機電故障處理與保護
　　
　　電動機是各行各業(yè)應(yīng)用zui廣泛的動力設(shè)備，供電系統(tǒng)90%的電能是通過電動機消耗的。大型電動機的單臺價值可高達(dá)百萬元，由于保護技
　　
　　電動機是各行各業(yè)應(yīng)用zui廣泛的動力設(shè)備，供電系統(tǒng)90%的電能是通過電動機消耗的。大型電動機的單臺價值可高達(dá)百萬元，由于保護技術(shù)落后，其燒損情況嚴(yán)重［1～4］。這種情況在國內(nèi)外各行各業(yè)中普遍存在，直接經(jīng)濟損失巨大。而大型電動機往往又是重要生產(chǎn)過程的動力和重要輔機設(shè)備，若其損壞還將中斷重要的生產(chǎn)過程，影響安全生產(chǎn)和產(chǎn)品質(zhì)量，其間接損失是難以估價的。
　　
　　大型電動機的故障診斷與保護，以來一直是學(xué)術(shù)界和工程界的研究熱點和難題。近十幾年來，這一領(lǐng)域的研究主要在兩個方面：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(nèi)部故障等；另一方面是在實現(xiàn)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。本文對近十幾年來電動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(rèn)為，大型電動機內(nèi)部故障的定量分析方法的理論突破是實現(xiàn)其有效保護的關(guān)鍵。
　　
　　1電動機常規(guī)保護理論
　　
　　我國電動機的常規(guī)保護方式一般采用熱繼電器型或電磁型的過電流保護，大型電動機有配置零序電流保護，個別的還有差動保護。過流保護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)對稱故障，對斷相、接地、不平衡運行等不對稱故障不能及時有效地保護。
　　
　　常規(guī)過流保護不能有效保護不對稱故障的原因主要有兩方面：一是各類不對稱故障不一定出現(xiàn)明顯的過電流，根據(jù)文獻(xiàn)［5］的分析，當(dāng)斷相故障時，只有電動機負(fù)荷率大于0．7時，健全相才會出現(xiàn)過流，而由于負(fù)荷特性及電動機選型等因素，電動機經(jīng)常運行于輕載的情況是很普遍的；另一原因是不對稱故障對電動機的危害不只表現(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)。負(fù)序效應(yīng)會導(dǎo)致電動機端部發(fā)熱、轉(zhuǎn)子振動、減小起動力矩等一系列問題，這時僅以過流來反映故障嚴(yán)重程度顯然是不夠的。
　　
　　在保護特性方面，大型電動機要求速斷切除故障，還應(yīng)能夠區(qū)分電動機冷、熱態(tài)過載，而同時大型電動機的啟動電流大，啟動時間長。以GL系列為代表的電磁型反時限過流或兩段式電流保護在整定時，速斷保護定值必須躲開電動機自啟動電流，而反時限和定時限的整定又必須大于電動機的自啟動時間，因此反映故障的靈敏度低，切除故障的時間長，往往保護動作時電動機已嚴(yán)重?zé)龘p。
　　
　　雖然電動機常規(guī)保護方式存在許多嚴(yán)重缺陷，但目前仍是電動機保護的主體。這一方面是由于電動機量大面廣，管理欠規(guī)范，不如發(fā)電機等電氣主設(shè)備受到重視。另一方面也由于目前許多新型綜合保護魚龍混雜、市場混亂，其性能和可靠性有待進(jìn)一步檢驗。
　　
　　2基于對稱分量法的電動機保護理論
　　
　　根據(jù)對稱分量法理論，當(dāng)發(fā)生不對稱故障時，電動機電流可分解為正序、負(fù)序和零序電流分量，其中正序分量可以反映電動機過流程度，負(fù)序分量和零序分量在正常運行時沒有或很小，因此若通過檢測負(fù)序和零序電流分量來判別各類不對稱故障應(yīng)具有很高的靈敏度及可靠性。
　　
　　大型電動機常見故障的分析結(jié)果。
　　
　　根據(jù)以上分析，電動機發(fā)生對稱故障時的主要特征是出現(xiàn)電流幅值增大，而發(fā)生不對稱故障時的主要特征是出現(xiàn)負(fù)序和（或）零序電流。基于此原理可構(gòu)成大型電動機的綜合保護。包括：過電流保護、負(fù)序電流保護、零序電流保護、差動保護（針對各類匝間短路）。
　　
　　由表1，還可進(jìn)一步發(fā)現(xiàn)，電動機的各序電流分量及過流程度等故障信息的分布組合關(guān)系與電動機的故障類型之間具有較好的對應(yīng)關(guān)系。根據(jù)這一關(guān)系，可以鑒別電動機的故障類型，判別故障原因，從而實現(xiàn)電動機保護的智能化。
