电机热模型及其电机保护应用的基本原则.docx

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电机热模型及其电机保护应用的基本原则

1．摘要

本文讨论了电机热模型和其数学解释的基本原理以及电机运转的不同阶段的物理现象（过载、堵转、太频繁的或持续太久的加速、周期循环使用）。

它解释了热模型时间常数以及其它引起热模型运算法则偏离的其它技术参数。

包括在本文中的其它主题还展示了：

（a）详细的电机数据表信息，和（b）在保护工程师和电机供应商之间的协调可以导致电机热保护参数的恰当选择。

本文呈现了对电机失速、加速和运转热极限曲线的仔细审视。

它也解释了热容量的概念并详细阐述了怎样评估电机保护装置的热容量。

下面几点也包括在本文中：

•讨论了一些额外的方法，如电压依赖性的和滑差依赖性的电机过载曲线，这些方法被用于在非标准电机使用场合的热容量。

•提出了对电机周期性负载情况匹配热时间常数的理念。

另外，还论证了在实际应用中热模型算法的反应。

•描述了一个实际案例，该案例显示了在高转动惯量负载情况下怎样应用和微调热模型。

•在文中探索了在促进满足电机设计特性的同时并保证电机安全运行的一些关键问题。

2．引言

感应电机是任何工业工厂的驮马。

典型的电机应用包括泵、风扇、压缩机、磨坊、粉碎机、挤压机、剥皮机、精炼机、起重机、输送机和鼓风机。

统计已经显示，尽管它们的结构简单可靠，但是如在泵和造纸工业，每年电机失效率保守地估计在每年3-5%，并且在极端情况下要达到12%。

在工厂里故障停工时间可能是非常昂贵的，并且在某些情况下可能超过电机更换的费用。

要求有适当的机器保护以最小化电机失效率、防止对相关设备的损毁以保证人身安全和达成生产目标。

由IEEE电机可靠工作组[3]出版的文件《工业和商用设施大电机的可靠性调查报告》包含了IEEE和EPRI对电机可靠性和电机失效的主要原因的调查结果。

这些结果的总结显示在表1中。

尽管使用不同的方法和条件（IEEE依照“失效的原因”来构建失效组，而EPRI依照“失效的部件”来构建失效组），两个机构却指出了非常相似的对机械和电气机器问题的失效百分比。

对该表格中的数据进行分析，我们可以总结出许多失效直接地或间接地相关或由涉及机器运转的各个电机零件的广泛加热而引起的。

那就是我们发现为什么精准地跟踪电机热状态以及电机控制系统对非正常状况具有足够的反应是非常重要的原因。

IEEE研究

EPRI研究

平均

失效原因

失效部件

持续过载

4.2%

定子接地绝缘

23.00

相关维护和

其它部件合计

32.00%

表1

IEEE和EPRI电机可靠性调查总结

电机设计和结构的现代趋势正在向制作电机更加紧凑和更加高效率的方向移动。

诸如玻璃纤维和硅树脂等无机绝缘材料的使用，相比较诸如棉花和清漆等遗留绝缘材料，提供了介电性提高的电机绝缘性能。

但是同时一些新材料对过热更加脆弱。

应该在跟踪电机热状态方面被考虑的另一个重要考虑是热特性高估，这也可能引起不希望的电机停转故障并因此带来潜在的昂贵的工作过程中断。

以上陈述清楚地解释了对运转中的电机的准确热估计的重要性。

该任务（精准电机热保护）现今被现代技术强烈支持。

改进的算法可以在微处理设备上执行，它能够提供期望水平的准确性和灵活性。

热算法按照下列次序运行：

•提供实时电机数据给微处理设备。

•依照固件（嵌入式）热算法程序处理该数据，并与预期值相比较，存入存储器。

•保护装置计算模拟值，与编入程序的临界值进行比较。

•如果该比较的模拟值超过临界值，则保护装置触发数字输出。

塑造电机保护装置（MPD）的热图像的理想模拟方法是将非惯性的温度传感器嵌入电机结构的固定静止的（定子）和旋转的（转子）部件中。

但是，由于技术原因、可靠性和费用考虑而将温度传感器安装到转子内是不可行的。

拒绝这种温度传感器安装作为热保护的主要基础的另外一个原因是这样一个事实，传统的电阻式温度检测器（RTD）具有相对慢的反应时间，在电机加速期间对加热过程的高速度不能足够快地做出发应。

