高压电机微机保护

第 25卷 第 3期 长 春 工 业 大 学 学 报(自然科学版) Vo1．25 No．3 2004年 9月 Journal of Changchun University of Techonology(Natural Science Edition) Sep．2004 文章编号：1006—2939(2004)03—0062—04 高压电机微机保护 张 辉 (吉林铁路运输职工大学，吉林 吉林 ． 132002) 摘 要：阐述 了微机对高压 电机的速断、反时限以及单相接地保护的硬件和软件原理 ，并对其数学模型的建 立进行 了讨论 。 关键词：采样保持；A／D转换；数据；接口电路；执行机构 中图分类号 ：TP399 文献标识码：A 0 引 言 目前 ，我国高压电机 的保护主要有机 电式和 集成电路式两种。高压电机的机电式保护，主要 以电流增大作为判据 ，保护原理粗略 ，对断相等严 重不对称故障，由于一般不 出现显著的电流幅值 增大，从而使保护装置难以及时动作 ，造成事故扩 大。集成电路式保护虽在保护原理上有所改善， 但其保护特性一般无法与电动机热曲线实现较好 的配合，常发生拒动或误动，严重时甚至烧毁电动 机，因此 ，在现场也不为运行人员所喜爱。微机保 护一般以单片机为核心构成 ，具有强大的数据处 理功能，通过完善保护原理，较好地实现了保护特 性与电机热曲线的配合，并具有体积小、可用软件 替代硬件、智能化故障诊断等优点，是高压电机保 护的发展方向。 1 保护原理 为实现微机对高压电机继电保护的功能，要 将保护设备的高压电流经变换器转换成计算机处 理的信号，通过整流、滤波，消除其它干扰和影 响，并能用键盘设定电流整定值及动作时限整定 值，以实现不同的保护对象。正常时，显示被保 护对象工作电流值 ，在保护动作后，发出相应的 信号 ，并记录动作电流值 ，作为监视、分析故障 的依据。 1．1 微机保护特性 高压电机的常见故障有三相过载 、机械堵转 、 三相短路等 ，这些故障对电机的损害主要是电流 增大引起电机的发热。当电机的端电压比其额定 电压低 1O 时，负荷电流增大 5 ～1O 以上，温 升将增加 1O ～15 以上，绝缘老化程度将 比规 定增加一倍以上 ，从而电机的寿命明显缩短，严重 时甚至烧毁电机 ；当其端电压偏高时，负荷电流和 温升也将增加，绝缘相应受损 ，将缩短电机寿命 。 单相接地故障多是由于电机受潮 、转子刮壳等原 因造成的，一般为非金属接地，不会出现显著的电 流幅值变化，但有零序电流产生，由于该类故障常 使事故升级，所以，对该类故障也必须尽早诊断、 排除 ¨ 。 微机可同时实现对高压电机 的过负荷保护、 电流速断保护和单相接地等保护乜]，其保护特性 原理如图 1所示 。 l垄塑 图 1 微 机保 护 特性 图 图中过负荷电流 J 即反 时限过 电流的起动 电流。而速断起动电流可通过改变程序方便 地进行整定 。其 中反时限的动作时限 t是 K(K — Id／igd)的函数，要实现不同的反时限动作特性， 只需计算不同的函数 ：厂(忌)即可。在程序中采 用 一 口o*J／K+bo一 口o*J ／Jd+ b。的计算公 收稿 日期 ：2004—06—08 作者简介：张 辉(1970一)，女，吉林吉林人，吉林铁路运输职工大学讲师，主要从事工业电气化专业教学研究 维普资讯 http://www.cqvip.com 第 3期 张 辉 ：高压电机微机保护 63 式。在实际应用 中并不采用真正的 t，计算机从 一 次采样计算到判断出是否出现过流这一过程， 所需时间是一定的，某时间可以用上述过程的循 环次数 N来表示，即 N— a。*I ／Id+ b。，对于 一 定的 a。，b。， 越大(即故障电流越大)，循环次 数 N 越小，即动作时限越短，而 口。，b。的数值不 同，可以形成不同的保护特性 ，且 口。，b。的数值可 以通过修改程序内容加以修正。 单相接地保护是根据故障类型的特性进行判 断的，用来判断的电流均是指突变电流，即事故分 量电流，故障的特性是两个非故障相电流之差为 零 。 1．