电机微机保护设计

山东科技大学
本科毕业设计论文
题目交流异步电动机微机保护设计
学院名称信息与电气工程学院
专业班级电气工程及其自动化07-3
学生姓名马懿
学号0701101220
指导教师于群
摘要
本文分析了国内外异步电动机各类保护装置及保护算法的发展现状，借助现代集成电路技术和微电子技术的迅速发展，一改传统电机自动保护模式，以电动机安全可靠运行为中心，在电动机继电保护系统中采用单片机(MCU)设计开发了一种电机继电保护装置。

装置可以实时采集电机中电压、电流信号，对采样数据进行保护算法计算，监视当前电动机的工作状态，一旦有故障发生，则进行相应保护动作，并分析出保护原因。

论文首先分析电动机主要故障特点并基于Matlab/simulink进行了仿真，然后论述了继电保护装置的软件、硬件设计以及保护算法的选择与实现。

在保护算法的软件设计中，选择均方根采样算法和数字滤波器来实现快速、准确获取电动机的运行参量，选择对称分量法来实现故障的快速判断。

基于MCS-51系列单片机设计出了基本的硬件电路，并且绘制了基本的程序框图。

关键词：电动机保护，simulink仿真，单片机
Abstract
This paper analyzes the domestic and foreign various protection device and asynchronous motor development present situation, the protection algorithm by means of modern integrated circuit technology and microelectronics technology rapid development, change traditional motor automatic protection mode to motor for the center, safe and reliable operation of the relay protection system in motor adopts single-chip microcomputer (MCU) design developed a motor relay protection device. Device can real-time data acquisition machine, voltage, current signal of sampled data protection algorithm, monitoring the current motor working state, once a fault occurs, then corresponding protection movement, and analyze the protection reasons.
Thesis firstly analysis based on the main malfunctions characteristics and motor simulink.this simulation, then discusses the relay protection device and the design of hardware and software of the selection and realize protection algorithm. In the design of software protection algorithm, choose RMS sampling algorithms and digital filters to achieve rapid, accurate obtain motor running parameter, the choice method to realize symmetric component fault fast judgment. Based on MCS - 51 series microcontroller out the basic hardware circuit and mapped the basic program diagram.
Keywords: motor protection, simulink, microcontroller
目录
1 绪论 (1)
1.1 异步电机保护的意义 (1)
1.2 异步电动机保护的发展情况 (1)
2 异步电机故障分析及仿真 (5)
2.1异步电动机的常见故障类型 (5)
2.2异步电动机的常见故障仿真 (6)
2.3 本章小结 (15)
3 异步电机保护判据和方法 (16)
3.1电流速断保护 (16)
3.2 过负荷保护 (16)
3.3 启动时间过长保护 (19)
3.4 堵转保护 (19)
3.5 零序保护 (20)
3.6 负序过流保护 (21)
3.7 低压保护 (21)
3.8 本章小结 (22)
4 异步电机微机保护算法 (24)
4.1 计算方法的选择 (24)
4.2 数字滤波器的选择 (29)
4.3负序及零序电流的计算 (35)
4.4 本章小结 (38)
5 异步电机微机保护硬件设计 (40)
5.1 硬件总体设计思想 (40)
5.2 微机电动机保护装置整体介绍 (40)
5.3 数据采集模块 (41)
5.4 CPU模块 (46)
5.5 人机接口电路及其他电路 (51)
5.7 电源选取 (59)
6 异步电机微机保护软件设计 (60)
6.1 主程序框图 (61)
6.2 中断处理程序 (62)
6.3 人机对话程序 (64)
总结与展望 (67)
参考文献 (69)
致谢 (71)
附录一中英文翻译 (72)
附录二电动机微机保护系统硬件原理接线图（另附） (82)
1 绪论
1.1 异步电机保护的意义
异步电机因其结构简单、成本低，运行维护方便和较好的机械特性而在工业控制与各种电气传动系统有着广泛的应用，低压电动机主要应用于工农业和其它国民经济各部门，作为拖动机床、水泵、起重机、卷扬机、轻工业和农副业加工设备以及其它一般机械的动力；它是各种电动机中应用最广，需求量最大的一种电机。

