機電故障處理與保護

　　機電故障處理與保護
　　
　　電動(dòng)機是各行各業(yè)應用zui廣泛的動(dòng)力設備，供電系統90%的電能是通過(guò)電動(dòng)機消耗的。大型電動(dòng)機的單臺價(jià)值可高達百萬(wàn)元，由于保護技
　　
　　電動(dòng)機是各行各業(yè)應用zui廣泛的動(dòng)力設備，供電系統90%的電能是通過(guò)電動(dòng)機消耗的。大型電動(dòng)機的單臺價(jià)值可高達百萬(wàn)元，由于保護技術(shù)落后，其燒損情況嚴重［1～4］。這種情況在國內外各行各業(yè)中普遍存在，直接經(jīng)濟損失巨大。而大型電動(dòng)機往往又是重要生產(chǎn)過(guò)程的動(dòng)力和重要輔機設備，若其損壞還將中斷重要的生產(chǎn)過(guò)程，影響安全生產(chǎn)和產(chǎn)品質(zhì)量，其間接損失是難以估價(jià)的。
　　
　　大型電動(dòng)機的故障診斷與保護，以來(lái)一直是學(xué)術(shù)界和工程界的研究熱點(diǎn)和難題。近十幾年來(lái)，這一領(lǐng)域的研究主要在兩個(gè)方面：一方面是尋求在保護理論上的突破，逐步由定性到定量、由外部故障到內部故障等；另一方面是在實(shí)現手段上發(fā)展，逐步由電磁型、電子型到微機型，由單一功能到智能化的綜合保護等。本文對近十幾年來(lái)電動(dòng)機故障診斷與保護理論的發(fā)展和主要成果進(jìn)行了較全面的綜述，并對這一領(lǐng)域的發(fā)展趨勢作了展望。本文認為，大型電動(dòng)機內部故障的定量分析方法的理論突破是實(shí)現其有效保護的關(guān)鍵。
　　
　　1電動(dòng)機常規保護理論
　　
　　我國電動(dòng)機的常規保護方式一般采用熱繼電器型或電磁型的過(guò)電流保護，大型電動(dòng)機有配置零序電流保護，個(gè)別的還有差動(dòng)保護。過(guò)流保護的基本原理是以電流幅值增加作為故障判據，從原理上只能反應對稱(chēng)故障，對斷相、接地、不平衡運行等不對稱(chēng)故障不能及時(shí)有效地保護。
　　
　　常規過(guò)流保護不能有效保護不對稱(chēng)故障的原因主要有兩方面：一是各類(lèi)不對稱(chēng)故障不一定出現明顯的過(guò)電流，根據文獻［5］的分析，當斷相故障時(shí)，只有電動(dòng)機負荷率大于0．7時(shí)，健全相才會(huì )出現過(guò)流，而由于負荷特性及電動(dòng)機選型等因素，電動(dòng)機經(jīng)常運行于輕載的情況是很普遍的；另一原因是不對稱(chēng)故障對電動(dòng)機的危害不只表現在過(guò)流引起的過(guò)熱效應，更主要的是負序電流效應。負序效應會(huì )導致電動(dòng)機端部發(fā)熱、轉子振動(dòng)、減小起動(dòng)力矩等一系列問(wèn)題，這時(shí)僅以過(guò)流來(lái)反映故障嚴重程度顯然是不夠的。
　　
　　在保護特性方面，大型電動(dòng)機要求速斷切除故障，還應能夠區分電動(dòng)機冷、熱態(tài)過(guò)載，而同時(shí)大型電動(dòng)機的啟動(dòng)電流大，啟動(dòng)時(shí)間長(cháng)。以GL系列為代表的電磁型反時(shí)限過(guò)流或兩段式電流保護在整定時(shí)，速斷保護定值必須躲開(kāi)電動(dòng)機自啟動(dòng)電流，而反時(shí)限和定時(shí)限的整定又必須大于電動(dòng)機的自啟動(dòng)時(shí)間，因此反映故障的靈敏度低，切除故障的時(shí)間長(cháng)，往往保護動(dòng)作時(shí)電動(dòng)機已嚴重燒損。
　　
