控制回路中的接觸器，通過輸出繼電器控制交流接觸器以起動(dòng)電動(dòng)機(jī)和將電動(dòng)機(jī)加速到額定轉(zhuǎn)速，保證電動(dòng)機(jī)連續(xù)運(yùn)行，對(duì)電動(dòng)機(jī)及其有關(guān)電路的過載等多種非正常運(yùn)行情況引起的危害予以保護(hù)，以及切斷電動(dòng)機(jī)的電源。

　　3.1 電動(dòng)機(jī)故障分析

　　  電動(dòng)機(jī)的故障種類可分為外部故障和內(nèi)部故障，其故障形式主要為繞組損壞和軸承損壞兩方面。常規(guī)的外部故障保護(hù)無論從理論上還是從診斷與保護(hù)的實(shí)現(xiàn)方法上都相對(duì)完善。對(duì)稱故障主要包括過載、堵轉(zhuǎn)等，這類故障對(duì)電動(dòng)機(jī)的影響主要是電流變大而引起的熱效應(yīng)的積聚。電動(dòng)機(jī)發(fā)生不對(duì)稱故障時(shí)，通常不會(huì)發(fā)生顯著的過流現(xiàn)象，過負(fù)荷保護(hù)不能及時(shí)動(dòng)作。這類故障包括斷相、不平衡運(yùn)行、接地故障等。會(huì)導(dǎo)致電動(dòng)機(jī)端部發(fā)熱、轉(zhuǎn)子振動(dòng)、減小起動(dòng)力矩等一系列問題。

　　3.2 電動(dòng)機(jī)常規(guī)保護(hù)

　　  國內(nèi)關(guān)于電動(dòng)機(jī)保護(hù)一般采用熱繼電器或電磁式的過電流保護(hù)，大型電動(dòng)機(jī)會(huì)配置零序電流保護(hù)，個(gè)別的還會(huì)采用差動(dòng)保護(hù)。過電流保護(hù)的原理主要是以定子電流幅值的增加作為故障判據(jù)，根據(jù)對(duì)稱分量原理，這種方式只能反應(yīng)對(duì)稱故障，而對(duì)斷相、接地、不平衡運(yùn)行等不對(duì)稱故障不能及時(shí)保護(hù)。常規(guī)過電流保護(hù)不能保護(hù)不對(duì)稱故障的原因主要有兩個(gè)方面：一是各種不對(duì)稱故障發(fā)生時(shí)不一定出現(xiàn)明顯的過電流；二是不對(duì)稱故障對(duì)電動(dòng)機(jī)的危害不僅僅表現(xiàn)在過流引起的過熱效應(yīng)，更主要的是負(fù)序電流效應(yīng)。雖然電動(dòng)機(jī)常規(guī)保護(hù)方式存在許多嚴(yán)重缺陷，但目前仍是電動(dòng)機(jī)保護(hù)的主體。

　　3.3 基于對(duì)稱向量法的電動(dòng)機(jī)保護(hù)

　　  根據(jù)對(duì)稱分量原理，電動(dòng)機(jī)在發(fā)生不對(duì)稱故障時(shí)，其定子電流可以分為正序、負(fù)序和零序分量，其中正序分量可以反映電動(dòng)機(jī)過流程度，負(fù)序分量和零序分量在電動(dòng)機(jī)正常運(yùn)行時(shí)沒有或很小。因此利用電流中的負(fù)序和零序分量的檢測(cè)來鑒別各類不對(duì)稱故障具有很高的靈敏度和可靠性。電動(dòng)機(jī)常見故障信息分析結(jié)果見表1。

?表1 電動(dòng)機(jī)常見故障特征分布

　　  根據(jù)以上分析可知，若以過流信息發(fā)映對(duì)稱故障，以負(fù)序和零序電流反映各類不對(duì)稱故障，可構(gòu)成對(duì)電動(dòng)機(jī)的保護(hù)。