高压异步电动机广泛地应用于发电厂和工矿企业。

据统计，电网的总负载中动力拖动约占60%，动力负载的绝大部分是三相交流异步电动机，如何对异步电机，尤其是作用相对重大的大型异步电机实行有效保护是保证生产安全，保证生产能高效运行的一个至关重要的问题。

从电动机制造和发展的过程来看，由于生产自动化及各种自动化控制、顺序控制设备的出现，要求电动机经常运行在频繁启动、制动、正反转、间歇以及变负荷等多种方式。

在上述各种不同运行状态下，电动机的发热情况及其所受到的电动力和热力的冲击相差悬殊。

而电动机的经济使用周期（寿命），正与它所受到的启动次数和持续时间密切相关。

现代生产机械中，由于自动化的需要，对电动机的运行要求越来越高，同时，由于电动机与配套机械连接在一起，当电动机发生故障时，经常波及生产系统。

因此，对电动机实行有效保护，是保证生产系统正常工作的一项重要任务。

某种程度上讲，电动机的保护与电动机的设计制造、控制使用同等重要。

1.2 异步电动机保护的发展情况
电动机的故障形式一般分为对称和不对称故障，如过载、堵转、短路、
接地、断相、不平衡等。

直接检测电动机绕组的温度来保护过载引起的过热是很有效的保护方式，但由于需直接埋入电动机绕组里，价格较贵、维修困难等原因，仅在部分频繁操作场合使用；从经济性考虑，采用电流检测型更为有利，加热继电器仍是一种价廉、简单、可靠的电动机保护形式(从实际使用情况看，目前使用量占大多数)；对动作性能要求较高及功能要求全或价格昂贵的大容量电动机保护，则可采用电子式或固态继电器；对一般要求，则采用带热-磁脱扣的电动机保护用断路器更为实用。

但不管采用何种保护装置，必须考虑过载保护装置与电动机、过载保护装置与短路保护装置的协调配合。

下面简述一下异步电动机保护的发展情况：
(1)热继电器为主的组合保护方式中小型电动机保护采用熔断器、接触器和短路器及热继电器的组合。

采用熔断器及热继电器的电动机保护是较为经济、简单的一种方式。

但当电动机发生故障或熔丝选择不当等原因使熔断器一相熔断时，就会使电动机缺相运行而使事故进一步扩大，造成电动机烧毁。

热继电器在保护电动机过载方面具有结构简单、安装方便等优点，但它也有保护时滞和对轻微过载与堵转保护欠佳的缺点。

长期轻微过载运行使电动机绕组产生热积累，而使绕组绝缘老化造成电机损坏。

(2)传统的电磁型保护方式以反映故障前后电流量的变化为判据的电磁型保护曾得到广泛应用。

目前我国电网中，有一部分电动机保护仍采用电磁型继电器为主的保护，如运行中的保护大多数为电流速断或定时限过流，另有相当数量的电动机采用一次过流保护。

根据异步电动机的启动特性，为了使保护在电动机启动时可靠不动作，这些保护的定值都要躲过电动机的启动电流来整定，这样定值要比其本身额定电流大许多倍，这对电动机匝间故障、堵转、转子鼠笼断条等故障动作的灵敏度降低，而只能保护电源电缆和定子入口的一小部分，这就加重了电动机的损坏程度，有不少电动机在故障切除后，烧毁的部分无法修复。

可见电磁型电动机速断或
定时限电流保护是牺牲保护的灵敏性来提高可靠性的。

(3)温度保护决定绕组绝缘寿命的基本因素是温度。

因此，任何过负荷的允许持续时间都应以绝缘发热为依据。

而热保护（热继电器）和电流保护（电磁型、电子式）的本质都是按照电动机定子电流的大小规定允许过负荷时间的长短。

温度保护是利用安装在电动机内部的温度传感器来实现的。

当电动机达到一定温度时，继电器动作断开电动机的供电电路。

此类保护的关键是在制造电动机时，将传感器直接放在电动机绕组里，但究竟将其预埋于电动机的哪一部位才能最全面有效地监测电动机绕组的温升，从而灵敏地切除故障是不能确定的。

