基于单片机的微机保护装置

基于单片机的微机保护装置内容摘要：

负序 过电流保护、 欠压 保护、堵转保护等主要功能。 （ 3）通信功能 选择合适的通信方式，实现与上位机 及时、准确的传送报警数据，同时能接收上位机控制指令。 本论文的主要工作内容如下 ： (1)对电动机保护原理和保护算法进行深入分析研究，对保护判据了进一步优化。 同时完善了保护装置的保护功能。 应用对称分量法对高压电动机的各种故障进行分析，把高压电动机的故障分为对称故障和不对称故障，采用电动机定子过电流程度和电流的负序分量作为故障判据。 算法方面，对三采样法、全周波傅式算法、均方根值进行了研究。 采用全周波傅式算法既能抗干扰又能满足装置对测量的要求，在设计的装置中采用了该方法，达到了预期的目的 ； (2)经过对各种类型处 理芯片的综合比较采用 80C196 处理芯片，完成对微机电动机保护硬件系统和总体方案设的设计。 保证装置的整体抗干扰优山东科技大学学士学位论文 绪论 11 良，为人机界面提供硬件支持，解决硬件可靠性问题 ； (3)在高压电动机早期故障诊断方面，提出了一种基于小波变换的针对非平稳故障信号的消噪方法，仿真结果表明小波变换理论非常适合于突变信号或非平稳信号的消噪，该方法不仅可以消除噪声，更重要的是可以将突变信号保留下来，而突变信号中极有可能包含故障的早期特性，这为早发现故障赢得了时间，一定程度上提高了被保护对象的安全性 ； (4)基于对设备运行现场干扰情况的考 虑，本文从装置的软件、硬件两方面针对抗干扰作了分析，提出了软件、硬件应该采取的措施。 这些方法和措施在抗干扰试验中证明是有效的，加强了保护装置自身稳定运行的可靠性。 山东科技大学学士学位论文 大型电动机保护方法研究 12 2 大型电动机保护方法研究 高压电动机的应用几乎涵盖了工农业生产和人类生活的各个领域，在这些应用 领域中电动机常常运行在环境恶劣的场合 (如高温、高湿、尘埃、腐蚀等 )，导致电动机的过流、短路、断相、绝缘老化等事故频发，据调查全国约有 20%的电机因故障被烧毁，近 30%的电动机带缺陷运行，给正常生活和日常维护造成沉重负担，特别是高压电动机，大功率电动 机容量大，不仅造价高，更因为往往都是应用于大型工业设备的重要场合，一旦发生故障所造成的直接或间接经济损失更为惨重。 因而对大 型电动机的保护问题被人们广为高度重视。 在本章的后面几节中，对电动机的故障特征及电动机常见的故障和不正常运行方式进行分析并给出保护装置具体实现的方法。 电动机常见的故障 电动机常见的故障可分为对称故障与不对称故障两大类。 对称故障包括过载、堵转和三相短路等，这类故障对电动机的损害主要是热效应，使绕组发热甚至损坏。 此类故障明显特征是电流幅值的显著变化。 不对称故障有 ： 断相、逆相、相间短路 、匝间短路等。 这类故障是电动机运行中最常见的一类故障，不对称故障对电动机的损害不仅仅是引起发热，更重要的是不对称引起的负序效应能造成电动机的严重损坏。 此类故障明显特征是电机电流出现负序电流和零序电流。 电动机在发生不对称故障时，应用对称分量法可将三相电流分解为正序、负序和零序分量。 电动机在正常运行时负序和零序分量没有或很小，旦发生不对称故障则将会大幅值出现，因此通过检测过流幅值、负序和零序电流分量、电流不平衡率，母线电压山东科技大学学士学位论文 大型电动机保护方法研究 13 为基础的故障判据具有很高的灵敏度和可靠性。 短路保护 电动机的短路故障是比较严重的一 种故障，危害性很大，在进行短路保护时，即要避开起动电流，同时保护装置应是电流速断保护。 当电动机定子绕组短路时，由于短路而产生的短路电流不仅会使绕组的绝缘破坏，导致电动机损坏，而且会导致供电电网电压下降，从而影响其它用电设备的正常运行。 因此必须要装配有短路保护装置。 