定子上的电阻式温度检测器实际上提供了监控在平衡电机条件下的温度的真实结果，但是再次申明它们不适合监控快速热瞬变现象。

或者，一个主要的实时输入热模型可以使用三相电机电流。

加在电机上的电能部分被转变成热储藏在电机里面，因而该些热是电流和时间的函数。

该事实加上将被包括在本文中的一些其它因素和假设，被用作发展和完善该基于电流的热模型。

实时测得的三相电流值也被用在检测电机不同阶段的特殊算法：

停住、启动、运转、过载。

在高转动惯量负载场合，电压监控被用在热模型算法以动态匹配对于不同启动条件的热极限。

在一些使用场合，使用转速传感器来测试慢速转子转动或电机失速。

热模型执行的另一个重要角色是“储存在电机保护装置里的预期值”。

该术语是指电机设计者和电机制造商提供相关讨论中的电机的热储存、允许的性能和动力学等信息。

即使电机是通过热电阻互相连接和连接到外部环境条件的节点的组合的一个整体部件，它也不是一个均质体。

比方说，定子有槽铜、顶端铜、牙齿和铁芯。

每一个节点具有其自己独有的热变率。

那就是为什么电机设计者为了做全面分析和检测出正常运转的边界，他们总是以发展包括电气的、机械的、热的和化学的部件在内的最详细的模型作为目标。

但是一旦电机被适当地设计并按照其期望的规格而构建，则对通过参考电机数据表和热损毁曲线而评估热风险以提供热保护来说，较少详细的模型就足够了。

常识支配对用全面电机分析来决定电机保护装置算法变量与来自电机制造商的典型数据保持一致的可信度。

电机保护装置也整合简化的算法来模拟物理的电机状态和过程。

该方法对于任何应用场合来说，通过处理已知的电机信息，允许我们在现代电机保护装置上达到足够水平的热保护。

为试图保持该算法简单，我们面对另一个挑战。

将稳态条件下的电机热动力行为与在诸如加速、失速和周期性负载改变的热电机瞬变过程中发生的定子和转子的急速加热相关联是相当困难的。

该算法也必须解释从电机绕组到机壳与从机壳到大气（环境）的热传递。

为解决该问题，选择“跳开前时间”参数作为热状态评估的通用标准。

实际上，对于电机加速和失速情况，由于直接测量转子温度确实困难，由电机设计者规定的安全失速时间是对最大电机许可温度的唯一客观评估。

基于在本文本章节的讨论，主要的电机热算法要求可以总结如下：

•准确性。

对热电机图像的精准估计。

对诸如变频、电压不稳、长时间加速、周期性负载等不同的电机使用场合的考虑。

参考由电机设计者指定的数据。

•简单化。

算法容易理解。

对在讨论的运转工序的计算电机热估计的简单方法。

•可依赖性。

在电机运转的任何时刻监控热容量的能力。

维持热预估和对电机保护装置电源故障做出足够反应。

•符合工业标准。

算法必须符合要求，并且应该遵循列在IEEE《对交流电机的保护指南》（StdC37.96-2000）[9]和IEEE《展现鼠笼式感应机器的热极限曲线的指南》（Std620-1996）[10]中的推荐。