　　3.4 過負(fù)荷保護(hù)

　　  電動(dòng)機(jī)長(zhǎng)時(shí)間過負(fù)荷或短時(shí)間連續(xù)續(xù)起動(dòng)而造成電動(dòng)機(jī)過熱，絕緣老化，是損壞電動(dòng)機(jī)的常見原因。電動(dòng)機(jī)的過負(fù)荷會(huì)導(dǎo)致過熱，但在低倍過負(fù)荷情況下又允許運(yùn)行一定時(shí)間，所以電動(dòng)機(jī)的過負(fù)荷保護(hù)特性是反時(shí)限特性。電動(dòng)機(jī)過負(fù)荷的過程就是電動(dòng)機(jī)的熱累積過程，其根本的判斷依據(jù)是電機(jī)繞組溫度是否超過其絕緣等級(jí)溫度。

　　  電動(dòng)機(jī)發(fā)熱和散熱過程比較復(fù)雜，它與固定損耗及可變損耗等多種因素有關(guān)。根據(jù)對(duì)電動(dòng)機(jī)發(fā)熱過程的分析，其熱態(tài)平衡微分方程為：

　　  由上式解得，在初始條件下，

電動(dòng)機(jī)在某一時(shí)刻的溫升由下式?jīng)Q定：

　　  式2表明，熱過渡過程包括兩個(gè)分量，一個(gè)是強(qiáng)制分量 ，它是過渡過程結(jié)束時(shí)的溫態(tài)值，另一個(gè)是自由分量 ，它按指數(shù)規(guī)律衰減至零。電動(dòng)機(jī)過負(fù)荷情況下的熱累積過程，應(yīng)采用模擬電動(dòng)機(jī)發(fā)熱曲線的方法，并針對(duì)不同的脫扣級(jí)別采用不同的發(fā)熱曲線。以RMD2電動(dòng)機(jī)保護(hù)器為例，針對(duì)過負(fù)荷保護(hù)，RMD2共提供16條過負(fù)荷曲線，與不同啟動(dòng)時(shí)間的負(fù)載類型相對(duì)應(yīng)。

　　3.5 其他保護(hù)

　　  由于供電狀態(tài)的多變性，系統(tǒng)電源電壓很難保證恒定，容易出現(xiàn)電壓瞬間跌落等非正常情況。如果電動(dòng)機(jī)在系統(tǒng)電壓低于額定電壓一定程度時(shí)啟動(dòng)，則難以提升到額定轉(zhuǎn)速。當(dāng)電源電壓降低或短時(shí)中斷時(shí)，一些不允許或不需要自起動(dòng)的電動(dòng)機(jī)，須從電力網(wǎng)中斷開。另一方面，如果電動(dòng)機(jī)帶負(fù)載運(yùn)行時(shí)，電源電壓升高，則電動(dòng)機(jī)電流降低，但鐵損和銅損變大，會(huì)引起電動(dòng)機(jī)溫度上升。因此，針對(duì)電源電壓的變化，可以配置電壓保護(hù)。

　　  另外，當(dāng)電動(dòng)機(jī)發(fā)生短路故障時(shí)，會(huì)引起母線電壓瞬間大幅度下降，此時(shí)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速一時(shí)無法降低，電動(dòng)機(jī)將轉(zhuǎn)為發(fā)電制動(dòng)狀態(tài)，向短路點(diǎn)送出逆功率，從而對(duì)系統(tǒng)造成危害。針對(duì)這種情況，可采用逆功率保護(hù)，當(dāng)檢測(cè)到送往電動(dòng)機(jī)的功率方向與正常情況相反時(shí)，逆功率保護(hù)起動(dòng)。其他諸如溫度保護(hù)等，和電流保護(hù)、電壓保護(hù)以及逆功率保護(hù)一起構(gòu)成了智能型微機(jī)綜合保護(hù)方案。