(4)电子式保护随着现代电子工业的发展，一批新型的电子模拟多功能保护应运而生。

我国电子式保护是由晶体管型发展至集成电路型的。

其原理一般包含两个方面：一是通过检测电流值来反映过载、短路及堵转等以过流为特征的故障；二是通过检测电动机的电流是否缺相来反映断相故障。

基于过流的保护从原理上分析有以下问题：(a)不对称故障或不平衡运行状态与对称故障或过载就引起电动机损坏的原因是完全不同的。

因不对称故障或不平衡运行会出现负序电流分量，由此所引起的负序效应会导致电动机过热、转子震动等一系列问题。

因此，若仍以过流为目标构成保护器，则难以实现对电动机的全面检测和保护。

(b)电动机内部绕组故障（如匝间短路、单相、两相接地等）一般是由于环境较差，长期运行不当等原因引起的。

起初这类故障往往是局部的并不出现过流，但若不及时处理会导致事故扩大，等到故障严重到导致过流保护动作时，电动机已损坏，保护失去意义。

(5)微机保护微机保护是近二十余年发展起来的一种新型保护，深受广大用户的欢迎，发展速度亦越来越快。

微机保护较传统保护有着性能优良、可靠性高、灵活性强和易获得附加保护功能等优点。

但在以前由于其成本
高、价格较贵，一般的电动机保护基本上不选用它。

随着科学技术的飞速发展，近年来单片计算机和各种电子元器件的价格逐渐下降，微机保护正在广泛地应用于电动机保护，以物美价廉、多功能和高可靠性等优点逐步取代其它保护装置。

1.3本文的主要工作
本文首先分析了异步电动机的常见故障，并对异步电动机的几种故障情况进行了MATLAB仿真，然后又全面分析了异步电动机的故障原因和故障特点，在此基础上设计出异步电动机的综合保护方案,整定依据和保护算法；利用MATLAB编程对算法进行了验证。

然后介绍了基于51系列单片机的微机异步电动机保护硬件装置。

本装置的硬件核心是51系列单片机，是整个硬件系统的计算核心和操作核心，还简单介绍了包括电量采集部分，人机接口部分及操作回路的设计。

最后本文对上述保护方案进行了软件设计，绘制了异步电动机保护功能、数据采集功的程序软件设计框图。

山东科技大学学士论文异步电机故障分析及仿真
2 异步电机故障分析及仿真
2.1异步电动机的常见故障类型
要做好异步电动机的保护，首先要分析保护对象会遇到的各种故障，分析其故障特征，才能提出切实可行的保护方案。

对于异步电动机来说，其故障形式主要分为绕组损坏和轴承损坏两方面。

造成绕组损坏的主要原因有：
(1)由于电源电压太低使得电动机不能顺利启动，或者短时间内重复启动，使得电动机因长时间的大启动电流而过热。

(2)长期受电、热、机械或化学作用，使绕组绝缘老化和损坏，形成相间或对地短路。

(3)因机械故障造成电动机转子堵转。

(4)三相电源电压不平衡或波动太大，或者电动机断相运行。

(5)冷却系统故障或环境温度过高。

造成电动机轴承损坏的原因主要有：机械负荷太大、润滑剂不合适，或者恶劣的工作环境，如多尘、腐蚀性气体等给轴承带来的损坏。

由于电动机的微机保护主要是通过测量电量(电流、电压以及开关状态等)来监测电动机的运行状况，因此面对的主要是绕组故障。

引起电动机绕组损坏的常见故障可分为对称故障和不对称故障两大类。

对称故障主要有：三相短路、堵转和对称过载等；不对称故障主要有：断相、三相不平衡、单相接地或相间短路。

在本文下一节，将对其中几种故障进行基于MATLAB SIMULINK的仿真。

2.2异步电动机的常见故障仿真
2.2.1建立简单的异步电机的工作模型
图2.1 基于simulink绘制的仿真图形
本节绘制了一个简单的高压电机工作模型，由110kV电源经过降压变压器至6kV，经输电线路至高压电机。