•容易设置。

设置热模型需要的参数，从电机制造商已经提供的成套电机标准数据获得。

•可靠性。

该模型基于电阻式温度检测器的监控，由可选电机温度评估方法提供支持。

万一热过程由于异常环境温度或电机冷却故障而明显偏离预期值，备份方法非常有用。

•灵活性。

即使在非常罕见场合使用该模型的可能性。

除了精准的热模型，应该与如下所列的优化和附加功能一起配备最新技术工艺给电机保护装置：

•对全面温度监控的电阻式温度测试器输入，在高温时电机报警并跳开。

•基于温度的定子热估计，能够在异常运转情况下对主要热模型进行纠正。

•各式俱全的热过载曲线；用户定义的非正常使用和依赖于特殊使用的电压、特定的高转动惯量的长时间启动等典型应用的标准。

•在机器不提供足以完成加速过程的热容量时，阻止机器启动的电机启动锁住功能。

基于所提供的热容量、在最后五次成功启动之一期间所用的热容量（TCU）的最大获取值以及电机停顿时的温度改变率，来计算锁住时间。

•对引起广泛热效应的电流不均衡做出反应的热模型偏离。

•对电机在停转和运转状态选择各自的冷却常数的选择权。

•电流不均衡要素，能够对不均衡的潜在危险水平发出警告并在单相时使电机跳开线路。

•启动监督要素，防止电机过度数量的启动。

•机械堵塞检测器。

•加速极限计时器。

•相短路和接地故障保护功能。

•电压和频率要素，确保电机在规定限度内运行。

倒相检测。

•动力要素，监控和对非正常电机负载情况做出反应。

•电机保护装置失效检测。

•与主计算机的沟通能力，易于与DCS（数据传输系统）和SCADA（数据采集与监控系统）整合。

•费用合理。

•可以适应（改装配合）多厂家的电机控制中心和电机启动器。

•凭借相容涂层来进行工业硬化，以使其在制造厂环境中工作。

•对机械和绝缘故障的高准确度预报，包括转子断条情况，在不从工作中移开电机和不需常驻专家到场时。

•在电力系统故障时读取/捕获电机电流和电压的能力。

•记录和将相关非正常电机状况的以时间标记的事件存到装置的非易失存储器中的能力。

运用诸如震动传感器和/或仪器以显示电机的电流频谱来预告初期失效的昂贵设备所提供的附件保护功能。

这些不包括在本文中。

3．热保护理论

对过热的电机来说，有两大类热风险：

定子绝缘可能降级和/或转子导体可能失去其抵抗弯曲（变形）力的能力或者甚至熔化。

定子绝缘的劣化呈现由阿仑纽斯方程式[6][7]支配的化学过程。

NEMA电机绝缘等级定义了在环境或热极限温度之上的所允许的最大温升。

如果温度超过该极限，它不引起立刻的绝缘失效，但是减少绝缘的预期寿命。

阿仑纽斯方程式的一个相当准确的近似估算说明，运转温度超过热极限10

，定子绝缘的寿命减半。

对于不同绝缘等级的寿命百分比和温度特性的对比显示在图1中。

图1

电机绝缘的老化因子

鼠笼式转子的热风险是转子导体可能变形或熔化。

因为没有绝缘，转子导体相比定子导体可以运行在高很多的温度下。

提供定义转子热极限的数字化的温度值是困难的和不现实的。

电机设计者通过说明热态或冷态电机的失速时间热极限而指出在失速、加速或任何其它快速瞬变情况下允许的最大转子温度。

在失速期间，这些值必须与系统电压水准相符合。

对于大多数应用场合，安全失速时间定义转子热极限，但是在一些特殊情况，定子热极限主宰失速和加速期间的电机热容量。

定义定子限定的电机的准则说到：

“当电机的额定电压等于或高于额定马力数的10倍时，该电机是定子限定的。

”比方说，500HP6900V。

[8]

诸如运行在过负载下的稳态运转通常对转子来说不是问题。

在运行状态下定子承受巨大热量，因此对于转子在接近同步转速下旋转时，定子过载保护因素确定全面足够的热保护。

电机的定子和转子导体的稳态和瞬变热行为，依赖于电机热回路的细节。

电机设计典型地使用包括定子铁芯、转子铁芯、定子导体、转子导体

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