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高壓開關柜電動底盤車防堵轉技術與應用
黃新波1，王海東1，胡海燕2，朱永燦1，張浩1，薛智鵬1 （1.西安工程大學電子信息學院，西安710048; 2.中國石油化工股份有限公司靑島安全工程研究院.山東靑島266072）
摘要：針對高壓開關柜電動底盤車內直流電動機的堵轉保護時間過長、保護閾值設置不規范等問題，文中提出了一套基于Daubechies6小波去嗓算法的堵轉保護系統。其以堵轉電流為特征值，依據直流電機在過栽、堵轉故障情況下的溫升關系所建立的數學模型確定了保護閾值的設定范，同時采用Daubechies6小波算法對電流信號進行降嗓分析，有效消除了運行過程中干擾因素，最大限度地接近真實值并能快速找出電流的最大值。文中搭建了10k高壓開關柜內電動底盤車的測試平臺，經實驗證明該系統可以滿足高壓開關柜內電動底盤車的堵轉保護要求,且具備保護響應速度快、動作可靠性高和區分啟動時刻尖峰電流的優點。 關鍵調：電動底盤車；堵轉保護；Daubechies6小波；數學模型
0 引言 在數字化及智能化變電站快速發展的大背景下，通過“手搖”方式實現開關柜內斷路器的進、出車操作已不能滿足實際需要。隨著智能電網的推 進，傳統手搖式底盤車已逐漸被電動機構所替代，其在有效提高工作效率的同時，也為實現快速恢復供電、保證維修人員的人身安全提供了保障。由于直流電機在制造質量、使用環境、工作方式和日常維 護等方面的差異，電動底盤車內直流電機故障情況時有發生，主要有過載、堵轉、以及一些機械故障等，其中以堵轉故障最為常見。堵轉電流作為評價電機堵轉性能的重要指標，被視為判斷電機堵轉故障的重要參數。 起初，國內通過以熱繼電器為主的機械組合方式實現對直流電機的保護，其主要是以電機的發熱量為特征量，根據熱量變化而實現的保護。而后采用的電磁型繼電器是根據電流的變化來判斷電機是否產生故障，并在此基礎上實現了電流速斷以及定時限過流保護。隨著電力電子技術的逐漸成 熟，人們逐漸開始利用晶閘管等大功率半導體器件實現對直流電機的保護，其具有動作迅速，使用壽命長的優點。 上述研究雖結構簡單、易于維護，但動作緩慢，反應時間長且忽略了直流電機在運行過程中因強烈振動及惡劣的電磁環境所帶來的噪聲干擾，所以對 運行過程中出現的堵轉故障保護效果并不理想。因此本文在建立直流電機堵轉數學模型確定保護閾值范圍的基礎上，提出一套堵轉保護系統。該系統以直流電機的運行電流為特征量，利用Daubechies6小波去噪算法對電流信號進行分解，并由小波包重構以便在強噪聲背景下快速提取特征量，通過判斷其是否超過閾值而實現堵轉保護。
1 電動底盤車堵轉故障分析 1.1 故障產生機理 通常將直流電機在電壓過低、負荷過大、機械故障等環境下，轉子因非正常旋轉而完全靜止或低于正常轉速的現象，稱為直流電機的堵轉故障電機的堵轉故障被視為最輕的短路故障，也是最重的 過載故障。 根據定義可將堵轉故障分為兩類，正常運行過程中的堵轉和起動時的堵轉。堵轉狀態下的直流電機由于轉速很低甚至為零，常表現出反電勢很低，繞組的電流增大等特點。直流電機的轉子在被卡死或長時間低速工作時常常伴隨大量熱量的產生，造成電機繞組過熱，進而引起定子絕緣老化，縮短直流電機的使用壽命，甚至燒毀電機。 1.2 堵轉等效電路 直流電機的等效電路見圖1。圖1中：Ua、Ea分別代表直流電機電樞電壓和反電勢; Ia、Ra、La指電機電樞電流、電樞電阻、電樞電感；Ia、Rf、Lf、Uf指電機的勵磁電流、勵磁電阻、勵磁電感、勵磁電壓；ω指電機的角速度；T指電機的轉矩；T2指電機的負載轉矩。
