機(jī)電故障處理與保護(hù)
電動(dòng)機(jī)是各行各業(yè)應(yīng)用zui廣泛的動(dòng)力設(shè)備，供電系統(tǒng)90%的電能是通過(guò)電動(dòng)機(jī)消耗的。大型電動(dòng)機(jī)的單臺(tái)價(jià)值可高達(dá)百萬(wàn)元，由于保護(hù)技
電動(dòng)機(jī)是各行各業(yè)應(yīng)用zui廣泛的動(dòng)力設(shè)備，供電系統(tǒng)90%的電能是通過(guò)電動(dòng)機(jī)消耗的。大型電動(dòng)機(jī)的單臺(tái)價(jià)值可高達(dá)百萬(wàn)元，由于保護(hù)技術(shù)落后，其燒損情況嚴(yán)重［1～4］。這種情況在國(guó)內(nèi)外各行各業(yè)中普遍存在，直接經(jīng)濟(jì)損失巨大。而大型電動(dòng)機(jī)往往又是重要生產(chǎn)過(guò)程的動(dòng)力和重要輔機(jī)設(shè)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(jī)的故障診斷與保護(hù)，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(hù)理論上的突破，逐步由定性到定量、由外部故障到內(nèi)部故障等；另一方面是在實(shí)現(xiàn)手段上發(fā)展，逐步由電磁型、電子型到微機(jī)型，由單一功能到智能化的綜合保護(hù)等。本文對(duì)近十幾年來(lái)電動(dòng)機(jī)故障診斷與保護(hù)理論的發(fā)展和主要成果進(jìn)行了較全面的綜述，并對(duì)這一領(lǐng)域的發(fā)展趨勢(shì)作了展望。本文認(rèn)為，大型電動(dòng)機(jī)內(nèi)部故障的定量分析方法的理論突破是實(shí)現(xiàn)其有效保護(hù)的關(guān)鍵。
1電動(dòng)機(jī)常規(guī)保護(hù)理論 我國(guó)電動(dòng)機(jī)的常規(guī)保護(hù)方式一般采用熱繼電器型或電磁型的過(guò)電流保護(hù)，大型電動(dòng)機(jī)有配置零序電流保護(hù)，個(gè)別的還有差動(dòng)保護(hù)。過(guò)流保護(hù)的基本原理是以電流幅值增加作為故障判據(jù)，從原理上只能反應(yīng)對(duì)稱(chēng)故障，對(duì)斷相、接地、不平衡運(yùn)行等不對(duì)稱(chēng)故障不能及時(shí)有效地保護(hù)。
常規(guī)過(guò)流保護(hù)不能有效保護(hù)不對(duì)稱(chēng)故障的原因主要有兩方面：一是各類(lèi)不對(duì)稱(chēng)故障不一定出現(xiàn)明顯的過(guò)電流，根據(jù)文獻(xiàn)［5］的分析，當(dāng)斷相故障時(shí)，只有電動(dòng)機(jī)負(fù)荷率大于0．7時(shí)，健全相才會(huì)出現(xiàn)過(guò)流，而由于負(fù)荷特性及電動(dòng)機(jī)選型等因素，電動(dòng)機(jī)經(jīng)常運(yùn)行于輕載的情況是很普遍的；另一原因是不對(duì)稱(chēng)故障對(duì)電動(dòng)機(jī)的危害不只表現(xiàn)在過(guò)流引起的過(guò)熱效應(yīng)，更主要的是負(fù)序電流效應(yīng)。負(fù)序效應(yīng)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(wèn)題，這時(shí)僅以過(guò)流來(lái)反映故障嚴(yán)重程度顯然是不夠的。
在保護(hù)特性方面，大型電動(dòng)機(jī)要求速斷切除故障，還應(yīng)能夠區(qū)分電動(dòng)機(jī)冷、熱態(tài)過(guò)載，而同時(shí)大型電動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)電流大，啟動(dòng)時(shí)間長(zhǎng)。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(hù)在整定時(shí)，速斷保護(hù)定值必須躲開(kāi)電動(dòng)機(jī)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(jī)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(zhǎng)，往往保護(hù)動(dòng)作時(shí)電動(dòng)機(jī)已嚴(yán)重?zé)龘p。
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。這一方面是由于電動(dòng)機(jī)量大面廣，管理欠規(guī)范，不如發(fā)電機(jī)等電氣主設(shè)備受到重視。另一方面也由于目前許多新型綜合保護(hù)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(yàn)。