　　
　　20世紀(jì)80年代中后期，以原電力工業(yè)部電力自動化研究院的MPR－1型綜合保護為代表的一代集成電路電動機保護研制成功［7］，其采用正、負(fù)、零序反時限電流保護實現(xiàn)短路、不平衡和接地保護，從原理和電路上則考慮了電動機過熱保護和起動時間過長及堵轉(zhuǎn)保護。這類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現(xiàn)，整定不靈活、不連續(xù)，動作時間精度也不理想。另外，這類保護也未考慮過壓、欠壓及差動保護，在要求高的場合不能滿足要求。
　　
　　隨著微機保護技術(shù)的成熟以及在電力系統(tǒng)應(yīng)用的日益普及，近年來國內(nèi)外研制了一系列微機型電動機保護裝置［5，8～9］。基本原理都是基于以上對稱分量法原理，以過流、負(fù)序、零序為主體的綜合保護。由于微機保護軟件實現(xiàn)的靈活性，新一代電動機微機保護的保護特性大大改善，能夠較好地處理躲過電動機起動過程、冷態(tài)和熱態(tài)時允許溫升的不同、定值連續(xù)調(diào)節(jié)等問題。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，實現(xiàn)了具有故障診斷功能的電動機智能化微機保護，可以提供故障類型等信息，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機終端單元。
　　
　　目前，對稱分量法理論在處理電動機外部嚴(yán)重故障的診斷與保護方面已研究得較為成熟。然而，由于對稱分量法是基于理想電機假設(shè)，忽略了多種電磁諧波及繞組的不對稱，而這些電磁信號的變化往往是電動機早期故障診斷zui為關(guān)心的征兆。同時，對稱分量法以每相繞組為基本分析單元，當(dāng)處理電動機內(nèi)部故障時，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。因此基于對稱分量法的電動機內(nèi)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機保護理論
　　
　　由于對稱分量法原理上的局限性，目前電動機保護判據(jù)對于定子內(nèi)部繞組故障和轉(zhuǎn)子鼠籠斷條等故障難以定量反映，對于故障的早期診斷更是無能為力。實際運行中電動機保護動作時，電動機已嚴(yán)重?zé)龘p的情況是很普遍的。因此以來，大型電動機的在線監(jiān)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(biāo)。
　　
　　大型電動機故障機理分析、故障特征量的確定及提取方法是實現(xiàn)電動機早期故障診斷的基礎(chǔ)。故障機理的定量分析需借助于大型電動機內(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，近十幾年來隨著檢測手段和分析方法的不斷發(fā)展而層出不窮。大型電動機內(nèi)部繞組發(fā)生故障時，必定伴隨著電動機的電氣量、電磁量和機械振動信號變化?；谶@一事實，電動機在線監(jiān)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,機械振動信號檢測等。由于這些特征量在電動機故障早期都很微弱，甚至有時難以和電動機正常運行時的不平衡信號區(qū)分開來，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(yīng)用成為這一領(lǐng)域的重要研究課題，而這兩者實際上又是相互關(guān)聯(lián)、緊密的。
　　
　　基于Fourier變換的頻譜分析技術(shù)在電動機故障診斷中是研究較早的信號處理方法。文獻(xiàn)［10～11］通過定子電流頻譜分析研究鼠籠電動機轉(zhuǎn)子斷條的故障診斷，可以實現(xiàn)到轉(zhuǎn)子1根導(dǎo)條斷裂的在線監(jiān)測。文獻(xiàn)［12］應(yīng)用定子電流的高解析（high－resolution）頻譜分析技術(shù)確定電動機的不對稱運行，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(jì)80年代中期提出來的一種新型的時－頻域分析工具，它作為一種的信號處理技術(shù)，給信號加上一個時－頻窗口，根據(jù)頻率自動調(diào)節(jié)窗口的大小，以確保捕捉到信號中希望得到的有用成分。它在時域、頻域同時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(xì)的采樣步長，從而可以聚焦到信號的任意細(xì)節(jié)，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機故障特征信號，便于迅速捕獲異常狀態(tài)以采取預(yù)防控制或保護措施。