2 微机系统采样及保护 微机控制系统的采样频率是一个很重要的问 题。根据采样定理 ，如果一个具有有限频率的连 续信号 厂(f)进行采样 ，为了采样信号能反应连续 信号 厂( )的变化规律 ，则采样频率必须满足 > 2厂m ，才能满足无失真的重复原来信号。对于工 频为 50 Hz的供电系，要求 厂j>2×50 Hz，即 4o．01 S，就能实现无失真的复原信号。该 系统 的采样频率为 厂s一16×50 Hz，满足采样频率 的 要求。 微机保护是用数学运算方法实现故 障测量、 分析和判断的 ]。所 以，微机保护中的一个基本 问题就是寻找适当的离散运算方法来实现一定的 保护功能，使运算结果的精度能满足工程要求而 计算耗时又尽可能短。本装置采用不同步的均匀 采样方法 ，即采样时刻不要求与系统同步，但采样 间隔相同。计算方法是采用面积算法，它是利用 任意半个周期内绝对值 的积分为一个常数 S，且 积分值 S和积分起始点的初相角无关这一特性 计算的。 对于工频为 50 Hz的系统，一般每个周期采 样 12次就完全满足计算要求。50 Hz每周期 为 20 000 s，采用 MCS一31单片机 ，主频 6 MHz。 如每周期采样 16次，对每相的一个周波，每次采 样间 隔 20 ooo／16— 1 250 s。实 际上，在 这 1 250 s的间隔内，装置还需对另外两相采样，而 每一相又分别取两个不同的采样电压值，所以，实 际上 CPU是每隔 1 250／6 s对三相电流采样一 次 ，对主频 为 6 MHz的 MCS-31而言 ，相 当于 1 250／6×2个机器周期 。所 以，只要求 CPU 每 隔 416个机器周期采样一次，保证均匀采样。该 计算方法采样精确 ，本身具有数字滤波特性，可 消除干扰信号产生的不准确信号 ，运算量极小 ， 反应速度极快 ，在故障发生后一个周期 即可响 应 。 2 硬件 电路实现 2．1 数据采集系统L4 2．1．1 电压形成 电动机的过负荷、过流等故障产生的电流信 号 ，经过电流变换器将 电流互感器的二次 电流变 换为与之成比例的弱电流，其在二次侧电阻上的 电压降落即为所需电压。电流变换器的优点是失 真度小 。 2．1．2 低通滤波器 由奈奎斯特采样定理可知：如果被采样信号 为有限带宽的连续信号，其所含的最高频率成分 为 厂m。 ，若采样频率 厂s不小于 2厂m。 ，则原来信号 可以完全恢复而不会畸变，否则将产生频率混叠 。 电机在故障初瞬的电流中含有高频分量，其 频率往往高达 2 kHz以上，所以，使采样频率 必须高达 4 kHz以上 ，要采用一个模拟低通滤波 器，将高频分量滤掉 ，仅让 厂s／2以上的频率通过 ， 从而降低对微机系统硬件过高的要求。 2．1．3 模拟量多路转换开关[5] 本装置采用 AD7506多路转换开关，将各路 模拟量轮流切换到转换器上 。 2．1．4 采样保持器 因为 AD574中无 采样保持器 ，所 以，本装置 另行选择 LF398作为采样保持器 。 2．1．5 模数转换器 采用 AD574模数转换芯片。 系统硬件接线如图 2所示 。 2．2 系统接口电路 AD574与 8031的 中断方式接 口电路脚将 AD574的 STS线经过一个非门连接到 8031的 INT1脚 ，采用 中断方式可大 大节省 CPU 的时 间 引。 人机对话接 口电路主要是键盘和显示两大部 分 ，采用 8155可编程接口芯片。 输出控制电路由光电隔离电路、功率放大电 路和执行机构等组成 。该电路为保护装置的执行 电路 ，由跳闸回路 、声光报警指示电路组成 ，具有 跳闸、报警和指示故障类型等功能。 维普资讯 http://www.cqvip.com 64 长 春 工 业 大 学 学 报(自然科学版) 第 25卷 3 软件系统 软件模块框图如图 3所示。 图 2 硬件接线图 图 3 软件模块框图 软件可以实现对高压 电机 的电流速断过负 荷、过流和单相接地等保护。 采用不同步均匀的方法，即采样 时刻不要求 与系统同步，但采样间隔相同。计算方法采用的 是直接计算有效值，即半周积分算法。 