圖1 直流電機等效電路
由直流電機的等效電路可得堵轉狀態下5個基本方程
式（1）中：Ta=La/Ra為電樞電路時間常數；Tf=Lf/Rf為勵磁電路時間常數；p為電機的磁極對 數；M為電樞繞組和勵磁繞組的互感。
直流電機在啟動時，對電機的要求包括:①啟動轉矩要足夠大,以保證能夠克服啟動時的摩擦轉矩和負載轉矩;②啟動電流不要太大，以免對電源及電 機產生有害影響。若在啟動過程中發生堵轉，直流 電機轉速為0,反電勢Ea也為0,而電機的勵磁繞組Rf和電樞繞組Ra的值都比較小，導致勵磁電流If、電樞電流Ia，急劇增大，通常為數倍的額定電流。如果電機長時間工作于這種狀態，繞組會產生巨大的熱量從而導致絕緣材料的絕緣性能降低，最終燒毀 電機。 1.3 堵轉的數學模型與分析
直流電機作為一種多變量、強耦合、非線性的機電能量轉換系統，當其發生堵轉故障時伴隨著電流急劇上升，發熱迅速增加的主要特征。所以，從一
定程度而言直流電機的堵轉故障可以被視為一種嚴重的過載現象,在該條件下直流電機中的過電流在一段時間后就會引起電機的發熱甚至是損壞。若把電機視為一個均勻發熱體,其功率W為恒定值，dt時間間隔內電機的溫升增量為dτ
式(2)中：H為散熱系數；S為散熱面積；c為比 熱容；τ為溫升值。等式左邊為電機在出時間內產 生的熱量，右邊為電機升溫所消耗的熱量和散失到周圍的熱量。由式(2)可得電機的溫升為
式(3)中：Tc為發熱的時間常數且Tc=cm/HS； C1為初始條件的積分常數。在電機接通電源時初始溫升為0,則式(3)可寫為
當功率W增加到C倍時，在t時刻τ=τW，求解式（4）可得
式(5)中， 當電機堵轉時：由過電流引起的發熱量遠遠大于過載。此時若將電機視為一個單純的發熱體，則電機繞組溫度將隨損耗和時間直線上升，可以認為電機處于一種絕熱狀態下的發熱過程，且
式（6）中：G為繞組重量；P為損耗；t為堵轉時 間。此時的電機溫升可以用過載發熱曲線的切線表
示。當電流過載倍數為c
為簡化計算過程，避免在保護程序中對自然對數的使用，可將式（5）、（8）變換如下：
過載時
堵轉時
式（9）、（10）中，K1、K2、K3為常數，其值的變化可適應不同直流電機的保護特性需求。根據式(9)、(10)可得到堵轉故障時的一條保護特性曲線見圖2。
圖2 電機保護特性曲線
從圖2可知，保護的動作時間與電流值的過載倍數有關系,過載倍數越大，保護動作時間越短。而且，可判斷出堵轉時的過電流約為額定電流的6～9倍。所以保護系統對保護閾值的設定大致選在此范圍中即可。對于直流電機的過載保護，除上述因素外，還需考慮其本身的熱量積累及散熱條件，所以暫不討論對直流電機的過載保護。
2 電動底盤車防堵轉故障技術硬件設計 根據上述分析，堵轉故障對直流電機的損害主要是因電流增大而引起的熱效應，因此故障可通過電流的過載程度來反映。傳統的直流電機堵轉保護是通過熔斷器、溫度繼電器或判斷起動時間過長來 實現的，但其對運行過程中因惡劣的電磁環境所帶來的噪聲干擾及起動過程中可能出現的尖峰電流沒有相應的應對措施，很容易造成保護動作時間延長甚至是誤動作。基于此，在搭建堵轉保護電路的基 礎上，以流經直流電機的電流為堵轉特征量，利用小波算法重構提取電流信號，以此來消除高頻噪聲干擾的影響。 文中的堵轉保護系統主要包括電機驅動電路和堵轉保護電路兩部分。當高壓開關柜的底盤車需要執行進、出車操作時，由MCU控制驅動電路導通，通 過直流電機的正反轉實現對底盤車的控制。在啟動及運行過程中實時監測電機的電流，當其超過設定的保護閾值時，立即切斷電機供電回路，從而保證電機的安全。系統保護框圖見圖3。
圖3 系統保護框圖
