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第42卷第18期2014年9月16日电力系统保护与控制PowerSystemProtectionandControlVO1.42NO.18Sep.16,2014电流互感器饱和对低压电动机保护的影响及对策于梦瑶,于群,史建省,张智宇,王文涛(山东科技大学电气与自动化工程学院,山东青岛266590)摘要:目前电动机综合保护装置被广泛应用于工业生产中,但由于电流互感器参数选型不当,在定子绕组短路电流过大时,电流互感器容易发生饱和而使电动机综合保护装置误动作。利用PSCAD软件,对低压电动机定子绕组故障时保护用电流互感器和电动机综合保护装置内微型电流互感器的性能进行仿真分析后,提出了在电动机保护装置的继保算法中加入三采样算法的措施,并借助Mat1ab/Simulink进行仿真验证。该措施克服了在电流互感器饱和的情况下,因傅里叶算法采样时间过长而造成电动机综合保护装置的主保护不能可靠动作的弊端,提高了低压电动机保护装置运行的安全可靠性。关键词:电力系统;电动机;电动机综合保护装置;电流互感器;饱和特性Influencesandcountermeasuresforsaturationofcurrenttransformersonlowvoltagemotorsprotections——YUMeng-yao,YUQun,SHIJiansheng,ZHANGZhi-yu,WANGWentao(CollegeofElectricalEngineeringandAutomation,ShandongUniversityofScienceandTechnology,Qingdao266590,China)Abstract:Atpresentmotorintegratedprotectiondeviceiswidelyusedinindustrialproduction.However,whenstatorwindingshort-circuitcurrentistoolarge,itiseasytoleadtothecurrenttransformerinsaturationstatethuscausethemalfunctionofthemotorintegratedprotectiondevice,becauseoftheimproperselectionofparametersofcurrenttransformer.Therefore,byusingthePSCAD/EMTDCsoftwareandsimulationanalyzingtheperformanceofthecurrenttransformerforprotectionandminiaturecurrenttransformerofmotorintegratedprotectiondeviceafterthelowvoltagemotorstatorwindingfault,thispaperputsforwardtoaddthe’threesamplingalgorithminmotorprotectiondeviceprotectionalgorithm.Meanwhile,ittakesadvantageofMATLAB/SimulinkSsimulationtoverifyt’heproposedmeasure.Besides,thismeasureovercomesthedisadvantageofmotorintegratedprotectiondeviceSunreliableactionasthemainprotectioninthesaturationofthecurrenttransformer,whichiscausedbythelongsamplingtimeof’’FourierSalgorithm.Soitcouldimprovethesafetyandreliabili够ofthelowvoltagemotorprotectiondeviceSopermion.Keywords:electricpowersystem;motor;motorintegratedprotectiondevice;currenttransformer;saturationcharacteristic中图分类号:TM77文献标识码:A———文章编号:16743415(2014)180078050引言在石油、化工、煤炭、钢铁、冶金等工业领域的供电系统中,低压电动机得到了广泛的应用J。