　　雖然電動(dòng)機常規保護方式存在許多嚴重缺陷，但目前仍是電動(dòng)機保護的主體。這一方面是由于電動(dòng)機量大面廣，管理欠規范，不如發(fā)電機等電氣主設備受到重視。另一方面也由于目前許多新型綜合保護魚(yú)龍混雜、市場(chǎng)混亂，其性能和可靠性有待進(jìn)一步檢驗。
　　
　　2基于對稱(chēng)分量法的電動(dòng)機保護理論
　　
　　根據對稱(chēng)分量法理論，當發(fā)生不對稱(chēng)故障時(shí)，電動(dòng)機電流可分解為正序、負序和零序電流分量，其中正序分量可以反映電動(dòng)機過(guò)流程度，負序分量和零序分量在正常運行時(shí)沒(méi)有或很小，因此若通過(guò)檢測負序和零序電流分量來(lái)判別各類(lèi)不對稱(chēng)故障應具有很高的靈敏度及可靠性。
　　
　　大型電動(dòng)機常見(jiàn)故障的分析結果。
　　
　　根據以上分析，電動(dòng)機發(fā)生對稱(chēng)故障時(shí)的主要特征是出現電流幅值增大，而發(fā)生不對稱(chēng)故障時(shí)的主要特征是出現負序和（或）零序電流?；诖嗽砜蓸嫵纱笮碗妱?dòng)機的綜合保護。包括：過(guò)電流保護、負序電流保護、零序電流保護、差動(dòng)保護（針對各類(lèi)匝間短路）。
　　
　　由表1，還可進(jìn)一步發(fā)現，電動(dòng)機的各序電流分量及過(guò)流程度等故障信息的分布組合關(guān)系與電動(dòng)機的故障類(lèi)型之間具有較好的對應關(guān)系。根據這一關(guān)系，可以鑒別電動(dòng)機的故障類(lèi)型，判別故障原因，從而實(shí)現電動(dòng)機保護的智能化。
　　
　　20世紀80年代中后期，以原電力工業(yè)部電力自動(dòng)化研究院的MPR－1型綜合保護為代表的一代集成電路電動(dòng)機保護研制成功［7］，其采用正、負、零序反時(shí)限電流保護實(shí)現短路、不平衡和接地保護，從原理和電路上則考慮了電動(dòng)機過(guò)熱保護和起動(dòng)時(shí)間過(guò)長(cháng)及堵轉保護。這類(lèi)保護在保護原理上有了很大進(jìn)步，但保護特性由于由硬件電路實(shí)現，整定不靈活、不連續，動(dòng)作時(shí)間精度也不理想。另外，這類(lèi)保護也未考慮過(guò)壓、欠壓及差動(dòng)保護，在要求高的場(chǎng)合不能滿(mǎn)足要求。
　　
　　隨著(zhù)微機保護技術(shù)的成熟以及在電力系統應用的日益普及，近年來(lái)國內外研制了一系列微機型電動(dòng)機保護裝置［5，8～9］?；驹矶际腔谝陨蠈ΨQ(chēng)分量法原理，以過(guò)流、負序、零序為主體的綜合保護。由于微機保護軟件實(shí)現的靈活性，新一代電動(dòng)機微機保護的保護特性大大改善，能夠較好地處理躲過(guò)電動(dòng)機起動(dòng)過(guò)程、冷態(tài)和熱態(tài)時(shí)允許溫升的不同、定值連續調節等問(wèn)題。筆者利用表1的故障分析信息，借助于微機智能化的優(yōu)勢，實(shí)現了具有故障診斷功能的電動(dòng)機智能化微機保護，可以提供故障類(lèi)型等信息，為事故分析提供了有力的工具［5］。這一領(lǐng)域的發(fā)展趨勢是將電動(dòng)機運行狀態(tài)的測量、保護、控制、通信集成于一體的微機型電動(dòng)機終端單元。
　　
　　目前，對稱(chēng)分量法理論在處理電動(dòng)機外部嚴重故障的診斷與保護方面已研究得較為成熟。然而，由于對稱(chēng)分量法是基于理想電機假設，忽略了多種電磁諧波及繞組的不對稱(chēng)，而這些電磁信號的變化往往是電動(dòng)機早期故障診斷zui為關(guān)心的征兆。同時(shí)，對稱(chēng)分量法以每相繞組為基本分析單元，當處理電動(dòng)機內部故障時(shí)，出現了電抗修正和相序網(wǎng)絡(luò )間相互關(guān)聯(lián)等困難，從而難以有效地定量分析。因此基于對稱(chēng)分量法的電動(dòng)機內部故障機理的研究也只能停留在定性分析的層面。