2.1 電機驅動電路 采用大功率半導體器件的斬波器控制方式，通 過改變直流電機電樞電壓接通時間和通電周期的比值來改變平均電壓的大小，從而控制直流電機的轉 速，電機驅動電路原理見圖4。 圖4中,R10、D2、C1構成RCD的緩沖電路,抑制了IGBT在關斷時的過電壓，減少了開關損耗。控制直 流電機正、反轉的繼電器K1，兩端并聯的快恢復二極 管D3和R8、G2構成的緩沖電路，可抑制過電壓并為 電機的磁場能量提供瀉放回路。IGBT的前級驅動部分采用推挽放大電路，有效的縮短IGBT開斷時 間，并降低開關損耗。互補三極管Q2和Q3實現了對功率的放大，光稱P181實現了前后級電路之間的電氣隔離。
圖4 電機驅動電路
2.2 堵轉保護電路 直流電機的電流急劇增加是發生堵轉故障的重要特征之一，所以文中采用穿心式翟爾電流傳感器直接監測電流信號。正常工作時K2繼電器吸合，整流橋KBU810將交流電轉換為直流電向電機進行供電。當發生堵轉故障時，信號經如圖5所示的電流調理電路放大、濾波后，由MCU對此時的電流值進行判斷，當其超過設定的保護閾值時，MCU迅速將K2繼電器斷開，并切斷電機的供電回路以保護電機 的安全。堵轉保護電路見圖6。
圖5 堵轉保護電路
圖6 電流信號調理電路
3 電動底盤車防堵轉故障技術軟件設計 3.1 軟件功能分析 文中所設計的高壓開關柜電動底盤車在整個進、出車操作過程呈勻加速、勻速、勻減速的運動過程。當MCU接收到底盤車操作指令后，在滿足操作條件的情況下啟動電機。電機在經歷5s的軟啟動后進人勻速運行狀態。當行進到全程的90%時，將控制電機減速直至電機應力的全部釋放，避免了因高速運動損壞柜內機械結構的弊端，提高了使用壽命。除此之外，為區分電機的堵轉故障與啟動時刻的大電流，避免保護的誤動作，系統在小波算法的基礎上結合了堵轉保護算法。確保能區分啟動時刻的尖峰電流，保證保護閾值設定的準確性，電機堵轉保護流程見圖7。
圖7 電機堵轉保護流程圖
在電機的整個運行過程中，保護系統通過實時檢測堵轉故障以確保底盤車的安全可靠運行。若遇到輕微阻力或者摩擦較大的情況時，可通過自身力矩和轉速的調節使底盤車順利運行；如果遇到嚴重阻力甚至卡死的情況則啟動電機堵轉保護程序，即底盤車立即停止的同時切斷電機供電回路 3.2 數據濾波處理 在電動底盤車實際運行過程中受測試環境、外界干擾等因素的影響使得采集到的電流數據呈現出高噪聲、非線性、不平穩的特點，從而無法進行有效判斷。因此，在判斷堵轉保護動作之前需要對采集的數據進行處理，以提高數據的可靠性和真實性，避免出現較大的誤差甚至引起保護的誤動作。為削弱電流數據中的高頻噪聲，以及不規則隨機干擾信號中的髙頻成分造成曲線毛刺的影響，采用Daubechies6小波算法對電流信號進行降噪、平滑處理。 3.2.1 Daubechies小波理論 小波去噪處理通常涉及小波分解、小波分解得到的高頻系數閾值量化處理和小波重構3個部分。其去噪過程是在保持概貌αn不變的基礎上，對各個細節di進行閾值處理。也就是說，在確定母小波后將原始信號分解為n個概貌ai和n個細節di。假如細節di的閾值為ω，則進行如下處理
式（11）中：dij表示di中的第j個值；dij表示dij經過截斷處理后的值。由第n層an重構信號和閾值處理結果，即可得到去噪結果。
設; {Vj;j∈Z}是一個多分辨率分析，尺度函數為
相應的小波由式(13)給出
其中，構造兩尺度方程
1) 選定一個正整數N≥32 2) 選定一個多項式
3) 選定一個實系數三角多項式Q（z），使