但由于在电网中存在负载波动等原因,使得电动机容易出现诸如过电流等一系列的问题。此时若保护装置不能快速可靠的动作,电动机就会被烧坏,从而影响工业生产j。因此,继电保护装置对于低压电动机乃至整个低压供电系统来说都有非常重要的作用。在实际生产中,因低压电动机综合保护装置具有价格便宜、体积小等优点而得到了广泛的使用。但不同容量和规格的电机要配备不同的互感器L3J,因而通用性差。再加上电气设备厂家问常用降价来增加竞争优势,这就造成了一些厂家忽视保护装置中一些器件的性能,特别是电流互感器的性能。这些问题使得电动机在负荷变化较大时【4】,特别是在定子绕组发生故障时,很可能因短路电流过大而造成电流互感器的饱和I5J,引起电动机综合保护装置的拒动或误动。在这样的情况下,铁芯的饱和又是电流互感器一个不容忽视的特性【6J。因此,本文将通过研究保护用电流互感器与电动机综合保护装置内微型电流互感器的饱和特性对电动机保护的影响的问题,提出提高低压电动机综合保护装置动作可靠性J的措施。于梦瑶,等电流互感器饱和对低压电动机保护的影响及对策.79.tgcN380v电动机综合保护装置模型简介望髦簇昌享票针对目前低压电动机定子绕组故障时可能发生的电流互感器的饱和问题,本文利用了PscAD软件搭建了安装在低压380V侧电动机综合保护装置的模型如图1所示,图中包括了低压380V供电系统中串入一次侧保护用电流互感器以及其配套的电动机综合保护装置中的微型电流互感器(图中与低压电网直接串联的一次侧的保护用电流互感器将在下文中简称为大CT,而集成于电动机综合保护装置内的微型电流互感器将在下文中简称为小CT)。电动综合保护装置QF\I.i小CT集;f1Tl滤成其l波AD他电外片接J.5,唾路机电系路统_-L--一ABC图1低压380V电动机综合保护装置模型简介Fig.1Modelofthelowvoltage380Vmotorintegratedprotectiondevice2利用PSCAD软件对电流互感器性能进行仿真分析2.1仿真模型的建立本文利用PSCAD软件搭建了针对低压380V电动机运行时定子绕组故障的简单模型,如图2所示。图2低压电动机定子绕组故障模型Fig.2Statorwindingfaultmodeloflowvoltagemotor由于常用的电磁暂态仿真程序PSCAD中,没有提供一个较为完善的保护用电流互感器模型,而其自带元件库中使用较为广泛的是基于Langevin函数的JA模型[8】。为模拟实际运行时电流互感器厂旧l电流(fl ̄互C感T)器五I2a2l‘4图3电流互感器模型’Fig.3CurrenttransformerSmodel--->12—I电流互感器一1(小cT)la2(a)小CT集成模型rb】d,CTgJ部集成模型图4微型电流互感器(小CT)模型’Fig.4MiniaturecurrenttransformerSmodel2.2仿真结果与分析由于定子绕组的相间短路故障是电动机的主要故障【9J,因此,在一切电动机上都必须装设相间短路的保护作为主保护。1。故本文将故障设置为电动机定子绕组的AB两相短路故障,通过观察大CT和小CT采集出的A相的电流波形,来说明电流互感器在故障时对低压电动机综合保护装置的影响。其中,针对低压线路用于380V侧串接电动机综合保护装置用的保护用电流互感器的饱和程度的不同,可将电流互感器对电动机综合保护装置的影响分为以下三种情况。(1)保护用电流互感器(大CT)未饱和当对大CT参数的选择特别是变比的选择考虑到实际运行的情况时,即使发生故障,两个电流互感器均不会发生饱和,二次侧能正确反映故障信息(如图5、图6所示)。此时,低压电动机综合保护装置中依据电流整定值动作的主保护【l0J能够正确动作。(2)保护用电流互感器(大CT)轻度饱和当电流互感器的变比选择过小,且在低压电动机定子绕组发生故障时,大CT很可能发生饱和。当大CT饱和程度不大时,大、小CT仿真波形如图7、图8所示。于梦瑶,等电流互感器饱和对低压电动机保护的影响及对策起的电动机综合保护装置可能误动作的问题。考虑到产品硬件改良工艺的实现比较困难,故本文从微机继保装置软件的角度提出了通过改善电动机综合保护装置的继保算法来提高保护装置动作准确性的措施。从2.2节的仿真波形可以看出:故障后两电流互感器采集的波形虽然畸变,但在每周波开始的一段时间内,互感器二次侧的电流几乎是可以正确跟随一次侧电流的变化而变化的,只不过这段时间比较短暂。因此,对要求快速动作的主保护而言,在电流互感器发生饱和时,如果继续采用傅里叶算法,由于二次侧不能正确反映故障电流,就会使保护误动。所以,本文提出了在电动机综合保护装置的继保算法程序中加入三采样算法的措施。