黄新波¹，王海东¹，胡海燕²，朱永灿¹，张浩¹，薛智鹏¹

（1.西安工程大学电子信息学院，西安710048; 2.中国石油化工股份有限公司靑岛安全工程研究院.山东靑岛266072）

摘要：针对高压开关柜电动底盘车内直流电动机的堵转保护时间过长、保护阈值设置不规范等问題，文中提出了一套基于Daubechies6小波去嗓算法的堵转保护系统。其以堵转电流为特征值，依据直流电机在过栽、堵转故障情况下的温升关系所建立的数学模型确定了保护阈值的设定范，同时采用Daubechies6小波算法对电流信号进行降嗓分析，有效消除了运行过程中干扰因素，最大限度地接近真实值并能快速找出电流的最大值。文中搭建了10k高压开关柜内电动底盘车的测试平台，经实验证明该系统可以满足高压开关柜内电动底盘车的堵转保护要求,且具备保护响应速度快、动作可靠性高和区分启动时刻尖峰电流的优点。

关键调：电动底盘车；堵转保护；Daubechies6小波；数学模型

0 引言

在数字化及智能化变电站快速发展的大背景下，通过“手摇”方式实现开关柜内断路器的进、出车操作已不能满足实际需要。随着智能电网的推 进，传统手摇式底盘车已逐渐被电动机构所替代，其在有效提高工作效率的同时，也为实现快速恢复供电、保证维修人员的人身安全提供了保障。由于直流电机在制造质量、使用环境、工作方式和日常维 护等方面的差异，电动底盘车内直流电机故障情况时有发生，主要有过载、堵转、以及一些机械故障等，其中以堵转故障最为常见。堵转电流作为评价电机堵转性能的重要指标，被视为判断电机堵转故障的重要参数。

起初，国内通过以热继电器为主的机械组合方式实现对直流电机的保护，其主要是以电机的发热量为特征量，根据热量变化而实现的保护。而后采用的电磁型继电器是根据电流的变化来判断电机是否产生故障，并在此基础上实现了电流速断以及定时限过流保护。随着电力电子技术的逐渐成 熟，人们逐渐开始利用晶闸管等大功率半导体器件实现对直流电机的保护，其具有动作迅速，使用寿命长的优点。

上述研究虽结构简单、易于维护，但动作缓慢，反应时间长且忽略了直流电机在运行过程中因强烈振动及恶劣的电磁环境所带来的噪声干扰，所以对 运行过程中出现的堵转故障保护效果并不理想。因此本文在建立直流电机堵转数学模型确定保护阈值范围的基础上，提出一套堵转保护系统。该系统以直流电机的运行电流为特征量，利用Daubechies6小波去噪算法对电流信号进行分解，并由小波包重构以便在强噪声背景下快速提取特征量，通过判断其是否超过阈值而实现堵转保护。

1 电动底盘车堵转故障分析

1.1 故障产生机理

通常将直流电机在电压过低、负荷过大、机械故障等环境下，转子因非正常旋转而完全静止或低于正常转速的现象，称为直流电机的堵转故障电机的堵转故障被视为最轻的短路故障，也是最重的 过载故障。

根据定义可将堵转故障分为两类，正常运行过程中的堵转和起动时的堵转。堵转状态下的直流电机由于转速很低甚至为零，常表现出反电势很低，绕组的电流增大等特点。直流电机的转子在被卡死或长时间低速工作时常常伴随大量热量的产生，造成电机绕组过热，进而引起定子绝缘老化，缩短直流电机的使用寿命，甚至烧毁电机。

1.2 堵转等效电路

直流电机的等效电路见图1。图1中：Ua、Ea分别代表直流电机电枢电压和反电势; Ia、Ra、La指电机电枢电流、电枢电阻、电枢电感；Ia、Rf、Lf、Uf指电机的励磁电流、励磁电阻、励磁电感、励磁电压；ω指电机的角速度；T指电机的转矩；T2指电机的负载转矩。

 

图1  直流电机等效电路

由直流电机的等效电路可得堵转状态下5个基本方程

     