2.2.2各部分参数的设置
2.2.2.1 无穷大功率电源参数
此次设计仿真电路假设电源电压幅值和频率均为恒定值，这种电源称为无穷大功电率源，实际上这种电源是不存在的，因而只能是一个相对的概念，往往是以供电电源的内阻抗与短路回路的总阻抗的相对大小来判断能否看做无穷大功率电源。

当供电电源的内阻抗小于短路回路总阻抗的
10%时，则可以认为供电电源为无穷大功率电源。

在这种情况下，外电源发生短路对电源影响小，可以近似认为电源电压幅值和频率都保持恒定。

电源采用“Three-Phase source”模型，各参数设定如下图。

【1】
图2.2 电源模型的参数
2.2.2.2 变压器参数
本次仿真设计采用110kV双绕组变压器SSPL-20000，根据给定的数据，计算参数如下：
图2.3 变压器模型的参数
额定功率20MW，工频50HZ，一次侧星形接地连接，电压110kV，二次侧三角形连接，电压6300V。

2.2.2.3输电线路参数
仿真模型的输电线路采用的是“Three-phase PI Section Line”模型。

图2.3 变压器模型的参数
2.2.2.4 异步电动机参数
仿真所采用的高压电动机的参数为：额定电压N U =6kV ，额定功率
N P =250kW ，极对数p=2，定子电阻1 1.84r =Ω，转换后的转子电阻2' 3.72r =Ω 定子漏阻抗和转换后的转子漏阻抗12'11.05x x ==Ω，励磁阻抗300.4m x =Ω，额定转矩J=13.9kg ²m 2。

定子和转子的等值电感12'//20.035174L L x w x f π====；
额定转速为1500r/min;
励磁等值电感/20.9562m m L x f π==；
2.2.2.5 其他模块的选择
（1）电压-电流测量模块
三相电压电流测量模块“Three-Phase V-I Measurement ”将在变压器低压测量到的电压，电流信号转变成Simulink 信号，相当于电压、电流互感器的作用。

（2）阶跃模块
接置于电动机T M 端用于输入负载转矩。

初始值设置为电机的额定转矩。

估算出电机的额定转矩，9550
()e e e
P T N m n ≈ =1591; （3）示波器
测量异步电机的三相定子电流及其各序分量,定子三相电压量。

因为设计需求，本次仿真主要测量这几组变量。

（4）其他参数
起始时间0S ，终止时间2S ，计算方法：ode23tb
2.2.3 仿真分析
元件布置完成以后，完成电机的潮流计算，在电机正常运行后，开始仿真电机常见的故障。

图2.4 潮流计算的初步结果
2.2.
3.1 过载故障
将阶跃函数的阶跃值设为3000，阶跃时间为0.3S，即在电机运行至0.3S时加上3000单位的负载。

仿真运行后得定子三相电流波形图，如图2.5；
图2.5 定子三相电流
波形分析：在0.3S电机带上过负载运行时，电机定子电流大幅度增加，这是因为当输入转矩（即负载）增大时，影响转子转速导致下降，从而转差率S增大，于是引起转子电压平衡式的变化，使转子电流增加，定子电流也随之增加，同时，转子电流的增加也会引起输出转矩的增大，从而与负载转矩相平衡。

这样电机趋于新的稳定。

2.2.
3.2 断相故障
在定子C相接线端加入开关模块，初始值设置为闭合，在0.2S时开关断开；运行完毕后得定子三相电流如图2.6；得负序电流如图2.7。

图2.6 定子三相电流
图2.7 负序电流
波形分析：断相故障没有特别大的过电流出现，三相出现不平衡电流，意味着有负序电流的产生。

并且很清楚得看到I A=-I B,意味着没有零序电流的出现。

2.2.
3.3 相间短路故障
设置故障模块，0.3S时A，B两相发生相间短路故障，运行完毕后得
定子三相电流如图2.8；得负序电流如图2.9,绕组三相电压如图2.10。

.
图2.8 定子三相电流
图2.9 负序电流
图2.10 绕组三相电压
波形分析：相间短路时，两个故障相的电压量相等，并出现强大的过电流及不平衡电流，即有负序电流产生；但没有零序电流的存在。