本文相电流速断保护是装置通过检测电动机 A、 B、 C 三相工作电流的最大值，算法上能够自动判别电动机是起动时间内还是在起动时间后，起动时间内和起动时间后的速断值可分别整定，从而可有效地躲过电动机的起动电流，保护装置在判断电动机电流值大于 速断保护的整定值后 ，立即动作，跳开电动机。 相电流速断保护整定原则 ISQ=K1IS I1=K2Ie 其中 :ISQ— 速断动作电流高值 (电动机启动过程中速断电流动作值 )(A) IS— 电动机启动电流最大值； Ie— 电动机额定电流； I1— 电动机速断电流； K1 为安全系数，一般在 ~ 范围内取值。 K2 为过电流倍数，一般在 2~9 范围内取值。 相电流速断保护动作判剧 IMAX=MAX(Ia,Ib,Ic) 即 IMAX≥ ISQ 在电动机启动过程中 IMAX≥ I1 在电动机启动结束后 t≥ t1 山东科技大学学士学位论文 大型电动机保护方法研究 14 式中， IMAX： A、 B、 C 相电流 (Ia， Ib， Ic)最大值 (A)。 ISQ： 速断动作电流高值 (电动机启动过程中速断电流动作值 )(A)。 I1： 速断动作电流低值 (电动机启动结束后速断电流动作值 )(A)。 t： 整定的速断保护动作 时限 ms。 欠压保护 当供电系统出现短路故障，导致电压降低或电压消失时，电动机转矩急剧下降。 在电压恢复电动机自起动时，将有数倍于额定值的大电流流过电动机，使电网电压降低，同时电动机端电压也降低，造成电动机起动困难或根本不能自起动。 另外如果供电电压恢复的较慢，则电动机长期处于起动状态，此时，电动机 或配电系统均受相当大的起动电流作用，这时在长时间的起动电流作用下，会导致绝缘过热甚至损坏。 由此可见，为减少供电系统的电压降，保证重要电动机自起动，保障电动机的安全，应设置欠压保护，切除不重要电动机和根据生产过程及技术保安条件要求不允许自起动的电动机。 这样当供电系统恢复正常时，可保证一部份有必要自起动的电动机顺利起动，同时可人工控制各电动机的先后起动顺序，使电动机的起动电流先后错开，保持供电系统稳定。 欠压保护的装设原则 (l)对于能自动起动的重要电动机，不装设低压保护 ： 但当装有自动投入装置的备用机 械设备时，为满足联动投入的要求，应装设带 10 秒时限跳闸的低电压保护。 (2)为了保证重要电动机的自起动，在其它的电动机上应装设带 秒时限跳闸的低压保护。 (3)当电源电压长时间降低或中断时，根据生产工艺过程和技术保安条件等要求不允许自起动的电动机，应装设带 10 秒时限跳闸的低压保护。 山东科技大学学士学位论文 大型电动机保护方法研究 15 由上分析可见，一般对比较重要的电动机，为提高工作的可靠性，允许电压降低或消失后又恢复供电时自起动，对这一类电动机一般不设置欠压保护。 欠压保护整定 在阻力转矩一定的情况下，当供电电压降低到足以引起电动机制动时的电压 称为临界电压。 此时欠压保护应能反应并将电动机切开。 根据规程规定，低压保护的动作电压，对不重要的电动机取 ，延时时间为 ：对重要电动机取 ，延时时间为 10s(U e 为二次额定电压 )。 本文装置通过测量电动机母线电压来实现欠压保护，当电动机母线电压降低到整定动作值 U 欠 以下，且时间大于整定值 t 欠 时，进行跳闸保护。 (1)欠压保护动作值 U 欠 整定范围： 10~90V，级差 ； (2)欠压保护动作时间 t 欠 整定范围： ，级差。 堵转保护 电动机因机械原因、负荷过大等 原因造成转子被卡死或低速运转会造成过热而危及电机，必须予以切除。 堵 转 保 护 投 入运 行 过 程 中 I a≥ I1 3 I a≥ I1 3 I a≥ I1 3≥ 1amp。 T1 3 图 电动机堵转保护逻辑图 山东科技大学学士学位论文 大型电动机保护方法研究 16 I13 为堵转电流定值； T13 为堵转时间定值。 堵转保护逻辑图如图 ： 在启动情况下，电动机的启动电流一般随启动时间逐渐减少 ； 而发生堵转时，电动机的电流一般是呈上升趋势。 电动机处于堵转状态下允许的时间很短，堵转保护采用短时限保护。 