      式（1）中：T_a=L_a/R_a为电枢电路时间常数；T_f=L_f/R_f为励磁电路时间常数；p为电机的磁极对 数；M为电枢绕组和励磁绕组的互感。

直流电机在启动时，对电机的要求包括:①启动转矩要足够大,以保证能够克服启动时的摩擦转矩和负载转矩;②启动电流不要太大，以免对电源及电 机产生有害影响。若在启动过程中发生堵转，直流 电机转速为0,反电势Ea也为0,而电机的励磁绕组Rf和电枢绕组Ra的值都比较小，导致励磁电流If、电枢电流Ia，急剧增大，通常为数倍的额定电流。如果电机长时间工作于这种状态，绕组会产生巨大的热量从而导致绝缘材料的绝缘性能降低，最终烧毁 电机。

1.3 堵转的数学模型与分析

直流电机作为一种多变量、强耦合、非线性的机电能量转换系统，当其发生堵转故障时伴随着电流急剧上升，发热迅速增加的主要特征。所以，从一 定程度而言直流电机的堵转故障可以被视为一种严重的过载现象,在该条件下直流电机中的过电流在一段时间后就会引起电机的发热甚至是损坏。若把电机视为一个均匀发热体,其功率W为恒定值，dt时间间隔内电机的温升增量为dτ，电机的质量为 m ,则直流电机的热平衡方程为

     

      式(2)中：H为散热系数；S为散热面积；c为比 热容；τ为温升值。等式左边为电机在出时间内产 生的热量，右边为电机升温所消耗的热量和散失到周围的热量。由式(2)可得电机的温升为

   

      式(3)中：T_c为发热的时间常数且T_c=cm/HS； C₁为初始条件的积分常数。在电机接通电源时初始温升为0,则式(3)可写为

    

      当功率W增加到C倍时，在t时刻τ=τ_W，求解式（4）可得

       

       式(5)中，为电流过载倍数。

当电机堵转时：由过电流引起的发热量远远大于过载。此时若将电机视为一个单纯的发热体，则电机绕组温度将随损耗和时间直线上升，可以认为电机处于一种绝热状态下的发热过程，且

     

      式（6）中：G为绕组重量；P为损耗；t为堵转时 间。此时的电机温升可以用过载发热曲线的切线表 示。当电流过载倍数为c在t时刻τ =τ_W,则:

       

      为简化计算过程，避免在保护程序中对自然对数的使用，可将式（5）、（8）变换如下：

      过载时 

       

     堵转时

       

      式（9）、（10）中，K₁、K₂、K₃为常数，其值的变化可适应不同直流电机的保护特性需求。根据式(9)、(10)可得到堵转故障时的一条保护特性曲线见图2。

 

 图2  电机保护特性曲线

从图2可知，保护的动作时间与电流值的过载倍数有关系,过载倍数越大，保护动作时间越短。而且，可判断出堵转时的过电流约为额定电流的6～9倍。所以保护系统对保护阈值的设定大致选在此范围中即可。对于直流电机的过载保护，除上述因素外，还需考虑其本身的热量积累及散热条件，所以暂不讨论对直流电机的过载保护。

2  电动底盘车防堵转故障技术硬件设计

根据上述分析，堵转故障对直流电机的损害主要是因电流增大而引起的热效应，因此故障可通过电流的过载程度来反映。传统的直流电机堵转保护是通过熔断器、温度继电器或判断起动时间过长来 实现的，但其对运行过程中因恶劣的电磁环境所带来的噪声干扰及起动过程中可能出现的尖峰电流没有相应的应对措施，很容易造成保护动作时间延长甚至是误动作。基于此，在搭建堵转保护电路的基 础上，以流经直流电机的电流为堵转特征量，利用小波算法重构提取电流信号，以此来消除高频噪声干扰的影响。

文中的堵转保护系统主要包括电机驱动电路和堵转保护电路两部分。当高压开关柜的底盘车需要执行进、出车操作时，由MCU控制驱动电路导通，通 过直流电机的正反转实现对底盘车的控制。在启动及运行过程中实时监测电机的电流，当其超过设定的保护阈值时，立即切断电机供电回路，从而保证电机的安全。系统保护框图见图3。

 