　　
　　3基于信號處理方法的電動(dòng)機保護理論
　　
　　由于對稱(chēng)分量法原理上的局限性，目前電動(dòng)機保護判據對于定子內部繞組故障和轉子鼠籠斷條等故障難以定量反映，對于故障的早期診斷更是無(wú)能為力。實(shí)際運行中電動(dòng)機保護動(dòng)作時(shí)，電動(dòng)機已嚴重燒損的情況是很普遍的。因此以來(lái)，大型電動(dòng)機的在線(xiàn)監測和故障診斷成為繼電保護研究人員和運行人員追求的目標。
　　
　　大型電動(dòng)機故障機理分析、故障特征量的確定及提取方法是實(shí)現電動(dòng)機早期故障診斷的基礎。故障機理的定量分析需借助于大型電動(dòng)機內部故障分析模型和方法的突破，本文將在下節討論。故障特征量的確定及提取，近十幾年來(lái)隨著(zhù)檢測手段和分析方法的不斷發(fā)展而層出不窮。大型電動(dòng)機內部繞組發(fā)生故障時(shí)，必定伴隨著(zhù)電動(dòng)機的電氣量、電磁量和機械振動(dòng)信號變化?；谶@一事實(shí)，電動(dòng)機在線(xiàn)監測及故障診斷所提取的故障特征量有［4］：定子繞組的局部放電，定子電流的高次諧波和不平衡檢測，電機端部磁通檢測,機械振動(dòng)信號檢測等。由于這些特征量在電動(dòng)機故障早期都很微弱，甚至有時(shí)難以和電動(dòng)機正常運行時(shí)的不平衡信號區分開(kāi)來(lái)，因此研制高靈敏、高抗干擾性能的傳感器以及的信號處理分析方法的應用成為這一領(lǐng)域的重要研究課題，而這兩者實(shí)際上又是相互關(guān)聯(lián)、緊密的。
　　
　　基于Fourier變換的頻譜分析技術(shù)在電動(dòng)機故障診斷中是研究較早的信號處理方法。文獻［10～11］通過(guò)定子電流頻譜分析研究鼠籠電動(dòng)機轉子斷條的故障診斷，可以實(shí)現到轉子1根導條斷裂的在線(xiàn)監測。文獻［12］應用定子電流的高解析（high－resolution）頻譜分析技術(shù)確定電動(dòng)機的不對稱(chēng)運行，如：三相電壓不平衡、單相運行等。為了能突出局部信號，一些研究還對Fourier變換進(jìn)行了改進(jìn)，如加窗Fourier變換等。
　　
　　小波分析理論是在20世紀80年代中期提出來(lái)的一種新型的時(shí)－頻域分析工具，它作為一種的信號處理技術(shù)，給信號加上一個(gè)時(shí)－頻窗口，根據頻率自動(dòng)調節窗口的大小，以確保捕捉到信號中希望得到的有用成分。它在時(shí)域、頻域同時(shí)具有良好的局部化性質(zhì)，因此比Fourier變換及加窗Fourier變換更為有效，特別適合處理具有奇異性、瞬時(shí)性的故障信號。小波變換能對不同的頻率成分采用逐漸精細的采樣步長(cháng)，從而可以聚焦到信號的任意細節，尤其是對奇異信號很敏感，能很好地處理微弱或突變信號，因此適合于處理電動(dòng)機故障特征信號，便于迅速捕獲異常狀態(tài)以采取預防控制或保護措施。
　　
　　文獻首先提出了小波理論應用于電力設備狀態(tài)監測中的思想，提出了基于B小波和Hardy小波的電動(dòng)機故障檢測技術(shù)［14］，為小波理論在大型電動(dòng)機狀態(tài)監測和故障診斷中的應用進(jìn)行了開(kāi)創(chuàng )性的基礎研究工作。目前，這一方向的研究還處在理論和實(shí)驗研究階段，進(jìn)一步的深入研究包括：適合于電動(dòng)機狀態(tài)監測和故障診斷的小波母函數選取、小波包算法研究以及故障信號分解與重構、特征量提取、信噪分離等工程應用技術(shù)研究。