保护装置应能可靠地区分电动机的正常运行和堵转。 启动过程中出现堵转，由启动时间过长保护提供保护 ；运行过程中出现堵转，会引起电流 剧增，当电动机的任一相电流超过堵转电流整定值 I1，并达到堵转整定时限时，本保护动作作用于出口跳闸。 在一定意义上，堵转保护可作为电动机运行过程中短路保护的后备保护。 堵转保护电流 I13 可按电动机铭牌堵转电流的一半整定 ； 保护时间不，可参考电动机的允许堵转时间整定，一般整定为允许堵转时间的 倍。 负序过电流保护 负序保护所针对各类非接地性不对称故障，如断相、不平衡运行、局部匝间短路等。 应用对称分量，可以分析各种故障下的负序电流。 以下以断相为例进行分析。 电动机断相故障主要两大类情况如下图： 图 型 接法三相异步电动机 A 相断开 山东科技大学学士学位论文 大型电动机保护方法研究 17 对于电动机断相而言，绕组断相表现较为复杂。 由于电动机绕组接法有 Y 形和△形接法两种，故其断相表现有所不同。 对于 Y 形接法的电动机，主回路的任一处断相可根据线电流来判断 ； 对于△形接法的电动机，若在绕组中出现断相，则只能根据三相电流的不对称来判断了。 由对称分量法分析，当电动机发生断相等不对称故障时，定子电流可分解出负序电流分量，该电流的取值决定于电动机的负序阻抗对正序阻抗的比值，负序电流会使电动机的转子绕组中产生 2 倍工频的单相交流电流，造成电动机机端过热，转子振动 ； 另 外，电动机断相运行时由于负序磁场的存在，基波旋转磁场质量变差，机能、能量转换能力降低。 设 Y 形接法三相异步电动机A 相断开，如图 所示。 电源电压虽对称，但由于断线处出现电压△ U，所以在电动机端点 A、 B、 C 处三相电压是不对称的，电动机负载越大，断相时电压的不对称程度越大。 图 △接法三相异步电动机 A 相断开 △接法三相异步电动机绕组断开 图 A绕组 断开正序阻抗等效图 图 A绕组 断负序阻抗等效图 山东科技大学学士学位论文 大型电动机保护方法研究 18 应用对称分量法得出 A 相断开后的三相异步电动机正、负序相阻抗等效电路如图 ， 所示 图 中 rl 代表定子绕组的电阻， jx1 代表定子绕组的漏抗； rm 代表与定子铁芯损耗相对应的等效电阻 (有功损耗 )， jxm 代表与主磁通相对应的 铁芯的电抗： sr2 ， jx2 代表折算到定子边的转子绕组电抗和漏抗； 图 中， 39。 1r 代表定子绕组的电阻， j 39。 1x 代表定子绕组的漏抗； rm 代表与定子铁芯损耗相对应的等效电阻 (有功损耗 )， j xm 代表与主磁通相对应的铁芯的电抗； 39。 39。 2 )2( sr jx39。 2 代表折算到定子边的转子绕组电抗和漏抗； 在不计磁路饱和的影响下，电动机 的运行可看成是在正序对称电压和负序对称电压分别作用下运行的叠加，叠加图如图 ： 在正、负序电压作用下产生各序相应的电流、功率及其转矩，而综合转矩 M 是在序转矩 Ml 和负序转矩 M2 的合成。 M=M1M2 由于电动机正常运行中，转差率 S 很小，则正序阻抗 Z+远小于负序阻抗 Z，即负序电压很小也会引起大的负序电流。 负序电流产生的负序转矩为制动转矩，使输出转矩和功率减小，在负载不变情况下，引起电动机转速下降，非故障相电流增大，引起绕组过热而烧毁电动机。 另一方面，在三相电压不平衡时，三相感应电动机的负序阻抗与其启动期间的 阻抗相似，而此时在不平衡电源上运行的电动机将产生不平衡电流，所引起的线电流不平衡为线电压不平衡的数倍，三相电流可能明显地不同，而且电流较大的那一相中加重的发热将使电动机的温升加剧，最严重的不平衡形式是一相断路，这种情况将会很快导致电动机烧毁，所以保护装置要有不平衡 (断相 )保护功能。 山东科技大学学士学位论文 大型电动机保护方法研究 19 断相电流特性分析 如图 ，对 Y 形接法，设 A 相断开，流入电动机的电流为： 0II0CBA。 I () 应用三相对称分量法：。