2基于對(duì)稱(chēng)分量法的電動(dòng)機(jī)保護(hù)理論 根據(jù)對(duì)稱(chēng)分量法理論，當(dāng)發(fā)生不對(duì)稱(chēng)故障時(shí)，電動(dòng)機(jī)電流可分解為正序、負(fù)序和零序電流分量，其中正序分量可以反映電動(dòng)機(jī)過(guò)流程度，負(fù)序分量和零序分量在正常運(yùn)行時(shí)沒(méi)有或很小，因此若通過(guò)檢測(cè)負(fù)序和零序電流分量來(lái)判別各類(lèi)不對(duì)稱(chēng)故障應(yīng)具有很高的靈敏度及可靠性。
大型電動(dòng)機(jī)常見(jiàn)故障的分析結(jié)果。 根據(jù)以上分析，電動(dòng)機(jī)發(fā)生對(duì)稱(chēng)故障時(shí)的主要特征是出現(xiàn)電流幅值增大，而發(fā)生不對(duì)稱(chēng)故障時(shí)的主要特征是出現(xiàn)負(fù)序和（或）零序電流?；诖嗽砜蓸?gòu)成大型電動(dòng)機(jī)的綜合保護(hù)。包括：過(guò)電流保護(hù)、負(fù)序電流保護(hù)、零序電流保護(hù)、差動(dòng)保護(hù)（針對(duì)各類(lèi)匝間短路）。
由表1，還可進(jìn)一步發(fā)現(xiàn)，電動(dòng)機(jī)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(jī)的故障類(lèi)型之間具有較好的對(duì)應(yīng)關(guān)系。根據(jù)這一關(guān)系，可以鑒別電動(dòng)機(jī)的故障類(lèi)型，判別故障原因，從而實(shí)現(xiàn)電動(dòng)機(jī)保護(hù)的智能化。
20世紀(jì)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(hù)為代表的一代集成電路電動(dòng)機(jī)保護(hù)研制成功［7］，其采用正、負(fù)、零序反時(shí)限電流保護(hù)實(shí)現(xiàn)短路、不平衡和接地保護(hù)，從原理和電路上則考慮了電動(dòng)機(jī)過(guò)熱保護(hù)和起動(dòng)時(shí)間過(guò)長(zhǎng)及堵轉(zhuǎn)保護(hù)。這類(lèi)保護(hù)在保護(hù)原理上有了很大進(jìn)步，但保護(hù)特性由于由硬件電路實(shí)現(xiàn)，整定不靈活、不連續(xù)，動(dòng)作時(shí)間精度也不理想。另外，這類(lèi)保護(hù)也未考慮過(guò)壓、欠壓及差動(dòng)保護(hù)，在要求高的場(chǎng)合不能滿足要求。
隨著微機(jī)保護(hù)技術(shù)的成熟以及在電力系統(tǒng)應(yīng)用的日益普及，近年來(lái)國(guó)內(nèi)外研制了一系列微機(jī)型電動(dòng)機(jī)保護(hù)裝置［5，8～9］。基本原理都是基于以上對(duì)稱(chēng)分量法原理，以過(guò)流、負(fù)序、零序?yàn)橹黧w的綜合保護(hù)。由于微機(jī)保護(hù)軟件實(shí)現(xiàn)的靈活性，新一代電動(dòng)機(jī)微機(jī)保護(hù)的保護(hù)特性大大改善，能夠較好地處理躲過(guò)電動(dòng)機(jī)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(xù)調(diào)節(jié)等問(wèn)題。筆者利用表1的故障分析信息，借助于微機(jī)智能化的優(yōu)勢(shì)，實(shí)現(xiàn)了具有故障診斷功能的電動(dòng)機(jī)智能化微機(jī)保護(hù)，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(shì)是將電動(dòng)機(jī)運(yùn)行狀態(tài)的測(cè)量、保護(hù)、控制、通信集成于一體的微機(jī)型電動(dòng)機(jī)終端單元。
目前，對(duì)稱(chēng)分量法理論在處理電動(dòng)機(jī)外部嚴(yán)重故障的診斷與保護(hù)方面已研究得較為成熟。然而，由于對(duì)稱(chēng)分量法是基于理想電機(jī)假設(shè)，忽略了多種電磁諧波及繞組的不對(duì)稱(chēng)，而這些電磁信號(hào)的變化往往是電動(dòng)機(jī)早期故障診斷zui為關(guān)心的征兆。同時(shí)，對(duì)稱(chēng)分量法以每相繞組為基本分析單元，當(dāng)處理電動(dòng)機(jī)內(nèi)部故障時(shí)，出現(xiàn)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(duì)稱(chēng)分量法的電動(dòng)機(jī)內(nèi)部故障機(jī)理的研究也只能停留在定性分析的層面。