2.2.
3.4 单相接地短路
置故障模块，0.3S时A相发生接地短路。

图2.11 定子三相电流
波形分析：在发生单相接地短路后，通过波形图看出并无过电流出现，故障相和非故障相均流过正常负荷电流。

这是因为中性点不接地系统中，发生单相接地故障是，没有短路电流通路的形成，所以无过电流的出现。

2.3 本章小结
电动机的故障形式一般可分为对称故障和不对称故障两大类。

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坏主要是热效应和机械应力，使绕阻发热甚至损坏。

该故障的主要特征是三相仍基本对称，但同时伴有过电流，过电流的程度依据具体故障类型而定。

不对称故障又可进一步分为非接地性不对称故障和接地性不对称故障两类。

（1）非接地性不对称故障，主要包括断相、相间短路，匝间短路及不平衡运行等。

这类故障会引起三相电流不对称。

由于我国电动机的中心点不接地，因此定子电流中可分解为正序和负序分量(零序分量为零)。

有的不平衡故障无明显过流，如断相故障；有的不平衡故障伴有过流发生，还会使绕组发热，如相间短路故障。

（2）接地性不对称故障，包括单相接地短路和两相接地短路。

由于我国电动机中性点不接地，因此在非接地系统中，没有短路电流回路的形成，没有过电流和零序电流的产生，依然正常运行。

据调查发现，异步电机的故障中90%以上是定子绕组因过热损坏，而其中近60%是因断相故障引起不对称故障。

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造成电动机的严重损坏。

3 异步电机保护判据和方法
3.1电流速断保护
电动机的定子绕组或引线的相间短路会产生大的短路电流，可在短时间内烧毁电机，故短路保护装置是瞬时动作，即瞬时断开发生故障的电机动作。

设置电流速断保护，时限可整定为速断或带较短的时限。

本装置速断保护分为两段，其中启动速断为启动中的短路电流保护，这段时间允许有较大的启动电流(启动电流可以整定)，启动完成后自动退出。

另一段速断保护为运行中的短路电流保护，正常运行时任一相电流大于整定值电流，速断保护经整定延时跳闸。

3.2 过负荷保护
过负荷保护是电动机运行过程中电机发热与散热平衡测定，反映定子、转子绕组的平均发热状况，防止电动机过热。

主要保护电动机的对称过负荷及不对称过负荷。

根据电动机的发热和散热特性，在装置中设置一个模拟电动机发热的模型:因为正、负序电流的发热效应不同，用等效电流
221122**eq I k I k I =+ 对描述电机发热，其中，I 1 为正序电流，I 2 为
负序电流，k 1为正序电流发热系数，k 2为负序电流发热系数。

为防止电动机在正常起动过程中误动作，在起动过程中，为躲避电机启动电流取k 1=0.5，起动完成后，取k 1=1.0。

对于k 2的值，为模拟负序电流的增强发热效应，根据经验取k 2=1~8，一般取为6。

过负荷反时限保护模拟电动机的发热积累，当等效电流大于过负荷电流时,电动机开始热量积累，当等效电流小于
过负荷电流时，热积累通过散热逐渐减少。

当热量积累至告警或跳闸整定值时，保护装置报警或跳闸。

电动机的允许过负荷电流积累温度与允许运行时间之间的关系如图3.1所示，整定设计为电动机发热量在时间轴上的积分。

图3.1
电动机有一定的过负荷能力，过负荷电流数值愈大，允许运行时间愈短，反之，允许运行时间愈长，具有反时限特性。

依照热力学理论保护装置动作时间特性方程为: 21212 1.05e e
k t I I k k I I =⎛⎫⎛⎫+- ⎪ ⎪⎝⎭⎝⎭ （3.1）
式（3.1）中:k 为电动机发热时间常数
I 1、I 2:分别为正序电流和负序电流
I e 为电机电机额定电流
k 1、k 2分别为正序电流发热系数和负序电流发热系数
1.05是修正系数。