因为这种算法最少只需要三个采样点的时间便可完成参数的计算【9J,采样时间缩短,能够一定程度上减小电流互感器的饱和对保护装置中主保护的影响。同时由2.2节分析可知:低压380V电动机所配置的综合保护装置能否正确动作的主要影响因素是与低压线路直接相连的保护用电流互感器(大CT)的性能。而为有效地说明大CT饱和时,电动机综合保护装置中的主保护采用三采样算法要优于傅里叶算法的结论。并依据直观说明问题、简化论证过程的思想。本文通过Ma廿ab软件编程仿真不同算法下,经PSCAD仿真的大CT饱和后存在的误差。在不考虑非周期分量的情况下,低压电动机定子绕组故障的电流波形如图11所示。利用目前微机继保通常所采用的24点采样lll,经傅里叶算法计算结果如图l2所示,三采样算法计算结果如图l3示。由图l2可以看出:傅里叶算法需要20ms才能“”完成参数的计算。经Matlab中的Workplace窗口L12J中得到仿真结果(如表1示),误差比较大。—+_._—-0一_耗,。..、k/●—●一.s图11故障后大CT二次侧波形对比Fig.11WaveformcomparisonoflargeCTafterfailure表1不同算法的仿真结果Table1Simulationresultsofdifferentalgorithms——,,/Sf-,,:,,/—//图12傅里叶算法的仿真结果Fig.12SimulationresultsofFourieralgorithm饱和值‘////图13三点采样算法的仿真结果Fig.13Simulationresultsofthreesamplingalgorithm一24×220:1.(12x20ms167ms1)——×=.()360而三采样算法只需要1.67ms便可完成参数的“”计算。经Matlab中的Workplace窗口中得到仿真结果(如表1所示),电流误差为:O.01%,几乎可以看作0。通过图13中的波形也可以看出,大CT二次侧在饱和时几乎能够正确反映一次侧的电流。为了有效地说明问题,将经三采样算法采样出的饱和时电流的有效值与经傅里叶算法采样出的未饱和时波形结果进行比较,误差为.20.82 ̄2641×100%1:2一.0,9一%(2)-×’:.:./0LZ20.8243I此误差要比利用傅里叶采样时饱和引起的误差要低很多,说明三采样算法在发生故障时,与傅里叶算法相比能够一定程度上减小电流互感器饱和对继电保护装置的影响。虽然三采样算法不具滤波功…能L1,但根据本文所分析的情况:三采样算法所需的时间要比傅里叶算法所需的时间少很多,暂不需考虑谐波的影响,所以加入三采样算法对提高低压电动机综合保护装置中主保护的速动性有很好的效果。此措施存在两方面的优点:一方面,只要改进电动机综合保护装置内部的继保算法即可,操作简一82一电力系统保护与控制单;另一方面,因为只需采样几点,有效地提高了电动机综合保护装置内基于电流整定值动作的主保护的速动性。4结论本文利用PSCAD软件在电动机定子绕组发生故障时,对380V低压线路上装设的用于串接电动机保护装置的保护用电流互感器(大CT)和电动机综合保护装置内的微型电流互感器(小CT)的性能进行仿真分析。并针对仿真结果,提出了在电动机综合保护装置的继保算法中加入三采样算法的措施。此措施经Matlab软件仿真证明可以有效地克服在电流互感器饱和的情况下,因傅里叶算法采样时间过长而造成电动机综合保护装置的主保护不能可靠动作的弊端,提高了保护装置运行的安全可靠性。参考文献[1]王红.新型低压电动机综合保护装置原理与实现[J].低压电器,2006(3):43.47.WANGHong.Principleandimplementationofanew—microprocessorprotectiondeviceforlowvoltagemotors[J].LowVoltageApparatus,2006(3):43・47.[2]唐颖,李玉林.基于ARM技术的新型低压电动机保护控制器设计[J】.电力系统保护与控制,2011,38(15):119.122.——TANGYing,LIYulin.DesignofnewlowvoltagemotorprotectioncontrollerbasedonARMtechnology[J].PowerSystemProtectionandControl,2011,38(15):l19.122.[3]韩守亮,崔淑梅.一种新型模块化级联电机系统IJ】.电工技术学报,2013,28(2):155.162.HANShou-liang,CUIShu-mei.Anewmodularcascademachinesystem[J].TransactionsofChinaElectrotechnical—Society,2013,28(2):155162.