3基于信號(hào)處理方法的電動(dòng)機(jī)保護(hù)理論
由于對(duì)稱(chēng)分量法原理上的局限性，目前電動(dòng)機(jī)保護(hù)判據(jù)對(duì)于定子內(nèi)部繞組故障和轉(zhuǎn)子鼠籠斷條等故障難以定量反映，對(duì)于故障的早期診斷更是無(wú)能為力。實(shí)際運(yùn)行中電動(dòng)機(jī)保護(hù)動(dòng)作時(shí)，電動(dòng)機(jī)已嚴(yán)重?zé)龘p的情況是很普遍的。因此以來(lái)，大型電動(dòng)機(jī)的在線監(jiān)測(cè)和故障診斷成為繼電保護(hù)研究人員和運(yùn)行人員追求的目標(biāo)。
大型電動(dòng)機(jī)故障機(jī)理分析、故障特征量的確定及提取方法是實(shí)現(xiàn)電動(dòng)機(jī)早期故障診斷的基礎(chǔ)。故障機(jī)理的定量分析需借助于大型電動(dòng)機(jī)內(nèi)部故障分析模型和方法的突破，本文將在下節(jié)討論。故障特征量的確定及提取，近十幾年來(lái)隨著檢測(cè)手段和分析方法的不斷發(fā)展而層出不窮。大型電動(dòng)機(jī)內(nèi)部繞組發(fā)生故障時(shí)，必定伴隨著電動(dòng)機(jī)的電氣量、電磁量和機(jī)械振動(dòng)信號(hào)變化。基于這一事實(shí)，電動(dòng)機(jī)在線監(jiān)測(cè)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(cè)，電機(jī)端部磁通檢測(cè),機(jī)械振動(dòng)信號(hào)檢測(cè)等。由于這些特征量在電動(dòng)機(jī)故障早期都很微弱，甚至有時(shí)難以和電動(dòng)機(jī)正常運(yùn)行時(shí)的不平衡信號(hào)區(qū)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(hào)處理分析方法的應(yīng)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(jī)故障診斷中是研究較早的信號(hào)處理方法。文獻(xiàn)［10～11］通過(guò)定子電流頻譜分析研究鼠籠電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子斷條的故障診斷，可以實(shí)現(xiàn)到轉(zhuǎn)子1根導(dǎo)條斷裂的在線監(jiān)測(cè)。文獻(xiàn)［12］應(yīng)用定子電流的高解析（high－resolution）頻譜分析技術(shù)確定電動(dòng)機(jī)的不對(duì)稱(chēng)運(yùn)行，如：三相電壓不平衡、單相運(yùn)行等。為了能突出局部信號(hào)，一些研究還對(duì)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(jì)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(hào)處理技術(shù)，給信號(hào)加上一個(gè)時(shí)－頻窗口，根據(jù)頻率自動(dòng)調(diào)節(jié)窗口的大小，以確保捕捉到信號(hào)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(hào)。小波變換能對(duì)不同的頻率成分采用逐漸精細(xì)的采樣步長(zhǎng)，從而可以聚焦到信號(hào)的任意細(xì)節(jié)，尤其是對(duì)奇異信號(hào)很敏感，能很好地處理微弱或突變信號(hào)，因此適合于處理電動(dòng)機(jī)故障特征信號(hào)，便于迅速捕獲異常狀態(tài)以采取預(yù)防控制或保護(hù)措施。
文獻(xiàn)首先提出了小波理論應(yīng)用于電力設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測(cè)中的思想，提出了基于B小波和Hardy小波的電動(dòng)機(jī)故障檢測(cè)技術(shù)［14］，為小波理論在大型電動(dòng)機(jī)狀態(tài)監(jiān)測(cè)和故障診斷中的應(yīng)用進(jìn)行了開(kāi)創(chuàng)性的基礎(chǔ)研究工作。目前，這一方向的研究還處在理論和實(shí)驗(yàn)研究階段，進(jìn)一步的深入研究包括：適合于電動(dòng)機(jī)狀態(tài)監(jiān)測(cè)和故障診斷的小波母函數(shù)選取、小波包算法研究以及故障信號(hào)分解與重構(gòu)、特征量提取、信噪分離等工程應(yīng)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(shù)學(xué)［16］、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)［17］等信號(hào)處理方法在電動(dòng)機(jī)故障診斷中的應(yīng)用研究。由于微機(jī)技術(shù)非常擅長(zhǎng)于實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的算法，因此以上理論研究成果與微機(jī)保護(hù)的結(jié)合可以預(yù)期將使大型電動(dòng)機(jī)在線狀態(tài)檢測(cè)和故障診斷出現(xiàn)新的突破。