　　
　　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)測中的思想，提出了基于B小波和Hardy小波的電動機故障檢測技術(shù)［14］，為小波理論在大型電動機狀態(tài)監(jiān)測和故障診斷中的應(yīng)用進(jìn)行了開創(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驗研究階段，進(jìn)一步的深入研究包括：適合于電動機狀態(tài)監(jiān)測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，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］等信號處理方法在電動機故障診斷中的應(yīng)用研究。由于微機技術(shù)非常擅長于實現(xiàn)復(fù)雜的算法，因此以上理論研究成果與微機保護的結(jié)合可以預(yù)期將使大型電動機在線狀態(tài)檢測和故障診斷出現(xiàn)新的突破。
　　
　　4基于多回路理論的電動機保護理論
　　
　　大型電動機內(nèi)部故障定量分析方法的理論突破是實現(xiàn)內(nèi)部故障早期診斷亟需解決的另一個難題。首先，電動機內(nèi)部故障機理的研究必須要將電動機故障分析深入到電機繞組內(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)識電動機故障機理，建立有效的故障判據(jù)。另一方面，上節(jié)討論的各種信號處理方法的應(yīng)用也需要電動機內(nèi)部故障的定量分析結(jié)論作為指導(dǎo)和驗證，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)展起來的交流電機多回路理論［18～20］為電機內(nèi)部故障的定量分析提供了一套全新方法。它突破了理想電機假設(shè)，突破了相繞組為基本分析單元的模型，將電機看作由多個相對運動回路組成的電路。多回路理論以每個電機繞組為研究對象，能夠考慮多種諧波及繞組不對稱等特殊情況，特別適合于研究電機內(nèi)部故障的機理和定量分析，可望為大型電動機故障的早期診斷與保護提供有效的故障判據(jù)。文獻(xiàn)［21］應(yīng)用多回路理論對水輪發(fā)電機空載和負(fù)載時定子繞組內(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)電機定子繞組內(nèi)部故障規(guī)律和保護方案的研究，取得良好效果，顯示出良好的發(fā)展?jié)摿ΑＴ趹?yīng)用多回路理論分析電動機內(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鼠籠電動機導(dǎo)條及端環(huán)故障時的定轉(zhuǎn)子電流及運行特性進(jìn)行了分析計算，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］在分析電動機定子繞組內(nèi)部短路時的故障電流變化，所采取的方法與多回路理論類似。
　　
　　交流電機多回路理論和前述各種信號處理方法實際是取得大型電動機內(nèi)部故障早期診斷突破的同等重要的兩個方面。兩者理論研究的突破并結(jié)合目前業(yè)已成熟的微機保護技術(shù)，可以將大型電動機的在線監(jiān)測、預(yù)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，實現(xiàn)電動機運行全過程的在線監(jiān)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(biāo)。
　　
　　5結(jié)論
　　
　　常規(guī)的電動機過流保護只能反映較嚴(yán)重的對稱性外部故障，是被動的供電系統(tǒng)保護，就保護電動機而言，這類保護的作用很有限。對稱分量法理論在處理電動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(shù)據(jù)處理和智能化上的優(yōu)勢，利用微機實現(xiàn)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機內(nèi)部故障的早期診斷提供了新的途徑，與業(yè)已成熟的微機保護技術(shù)結(jié)合可望產(chǎn)生新的突破。