 图3  系统保护框图

2.1 电机驱动电路

采用大功率半导体器件的斩波器控制方式，通 过改变直流电机电枢电压接通时间和通电周期的比值来改变平均电压的大小，从而控制直流电机的转 速，电机驱动电路原理见图4。

图4中,R₁₀、D₂、C₁构成RCD的缓冲电路,抑制了IGBT在关断时的过电压，减少了开关损耗。控制直 流电机正、反转的继电器K₁，两端并联的快恢复二极 管D₃和R₈、G₂构成的缓冲电路，可抑制过电压并为 电机的磁场能量提供泻放回路。IGBT的前级驱动部分采用推挽放大电路，有效的缩短IGBT开断时 间，并降低开关损耗。互补三极管Q₂和Q₃实现了对功率的放大，光稱P181实现了前后级电路之间的电气隔离。

 

 图4  电机驱动电路

2.2 堵转保护电路

直流电机的电流急剧增加是发生堵转故障的重要特征之一，所以文中采用穿心式翟尔电流传感器直接监测电流信号。正常工作时K₂继电器吸合，整流桥KBU810将交流电转换为直流电向电机进行供电。当发生堵转故障时，信号经如图5所示的电流调理电路放大、滤波后，由MCU对此时的电流值进行判断，当其超过设定的保护阈值时，MCU迅速将K₂继电器断开，并切断电机的供电回路以保护电机 的安全。堵转保护电路见图6。

 

  图5  堵转保护电路

 

图6  电流信号调理电路

3 电动底盘车防堵转故障技术软件设计

3.1 软件功能分析

文中所设计的高压开关柜电动底盘车在整个进、出车操作过程呈匀加速、匀速、匀减速的运动过程。当MCU接收到底盘车操作指令后，在满足操作条件的情况下启动电机。电机在经历5s的软启动后进人匀速运行状态。当行进到全程的90%时，将控制电机减速直至电机应力的全部释放，避免了因高速运动损坏柜内机械结构的弊端，提高了使用寿命。除此之外，为区分电机的堵转故障与启动时刻的大电流，避免保护的误动作，系统在小波算法的基础上结合了堵转保护算法。确保能区分启动时刻的尖峰电流，保证保护阈值设定的准确性，电机堵转保护流程见图7。

  

 图7  电机堵转保护流程图

在电机的整个运行过程中，保护系统通过实时检测堵转故障以确保底盘车的安全可靠运行。若遇到轻微阻力或者摩擦较大的情况时，可通过自身力矩和转速的调节使底盘车顺利运行；如果遇到严重阻力甚至卡死的情况则启动电机堵转保护程序，即底盘车立即停止的同时切断电机供电回路

3.2 数据滤波处理

在电动底盘车实际运行过程中受测试环境、外界干扰等因素的影响使得采集到的电流数据呈现出高噪声、非线性、不平稳的特点，从而无法进行有效判断。因此，在判断堵转保护动作之前需要对采集的数据进行处理，以提高数据的可靠性和真实性，避免出现较大的误差甚至引起保护的误动作。为削弱电流数据中的高频噪声，以及不规则随机干扰信号中的髙频成分造成曲线毛刺的影响，采用Daubechies6小波算法对电流信号进行降噪、平滑处理。

3.2.1 Daubechies小波理论

小波去噪处理通常涉及小波分解、小波分解得到的高频系数阈值量化处理和小波重构3个部分。其去噪过程是在保持概貌α_n不变的基础上，对各个细节d_i进行阈值处理。也就是说，在确定母小波后将原始信号分解为n个概貌a_i和n个细节d_i。假如细节d_i的阈值为ω，则进行如下处理

       

 式（11）中：d_ij表示d_i中的第j个值；d_ij表示d_ij经过截断处理后的值。由第n层a_n重构信号和阈值处理结果，即可得到去噪结果。

设; {V_j;j∈Z}是一个多分辨率分析，尺度函数为

     

 相应的小波由式(13)给出

     

其中，构造两尺度方程的系数{h_k}的步骤如下：

1) 选定一个正整数N≥32

2) 选定一个多项式

   

3) 选定一个实系数三角多项式Q（z），使

   

4)      中的{h_k}即为所求。随着N的增大，Daubechies小波的光滑性增大，N为分解层数。

      使用Daubechies小波系列的db6小波对原始电 流信号进行4层分解，然后使用最小极大方差阈值选取阈值对高频系数进行量化，该方法对信号的高 频成分和噪声有较好的分辨能力。