4基于多回路理論的電動(dòng)機(jī)保護(hù)理論 大型電動(dòng)機(jī)內(nèi)部故障定量分析方法的理論突破是實(shí)現(xiàn)內(nèi)部故障早期診斷亟需解決的另一個(gè)難題。首先，電動(dòng)機(jī)內(nèi)部故障機(jī)理的研究必須要將電動(dòng)機(jī)故障分析深入到電機(jī)繞組內(nèi)部，由目前的定性分析發(fā)展為定量分析，這樣才能正確認(rèn)識(shí)電動(dòng)機(jī)故障機(jī)理，建立有效的故障判據(jù)。另一方面，上節(jié)討論的各種信號(hào)處理方法的應(yīng)用也需要電動(dòng)機(jī)內(nèi)部故障的定量分析結(jié)論作為指導(dǎo)和驗(yàn)證，否則難免限于盲目，難以建立起統(tǒng)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(jī)多回路理論［18～20］為電機(jī)內(nèi)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(jī)假設(shè)，突破了相繞組為基本分析單元的模型，將電機(jī)看作由多個(gè)相對(duì)運(yùn)動(dòng)回路組成的電路。多回路理論以每個(gè)電機(jī)繞組為研究對(duì)象，能夠考慮多種諧波及繞組不對(duì)稱(chēng)等特殊情況，特別適合于研究電機(jī)內(nèi)部故障的機(jī)理和定量分析，可望為大型電動(dòng)機(jī)故障的早期診斷與保護(hù)提供有效的故障判據(jù)。文獻(xiàn)［21］應(yīng)用多回路理論對(duì)水輪發(fā)電機(jī)空載和負(fù)載時(shí)定子繞組內(nèi)部故障規(guī)律進(jìn)行了深入研究，文獻(xiàn)［22～23］將該方法應(yīng)用于汽輪發(fā)電機(jī)定子繞組內(nèi)部故障規(guī)律和保護(hù)方案的研究，取得良好效果，顯示出良好的發(fā)展?jié)摿?。在?yīng)用多回路理論分析電動(dòng)機(jī)內(nèi)部故障的研究方面，文獻(xiàn)［10～11］首先應(yīng)用多回路方法理論上對(duì)鼠籠電動(dòng)機(jī)導(dǎo)條及端環(huán)故障時(shí)的定轉(zhuǎn)子電流及運(yùn)行特性進(jìn)行了分析計(jì)算，進(jìn)而結(jié)合頻譜分析方法在線確定鼠籠轉(zhuǎn)子斷條故障。文獻(xiàn)［24］在分析電動(dòng)機(jī)定子繞組內(nèi)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(jī)多回路理論和前述各種信號(hào)處理方法實(shí)際是取得大型電動(dòng)機(jī)內(nèi)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(jié)合目前業(yè)已成熟的微機(jī)保護(hù)技術(shù)，可以將大型電動(dòng)機(jī)的在線監(jiān)測(cè)、預(yù)防控制、缺陷報(bào)警、故障診斷、故障保護(hù)及事故后故障分析、故障定位等功能綜合于一體，實(shí)現(xiàn)電動(dòng)機(jī)運(yùn)行全過(guò)程的在線監(jiān)測(cè)、故障診斷與綜合保護(hù)。這也是這一領(lǐng)域研究所追求的目標(biāo)。
5結(jié)論 常規(guī)的電動(dòng)機(jī)過(guò)流保護(hù)只能反映較嚴(yán)重的對(duì)稱(chēng)性外部故障，是被動(dòng)的供電系統(tǒng)保護(hù)，就保護(hù)電動(dòng)機(jī)而言，這類(lèi)保護(hù)的作用很有限。對(duì)稱(chēng)分量法理論在處理電動(dòng)機(jī)外部故障的診斷與保護(hù)方面已發(fā)展得較為成熟，借助于計(jì)算機(jī)在數(shù)據(jù)處理和智能化上的優(yōu)勢(shì)，利用微機(jī)實(shí)現(xiàn)了智能化的綜合保護(hù)。信號(hào)處理方法和交流電機(jī)多回路理論為處理大型電動(dòng)機(jī)內(nèi)部故障的早期診斷提供了新的途徑，與業(yè)已成熟的微機(jī)保護(hù)技術(shù)結(jié)合可望產(chǎn)生新的突破。