　　
　　近年來(lái)，這一領(lǐng)域的研究還包括人工智能技術(shù)［15］、模糊數學(xué)［16］、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò )［17］等信號處理方法在電動(dòng)機故障診斷中的應用研究。由于微機技術(shù)非常擅長(cháng)于實(shí)現復雜的算法，因此以上理論研究成果與微機保護的結合可以預期將使大型電動(dòng)機在線(xiàn)狀態(tài)檢測和故障診斷出現新的突破。
　　
　　4基于多回路理論的電動(dòng)機保護理論
　　
　　大型電動(dòng)機內部故障定量分析方法的理論突破是實(shí)現內部故障早期診斷亟需解決的另一個(gè)難題。首先，電動(dòng)機內部故障機理的研究必須要將電動(dòng)機故障分析深入到電機繞組內部，由目前的定性分析發(fā)展為定量分析，這樣才能正確認識電動(dòng)機故障機理，建立有效的故障判據。另一方面，上節討論的各種信號處理方法的應用也需要電動(dòng)機內部故障的定量分析結論作為指導和驗證，否則難免限于盲目，難以建立起統一有效的故障診斷理論和方法。
　　
　　1987年由清華大學(xué)高景德教授、王祥珩教授等建立并發(fā)展起來(lái)的交流電機多回路理論［18～20］為電機內部故障的定量分析提供了一套全新方法。它突破了理想電機假設，突破了相繞組為基本分析單元的模型，將電機看作由多個(gè)相對運動(dòng)回路組成的電路。多回路理論以每個(gè)電機繞組為研究對象，能夠考慮多種諧波及繞組不對稱(chēng)等特殊情況，特別適合于研究電機內部故障的機理和定量分析，可望為大型電動(dòng)機故障的早期診斷與保護提供有效的故障判據。文獻［21］應用多回路理論對水輪發(fā)電機空載和負載時(shí)定子繞組內部故障規律進(jìn)行了深入研究，文獻［22～23］將該方法應用于汽輪發(fā)電機定子繞組內部故障規律和保護方案的研究，取得良好效果，顯示出良好的發(fā)展潛力。在應用多回路理論分析電動(dòng)機內部故障的研究方面，文獻［10～11］首先應用多回路方法理論上對鼠籠電動(dòng)機導條及端環(huán)故障時(shí)的定轉子電流及運行特性進(jìn)行了分析計算，進(jìn)而結合頻譜分析方法在線(xiàn)確定鼠籠轉子斷條故障。文獻［24］在分析電動(dòng)機定子繞組內部短路時(shí)的故障電流變化，所采取的方法與多回路理論類(lèi)似。
　　
　　交流電機多回路理論和前述各種信號處理方法實(shí)際是取得大型電動(dòng)機內部故障早期診斷突破的同等重要的兩個(gè)方面。兩者理論研究的突破并結合目前業(yè)已成熟的微機保護技術(shù)，可以將大型電動(dòng)機的在線(xiàn)監測、預防控制、缺陷報警、故障診斷、故障保護及事故后故障分析、故障定位等功能綜合于一體，實(shí)現電動(dòng)機運行全過(guò)程的在線(xiàn)監測、故障診斷與綜合保護。這也是這一領(lǐng)域研究所追求的目標。
　　
　　5結論
　　
　　常規的電動(dòng)機過(guò)流保護只能反映較嚴重的對稱(chēng)性外部故障，是被動(dòng)的供電系統保護，就保護電動(dòng)機而言，這類(lèi)保護的作用很有限。對稱(chēng)分量法理論在處理電動(dòng)機外部故障的診斷與保護方面已發(fā)展得較為成熟，借助于計算機在數據處理和智能化上的優(yōu)勢，利用微機實(shí)現了智能化的綜合保護。信號處理方法和交流電機多回路理論為處理大型電動(dòng)機內部故障的早期診斷提供了新的途徑，與業(yè)已成熟的微機保護技術(shù)結合可望產(chǎn)生新的突破。