摘 要：簡要分析了電動(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，并將人類社會帶進(jìn)信息社會。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、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、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，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)對生產(chǎn)過程和大型機(jī)械的遙控、遙測、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、突破量等多種對電機(jī)故障檢測量作判據(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，而且對輕微故障的監(jiān)測和保護(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）對電動(dòng)機(jī)運(yùn)行進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測，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)方法上都相對完善。對稱故障主要包括過載、堵轉(zhuǎn)等，這類故障對電動(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)生不對稱故障時(shí)，通常不會發(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)會配置零序電流保護(hù)，個(gè)別的還會采用差動(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)對稱分量原理，這種方式只能反應(yīng)對稱故障，而對斷相、接地、不平衡運(yùn)行等不對稱故障不能及時(shí)保護(hù)。常規(guī)過電流保護(hù)不能保護(hù)不對稱故障的原因主要有兩個(gè)方面：一是各種不對稱故障發(fā)生時(shí)不一定出現(xiàn)明顯的過電流；二是不對稱故障對電動(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 基于對稱向量法的電動(dòng)機(jī)保護(hù)

　　  根據(jù)對稱分量原理，電動(dòng)機(jī)在發(fā)生不對稱故障時(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來鑒別各類不對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)映對稱故障，以負(fù)序和零序電流反映各類不對稱故障，可構(gòu)成對電動(dòng)機(jī)的保護(hù)。

　　3.4 過負(fù)荷保護(hù)

　　  電動(dòng)機(jī)長時(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，并針對不同的脫扣級別采用不同的發(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，會引起電動(dòng)機(jī)溫度上升。因此，針對電源電壓的變化，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，從而對系統(tǒng)造成危害。針對這種情況，可采用逆功率保護(hù)，當(dāng)檢測到送往電動(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。