当过负荷保护动作，电动机跳闸保护后，电动机有一个散热过程，需要等待热量散发到一定程度时，清除过负荷保护标志位，才允许再次合闸。

θ t
而电动机停转后，电动机的散热效果变差，此时散热时间常数应相应延长。

过负荷保护跳闸后，在需要紧急起动电动机的情况下，须按下装置上的复位键，强制清除过负荷保护标志位，方可再次起动。

过负荷热保护发热时间常数T 的整定，按电动机过负荷能力并参照电动机发热时间常数整定。

发热时间常数应由电机厂家提供，若厂家未提供，可考虑用下述方法估算:
（1）如厂家提供了电动机的热限曲线或一组过负荷能力的数字，则可根据式（3.2）
2
2/ln()1
t I T t I =- （3.2） 求出一组后取较小的值。

（2）根据式（3.3）
20
e start t k T T θθ⨯⨯= （3.3） 来求出发热时间常数。

式中:e θ为电动机的额定温升，
0θ为电动机起动时的温升， K 为起动电流倍数; start T 为电动机的起动时间。

（3）由允许堵转时间t 估算
22( 1.05)t i
T K t =- （3.4） 式为i K 为堵转电流倍数。

（4）由电动机的温升值和电流密度估算
2150(1)1.05e M t e e
T J θθθ⨯=⨯-⨯ （3.5） 式中: e θ为电动机定子绕组额定温升;
M θ电动机所采用绝缘材料的极限温升;
e J 为电动机定子绕组额定电流密度。

过负荷报警发热时间常数a T 可整定为过负荷跳闸发热时间常数的70一
80%，对于负荷变化比较频繁的电动机，为避免常发报警，可将过负荷报警发热时间常数整定得高一些。

过负荷散热时间常数sr T 的整定根据电动机的散热条件整定，可按发热时间常数的倍数整定。

3.3 启动时间过长保护
在电动机运行过程中，启动过程电流速断保护是电动机启动过程相间短路的保护，任一相电流大于速断整定值，速断保护切断电机电源。

启动时间过长保护为避免电机因长时间过电流启动造成过热损坏。

正常启动时，电机在一段时间内，流过电机的电流由启动电流逐渐回落正常运行的额定电流，启动过长保护自动退出。

如果超过了电动机启动整定时间，电机电流仍保持着较大的启动电流，启动时间过长保护跳闸。

为避免电机频繁启动，一旦发生了启动时间过长保护，电机不能又立即执行启动操作，而是在经过一段散热延时后，才允许重启电机。

3.4 堵转保护
堵转保护在电动机运行过程中对电动机提供保护，运行过程中出现堵
转，会引起电流急剧增加，定子、转子绕组迅速升温，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。

当电动机出现堵转故障时，其电流接近电动机的起动电流，堵转有别于电动机的起动状况。

在起动状况下，电动机的起动电流一般随起动时间逐渐减少，而发生堵转时，电动机的电流一般是呈上升趋势。

堵转保护电流的整定可按电动机铭牌堵转电流的一半整定，一般取2.5Ie，堵转保护时间的整定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0.9倍。

3.5 零序保护
零序保护为电动机接地故障提供保护，保护用零序取自零序电流专用零序CT。

我国3KV、6KV、10KV电网大多数中性点一般不接地或经消弧线圈接地的系统，其定子单相接地主要由绝缘损坏引起，其零序电流主要为电容电流，接地点的电流小，不是短路电流，因此这种系统中电动机零序电流保护通常只需发出接地信号，不跳闸。

变压器中性点不接地系统中电动机零序电流保护的动作电流I0的整定原则是:当本电动机外部(指电机端电流互感器以外)电网中任一地点发生单相接地时，本电动机的零序电流保护不动作。

本电动机定子绕组单相接地故障时，本电动机零序电流保护发出接地信号并报警。

我国380V低压电网为变压器中性点直接接地的电网，少数3KV、6KV、10KV电网是变压器中性点经高电阻接地的电网。

在这些电网中的电动机定子绕组或引出线单相接地故障时，有短路电流，要求电动机的零序电流保护动作于跳闸，其动作电流I0的整定计算原则为:躲开电动机在起动过程中由于三相电流不完全对称而出现的三倍不平衡零序电流。

按此原则整定的I0值较小，大约不超过2—2.5A，很难躲开电动机绕组或引出线相间短路时所出现的三倍不平衡零序电流，则可考虑将零序电。