4) 使用Daubechies小波系列的db6小波對原始電 流信號進行4層分解，然后使用最小極大方差閾值選取閾值對高頻系數進行量化，該方法對信號的高 頻成分和噪聲有較好的分辨能力。 基于DaubeChies6小波信號處理流程見圖8。首先對原始電流信號進行采集，根據采集到的信號特征確定分解層數N，同時選定尺度方程和小波閾值。作為信號分解的母小波，將采集到的電流信號按照分解算法進行處理，濾除高頻噪聲信號的系數，并將得到的信號進行重構，最終即可獲得去噪處理 后的電流信號。
圖8 數據處理流程圖
3.2.2 數據濾波性能測試 電動底盤車進車過程中的直流電機運行電流數據見圖9，原始數據受干擾嚴重，保護系統無法對電 流數據進行有效判斷。
圖9 原始電流監測數據
對比分析了中值濾波算法、滑動平均濾波算法 和Daubechies6小波算法在直流電機防堵轉故障保護系統中的性能，3種算法數據處理結果見圖10。 由圖10可知：中值濾波算法可以消除電流數據中的噪聲，但其無法辨別噪聲而對所有點進行中值處理，在濾除噪聲的同時，也丟失了原始數據特征。 滑動平均濾波算法對原始信號的還原度最髙，但是在電動底盤車的直流電機強干擾環境下，濾波窗口 的調整不能滿足實際需要，電流數據的噪聲仍然較大。而Daubechies6小波算法很好的解決了上述問題，在降噪、濾波處理后電流數據有了明顯的改善，有效的消除電機在運行過程中的干擾因素的同時, 最大限度的使其接近真實值。
圖10 3種濾波算法數據處理效果對比圖
4 電動底盤車防堵轉性能測試 為了驗證所設計的高壓開關柜電動底盤車堵轉保護系統功能的完整性，搭建起如圖11所示的實驗平臺。主要包括戶內高壓斷路器、隔離變壓器、電機堵轉保護裝置和電動底盤車。
圖11 測試平臺實物圖
在圖11所述平臺上，采用施加外力的方法對直 流電機的防堵轉技術進行驗證，得到直流電機在運 行過程中的堵轉電流波形見圖12。
圖12 實測電機堵轉波形
由圖10可知，直流電機運行過程中電流最大值達到1.02A,根據第一章節對堵轉故障下直流電機 等效電路及數學模型的分析可知，堵轉保護閾值設 置為6倍的運行電流最大值即可。 由圖12可知，直流電機在堵轉時的電壓為2.11V，根據霍爾電流傳感器輸人與輸出的線性關 系換算得此時堵轉電流已達到6.24 A，其值大于堵 轉保護閾值，保護系統立即執行保護動作。 基于此，在對底盤車進行10次運行堵轉故障的 情況下統計保護可靠動作次數及其誤動作次數，以此來判斷底盤車防堵轉保護系統是否滿足設計要 求。由于直流電機在啟動過程中，轉速很慢而轉矩 很大，因此電流會急劇上升。實際操作過程中的啟動堵轉實驗，因電流數據超出傳感器采集范圍而顯示達到最大測量值10A，此時保護可靠動作。故障情況下的保護動作信息見表1。
表1 不同故障情況下保護動作信息
參照交流電機保護規定《IEEE Guide for AC motor protection》，文中所設計的直流電機防堵轉故障保護系統反應時間同樣符合要求。
5 結論 高壓開關柜智能化程度的不斷提高，使得對柜內各類設備電動操動的穩定性要求越來越高。針對 高壓開關柜內電動底盤車的堵轉故障，文中提出并 設計了一種保護系統。 1) 系統以直流電機的運行電流為堵轉特征量，根據等效電路及數學模型建立直流電機熱平衡方程，確定堵轉電流為6～9倍的額定電流。 2）通過Daubechies6小波去噪算法對電流信號分解的基礎上，利用小波包重構，實現在強噪聲背景下快速提取特征量，并在其大于堵轉保護閾值時立即執行保護動作。 3）系統根據啟動電流幅值較大、持續時間短的特點，利用小波去噪算法及堵轉保護算法，有效區分 出啟動時刻的尖峰電流，避免了保護的誤動作。 經實驗結果表明，文中所設計的防堵轉保護系 統具有較高的響應速度和可靠性，對保護直流電機并實現快速恢復供電方面具有重要意義。 |
，電機的質量為 
為電流過載倍數。
在
