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枣庄箱式变压器饱和对低压电动机保护的影响及对策
日期:2019-10-23  人气:56

 枣庄箱式变压器饱和对低压电动机保护的影响及对策

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摘要:目前电动机综合保护装置被广泛应用于工业生产中,但由于枣庄箱式变压器参数选型不当,在定子绕组短路过大时, 枣庄箱式变压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互 感器和电动机综合保护装置内枣庄箱式变压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 Matlab/Simulink 进行仿真验证。该措施克服了在枣庄箱式变压器饱和的情况下,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;枣庄箱式变压器;饱和特性 Influences and countermeasures for saturation of current transformers on low voltage motors protectionsYU Meng-yao, YU Qun, SHI Jian-sheng, ZHANGZhi-yu, WANG Wen-tao(College of Electrical Engineering and Automation, Shandong University of Science and Technology, Qingdao 266590, China)Abstract: At present motor integrated protection device is widely used in industrial production. However, when stator windingshort-circuit current is too large, it is easy to lead to the current transformer in saturation state thus cause the malfunction of the motorintegrated protection device, because of the improper selection of parameters of current transformer. Therefore, by using thePSCAD/EMTDC software and simulation analyzing the performance of the current transformer for protection and miniature currenttransformer of motor integrated protection device after the low voltage motor stator winding fault, this paper puts forward to add thethree sampling algorithm in motor protection device protection algorithm. Meanwhile, it takes advantage of MATLAB/Simulink’ssimulation to verify the proposed measure. Besides, this measure overcomes the disadvantage of motor integrated protection device’sunreliable action as the main protection in the saturation of the current transformer, which is caused by the long sampling time ofFourier’s algorithm. So it could improve the safety and reliability of the low voltage motor protection device’s operation.Key words: electric power system; motor; motor integrated protection device; current transformer; saturation characteristic 0 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[1]。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[2]。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枣庄箱式变压器[3],因而通用性差。再加上电气设备厂家间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,特别是枣庄箱式变压器的性能。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,很可能因短路过大而造成枣庄箱式变压器的饱和[5],引起电动机综合保护装置的拒动或误动。在这样的情况下,铁芯的饱和又是枣庄箱式变压器一个不容忽视的特性[6]。因此,本文将通过研究保护用枣庄箱式变压器与电动机综合保护装置内枣庄箱式变压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[7]的措施。

1 低压380 V电动机综合保护装置模型简介针对目前低压电动机定子绕组故障时可能发生的枣庄箱式变压器的饱和问题,本文利用了 PSCAD 软件搭建了安装在低压 380 V 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 380 V 供电系统中串入一次侧保护用枣庄箱式变压器以及其配套的电动机综合保护装置中的枣庄箱式变压器(图中与低压电网直接串联的一次侧的保护用枣庄箱式变压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枣庄箱式变压器将在下文中简称为小 CT)。



利用 PSCAD 软件对枣庄箱式变压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380 V电动机运行时定子绕组故障的简单模型,如图 2 所示


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枣庄箱式变压器模型,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]。为模拟实际运行时枣庄箱式变压器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枣庄箱式变压器模型,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]。为模拟实际运行时枣庄箱式变压器的电磁过程,本文利用基于 JA 模型的自定义模块来进行枣庄箱式变压器特性的仿真,如图 3、图 4 所示。


2.2 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[9],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[10]。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 相的波形,来说明枣庄箱式变压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 380 V 侧串接电动机综合保护装置用的保护用枣庄箱式变压器的饱和程度的不同,可将枣庄箱式变压器对电动机综合保护装置的影响分为以下三种情况。(1)保护用枣庄箱式变压器(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整定值动作的主保护[10]能够正

确动作。(2)保护用枣庄箱式变压器(大 CT)轻度饱和当枣庄箱式变压器的变比选择过小,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。


通过 PSCAD 中的“Single Phase RMS Meter”模块测量后经计算得出,图 7 中由大 CT 的饱和造成的误差为 13。185%。同样,图 8 中由于小 CT 的饱和造成的误差为 4。142%。通过对图 7、图 8 两枣庄箱式变压器仿真特性进行分析可以看出:大 CT 发生饱和程度不大时,其二次侧的值超过了小 CT 的额定准确限值一次,引起小 CT 发生饱和。经误差分析可知:由大 CT 引起的误差比小 CT 要大。因此,低压电动机综合保护装置能否正确动作主要取决于大CT 在线路故障时的特性。经分析可知在此种情况下,有可能引起低压用电动机综合保护装置中基于整定值动作的主保护不动作。(3)保护用枣庄箱式变压器(大 CT)深度饱和当低压电动机定子绕组发生故障大 CT 的饱和程度比较严重时,大、小 CT 的仿真波形如图 9、图 10 所示。

由图 10可以看出,大 CT发生严重饱和时,二次侧值很小,不足以引起小 CT 发生饱和,故小 CT 可以正确传变。经误差分析可知:此

时,枣庄箱式变压器测量值比实际值要小很多。这样经枣庄箱式变压器采集出的故障值就会明显小于此电动机保护装置内部设置的整定值,与(2)相比,此种情况对低压电动机保护产生的不利影响更为严重。通过三组 PSCAD 软件的仿真结果对比可知:低压电动机定子绕组发生故障时,与集成于电动机综合保护装置中的枣庄箱式变压器(小 CT)相比,低压线路直接串联的保护用枣庄箱式变压器(大 CT)的性能对电动机综合保护装置能否正确动作起着主要的作用。

3 利用三采样算法来提高低压电动机综合

保护装置动作的可靠性针对第 2 节中分析的低压电动机定子绕组发生故障时,两枣庄箱式变压器不能正确传变故障而引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:故障后两枣庄箱式变压器采集的波形虽然畸变,但在每周波开始的一段时间内,枣庄箱式变压器二次侧的几乎是可以正确跟随一次侧的变化而变化的,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,在枣庄箱式变压器发生饱和时,如果继续采用傅里叶算法,由于二次侧不能正确反映故障,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***少只需要三个采样点的时间便可完成参数的计算[9],采样时间缩短,能够一定程度上减小枣庄箱式变压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 380 V 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枣庄箱式变压器(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 Matlab 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[11],经傅里叶算法计算结果如图 12 所示,三采样算法计算结果如图13 示。由图12可以看出:傅里叶算法需要20 ms才能完成参数的计算。经 Matlab 中的“Workplace”窗口[12]中得到仿真结果(如表 1 示),误差比较大。



而三采样算法只需要 1.67 ms 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),误差为:0.01%,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。为了有效地说明问题,将经三采样算法采样出的饱和时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

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枣庄箱式变压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[10],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 380 V 低压线路上装设的用于串接电动机保护装置的保护用枣庄箱式变压器(大 CT)和电动机综合保护装置内的枣庄箱式变压器(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枣庄箱式变压器饱和的情况下,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。

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作者简介:于梦瑶(1989-),女,硕士研究生,主要从事电力系统继电保护的研究。

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