      基于DaubeChies6小波信号处理流程见图8。首先对原始电流信号进行采集，根据采集到的信号特征确定分解层数N，同时选定尺度方程和小波阈值。作为信号分解的母小波，将采集到的电流信号按照分解算法进行处理，滤除高频噪声信号的系数，并将得到的信号进行重构，最终即可获得去噪处理 后的电流信号。

                                                                     

                                                     图8  数据处理流程图

3.2.2 数据滤波性能测试

    电动底盘车进车过程中的直流电机运行电流数据见图9，原始数据受干扰严重，保护系统无法对电 流数据进行有效判断。

 

                                                                                                                                   图9  原始电流监测数据

对比分析了中值滤波算法、滑动平均滤波算法 和Daubechies6小波算法在直流电机防堵转故障保护系统中的性能，3种算法数据处理结果见图10。

由图10可知：中值滤波算法可以消除电流数据中的噪声，但其无法辨别噪声而对所有点进行中值处理，在滤除噪声的同时，也丢失了原始数据特征。 滑动平均滤波算法对原始信号的还原度最髙，但是在电动底盘车的直流电机强干扰环境下，滤波窗口 的调整不能满足实际需要，电流数据的噪声仍然较大。而Daubechies6小波算法很好的解决了上述问题，在降噪、滤波处理后电流数据有了明显的改善，有效的消除电机在运行过程中的干扰因素的同时, 最大限度的使其接近真实值。

 

 图10  3种滤波算法数据处理效果对比图

4 电动底盘车防堵转性能测试

为了验证所设计的高压开关柜电动底盘车堵转保护系统功能的完整性，搭建起如图11所示的实验平台。主要包括户内高压断路器、隔离变压器、电机堵转保护装置和电动底盘车。

 

 图11  测试平台实物图

在图11所述平台上，采用施加外力的方法对直 流电机的防堵转技术进行验证，得到直流电机在运 行过程中的堵转电流波形见图12。

 

                                                                                                                                   图12  实测电机堵转波形

由图10可知，直流电机运行过程中电流最大值达到1.02A,根据第一章节对堵转故障下直流电机 等效电路及数学模型的分析可知，堵转保护阈值设 置为6倍的运行电流最大值即可。

由图12可知，直流电机在堵转时的电压为2.11V，根据霍尔电流传感器输人与输出的线性关 系换算得此时堵转电流已达到6.24 A，其值大于堵 转保护阈值，保护系统立即执行保护动作。

基于此，在对底盘车进行10次运行堵转故障的 情况下统计保护可靠动作次数及其误动作次数，以此来判断底盘车防堵转保护系统是否满足设计要 求。由于直流电机在启动过程中，转速很慢而转矩 很大，因此电流会急剧上升。实际操作过程中的启动堵转实验，因电流数据超出传感器采集范围而显示达到最大测量值10A，此时保护可靠动作。故障情况下的保护动作信息见表1。

表1  不同故障情况下保护动作信息

 

参照交流电机保护规定《IEEE Guide for AC motor protection》，文中所设计的直流电机防堵转故障保护系统反应时间同样符合要求。

5  结论

高压开关柜智能化程度的不断提高，使得对柜内各类设备电动操动的稳定性要求越来越高。针对 高压开关柜内电动底盘车的堵转故障，文中提出并 设计了一种保护系统。

1) 系统以直流电机的运行电流为堵转特征量，根据等效电路及数学模型建立直流电机热平衡方程，确定堵转电流为6～9倍的额定电流。

2）通过Daubechies6小波去噪算法对电流信号分解的基础上，利用小波包重构，实现在强噪声背景下快速提取特征量，并在其大于堵转保护阈值时立即执行保护动作。

3）系统根据启动电流幅值较大、持续时间短的特点，利用小波去噪算法及堵转保护算法，有效区分 出启动时刻的尖峰电流，避免了保护的误动作。

经实验结果表明，文中所设计的防堵转保护系 统具有较高的响应速度和可靠性，对保护直流电机并实现快速恢复供电方面具有重要意义。