本装置的软件判断了速断、单相接地和反时 限过流等故障，程序主要分为三大模块，分别为主 程序模块 、采样中断模块和故障处理模块(各模块 略)。 三个程序模块的关系 ：CPU正常时执行主程 序。主要完成初始化 ，保护整组复归及巡回 自检 等功能。在主程序执行过程 中，数据采集系统的 定时器每到一个采样的间隔时间 发 出中断，执 行采样中断服务程序，控制各通道同时采样 ，并根 据采样值初算电流量是否达到动作值 ，若没有则 继续循环，若达到动作值则启动元件动作 ，转向故 障处理程序。在故障处理程序 中完成跳闸、反时 限过流、单相接地等功能。 4 微机保护的抗干扰措施 可靠性是继电保护的基本要求之一，微机继 电保护一般在工业上存在着各种 电磁干扰 ，有的 干扰强度很大，其中最为严重的是程序逻辑出格。 如何提高其可靠性，是微机保护装置设计的一个 重要问题。 4．1 干扰源 干扰源分为外部干扰源和内部干扰源。外部 干扰是指那些与系统结构无关，而由使用条件和 外部环境所造成的干扰 ；内部干扰是指由系统结 维普资讯 http://www.cqvip.com 第 3期 张 辉 ：高压电机微机保护 65 构、元件布局和生产工艺等决定的干扰。 干扰的形式一般分两种 ：即横模干扰和共模 干扰。横模干扰是串联于信号源之 中的干扰 ，即 串联干扰；共模干扰是引起 回路对 电位发生变化 的干扰，即对地干扰。 干扰的耦合途径分为静 电耦合方式、互感耦 合方式、公共阻抗耦合方式、电磁场辐射耦合方 式 。 4．2 抗干扰的措施[6 首先要切断干扰的耦合途径 ，即接地的处理、 屏蔽与隔离、滤波退耦及旁路合理的分配和布置 插件。抗干扰的措施如下 ： (1)自恢复电路。当程序出格时，利用硬件电 路将其复位 ，防止可能的误动作 ，合理的硬件设计 可以做到干扰不会引起微机的工作失误。 (2)接口电路的闭琐及光电耦合。在输出信 号端都通过一个与非 门，且在与非 门的两个输入 端都满足条件时，才能驱动光电器发 出信号。在 这里加上光电耦合器件 ，也是为了增强抗干扰能 力。 (3)用软件方法增强系统的抗干扰能力。 5 结 语 研究 的高压电机微机继电保护，采用单 片机 监测电机故障，并模拟电机实际运行特性进行保 护。实现了数字式处理、成本低 、功能强、操作简 单 、可靠性高、性价比高，具有较好的推广应用前 景 。 参考文献： [1] 蔡泽祥．高压异步电动机的智能化综合保护EJ]．继 电器 ，1996，(1)：29—30． I-2] 刘介才．工厂供 电[M]．北京：机械工业出版社， 1999． 1-33 陈德树．微机继电保护[M]．北京：中国电力出版 社 ，2002． 1-4] 孙慎言．微型计算机控制系统I-M]．北京：机械工业 出版社 ，1993． 1-53 李大友．微型计算机接VI技术I-M]．北京：高等教育 出版社 ，1990． [6] 杨奇逊．微型机机电保护基础[M]．北京：水利电 力出版社，1994． The Protection of High Voltage Electromotor by Microcomputer ZHANG HUi (Jilin College for Railway Transport Staff，Jilin 132002，China) Abstract：The principles of hardware and software for the protection of high—voltage electromotor in quick break，inverse-time-limit and single—phase grounding are discussed with a presentation on the establishment of the mathematics mode1． Keywords：sample keeping；A／D switching；data analysis；interface circuit；executing agent． 维普资讯 http://www.cqvip.com