[4]王德林,郭成.电力系统连续体和离散模型中机电扰动传播的一致性研究【J1.电工技术学报,2012,27(6):l61.167.WANGDe-lin,GUOCheng.Studyonconsistencyofelectromechanicaldisturbancepropagationincontinuum—anddiscretemodelsforpowersystems[J].Transactions—ofChinaElectrotechnicalSociety,2012,27(6):161167.[5]童悦,李红斌,张明明,等.一种全数字化高压电流互感器在线校验系统【J】_电工技术学报,2010,25(8):59.64.—TONGYue,LIHongbin,ZHANGMing-ming,eta1.Anall--digitalon・-linecalibrationsystemforhighvoltagecurrenttransformer[J].TransactionsofChinaElectrotechnicalSociety,2010,25(8):59-64.[6]DL/T866.2004电流互感器和电压互感器选择及计算导则[S】.DL/T866-2004theguideforselectionandcalculationofcurrenttransformersandvoltagetransformers[S].[7]李嘉,王雪,姚晴林.WDH.825A微机同步电动机保护装置[J】.电力系统保护与控制,2009,37(13):75・79.LIJia,WANGXue,YAOQing-lin.WDH・825Amicroprocessorbasedmotorprotection[J].PowerSystemProtectionandControl,2009,37(13):75-79.[8]黄莉,杨卫星,张雪松.基于PSCAD/EMTDC的带气隙电流互感器建模及仿真【J】.电力系统保护与控制,—2010,38(18):178182.——HUANGLi,YANGWeixing,ZHANGXuesong.Modelingandsimulationofcurrenttransformerwithair-gapbasedonPSCAD/EMTDC[J].PowerSystem—ProtectionandControl,2010,38(18):178182.[9]李斌,范瑞卿,贺家李.电动机磁平衡式差动保护的整定计算【JJ.电力系统保护与控制,2010,38(13):—7982.—LIBin,FANRuiqing,HEJia-li.SeRingcalculationofmagneticbalanceddifferentialprotectionofmotor[J].PowerSystemProtectionandControl,2010,38(13):79.82.[10]于群,曹娜.电力系统微机继电保护[M】.北京:机械工业出版社,2010.YUQun,CAONa.Micro・processorbasedprotectiverelayinpowersystem[M].Beijing:ChinaMachinePress,2010.[11]孙丽玲,许伯强,李志远.基于MUSIC与SAA的笼型异步电动机转子断条故障检测【J】.电工技术学报,2012,27(12):205-212.————SUNLingli,XUBoqiang,LIZhiyuan.AMUSIC—SAAbaseddetectionmethodforbrokenrotorbarfaultininductionmotors[J].TransactionsofChinaElectrotechnical—Society,2012,27(12):205212.[12]于群,曹娜.MATLAB/Simulink电力系统建模与仿真【M].北京:机械工业出版社,2012.YUQun,CAONa.MATLAB/Simulinkmodelingandsimulationofthepowersystem[M].Beijing:ChinaMachinePress,2012.收稿日期:2013-12-21;修回日期:2014-02-24作者简介:于梦瑶(1989一),女,硕士研究生,主要从事电力系统继电保护的研究。E-mail:yslstdpx@163.com
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