电机差动保护

大容量电动机微机差动保护装置研究

1 引言

电动机差动保护主要用于大型电动机(2000kVA以上)的内部短路保护。在电动机运行中采用的常规保护是电流速断保护，为了躲过电动机的起动电流，其速断整定值往往比额定电流大很多，因而灵敏度较低，对电动机内部故障保护区很小。为了提高保护灵敏度，对于大容量或重要电动机，均采用差动保护。以往差动保护主要采用电磁型差动继电器，不仅灵敏度低、精度差，而且难以适应电力系统综合自动化的要求。进入90年代，随着微机在电力系统中的不断普及和发展，国内外都在研究微机型电动机差动保护装置，以充分发挥微机监测精度高、功能全等特点，同时也可满足电力系统发展的需要。

2 差动保护基本原理及动作判据

2.1 基本保护原理

所谓差动就是比较被保护元件各端电流的幅值和相位，对电动机来说，可在其一相绕组两端分别装设特性和变比完全相同的电流互感器(见图1)，且规定一次侧电流I1和I′1的正方向为由线路流向电动机的方向，则二次侧电流为

2=1/n

′2=′1/n

′d=2-′2

式中 n——电流互感器变比

图1 电动机差动保护原理图

2、′2——两电流互感器二次侧电流

d——差动电流

当电动机正常运行或外部故障时，流入电动机一相绕组上的两个电流互感器的电流大小、相位均相同。在不考虑电流互感器励磁电流影响时有

1=′1

2=′2

d=2-′2=0

所以差动保护不起作用。

当保护范围内部故障时，假设图1中A相绕组在d点发生短路故障，则在d点两侧均有电流流向短路点，且幅值、相位均不相同，于是有

1≠′1

2≠′2

d=2-′2≠0

差动保护起作用。

由上述分析可得如下结论：

(1)差动保护对电动机外部故障不起作用，只保护内部故障。

(2)理想情况下差动保护动作判据为｜d｜≠0。

2.2 差动保护动作判据分析

在实际情况下，能否直接采用上述结论呢不能。因为保护所选用的电流互感器，即使型号相同，标称变比相等，其励磁特性也不可能完全相同，从而产生不平衡电流。

(1)稳态不平衡电流当考虑电流互感器励磁电流时，有

2=(1-L)/n

′2=(′1-′L)/n

d=(′L-L)/n≠0

式中L，′L——两电流互感器励磁电流

(2)暂态不平衡电流差动保护是瞬时动作的，在外部短路暂态过程中，一次侧短路电流中包含有非周期分量，由于它对时间的变率远小于周期分量的变率，很难变换到二次侧，大部分成为电流互感器的励磁电流，这将使不平衡电流大为增加。

为此，欲使差动保护可靠、正确，差动起动电流必须躲过最大不平衡电流。本文采用比率差动算法，动作判据为

｜d｜≥set｜d｜≥K.｜∑｜

式中

d=2-′2

∑=(2+′2)/2

set——差动保护起动电流

K——比率制动系数

当上述两判据同时满足时，差动保护动作。

3 微机差动保护装置硬件设计

根据上述差动保护原理及要求，采用两相式保护，硬件原理框图如图2所示。主要包括主控模块、键控显示模块、数据采集模块、抗干扰模块及跳闸出口控制模块等。

图2 微机差动保护装置硬件框图

3.1 主控模块

主要采用MCS-51系列单片机系统，完成键盘中断响应，数据采集、运算、处理及结果显示，报警、保护信号输出等功能。当今国内十六位单片机(如8096、80196)已很普及，而本装置采用八位单片机(8751、8752) ，主要原因如下：

(1)目前国内十六位单片机中内置程序存储器的很少，若采用十六位单片机，必须外扩程序存储器，不仅电路复杂，而且因程序地址线、数据线外露，抗干扰能力大大降低。而大容量电动机工作环境为高压大电流，电网冲击、电磁干扰、粉尘污染等都很严重，尽管可以采取软硬件Watch-dog 等防护措施，但若程序频繁“跑飞”，装置仍将难以正常工作。而八位单片机中程序存储器内置式芯片(8751、8752等)则很普遍，实践证明，程序内置后在CPU读取指令时，因不和外部打交道，抗干扰能力大幅度提高。

(2)十六位单片机内置4路或8路十位A/D转换器，虽可以满足一般保护的精度要求，且电路简单，但本装置不仅要起保护作用，而且要具有现场监测功能，所以对数据采集的精度要求较高，必须外

接A/D转换器。

本装置采用了程序存储器内置式CPU芯片，不仅使电路简单、成本降低，而且使主控模块的安全性、可靠性大大提高。

3.2 键控显示模块

键控显示模块由通用的可编程序的键盘、显示接口器件8279芯片及数码管显示器、键盘等组成。8279芯片功能包括键盘输入和显示输出两部分，均采用动态扫描方式。键盘主要负责各保护参数的置入和修改。显示器可显示监测数据，如两相电流、差动电流等。为便于技术人员检修故障，在装置面板上设置了6个发光二极管分别显示A相或C相差动保护、装置内各直流电源(如+5V、+12V)状态等。

3.3 数据采集模块

数据采集模块由交流信号调理电路和A/D转换电路组成。交流信号调理电路由高品质运放MC1 558等组成，主要功能：①将A、C相四路电流互感器输出的电流信号转为电压信号以便进行模数转换。②通过运放实现d及∑计算。③采用二阶有源滤波器对各路交流信号进行有源滤波。装置采用交流直接采样方法以保证实时性要求，而现场电磁干扰严重，在交流信号上有高频信号叠加，为此，采用有源滤波器滤波，将高频干扰信号消除。A/D转换电路将各路模拟信号转为数字信号，供CPU

运算、处理。为保证装置监测精度，A/D芯片选用十二位高速A/D转换器(AD574)，其转换精度高，相对误差约四千分之一，且转换速度快，可达25μs/次。

3.4 抗干扰模块

由于装置工作环境恶劣，干扰可能袭击装置各个环节，主要有以下途径：①电网冲击和空间电磁干扰可通过直流电源使CPU或8279失控而发生系统自锁或键盘、显示失灵。②设备接地等故障时大电流干扰通过电流互感器负方窜入保护装置，并叠加在模拟地上，以致于数字地“悬浮”，装置失控。③空间电磁干扰可通过交流回路进入装置，造成采样误差。④电机起动时由于暂态过程复杂，导致装置误判、误动。为保证装置在实际运行时可靠工作，还采取了以下措施：①选用MAXIM公司芯片706P构成“看门狗”电路，该芯片不仅具有电源监测功能，还有一看门狗定时器，可防止程序“跑飞”或系统“死机”。②将系统模拟地与数字地分开布线，并在直流电源入口处会合。从而使模拟地上叠加的干扰信号直接流回电源，避免数字电路受干扰。

4 软件设计

根据保护原理，微机差动保护装置工作过程为：在电机起动后，即实时采集A相电流、C相电流、d及∑，并根据保护判据进行判断。保护条件满足，则出口跳闸，并循环显示故障时电流值，且将故障电流存入E2PROM，供分析用。若保护条件不满足，则循环显示实时电流值，并继续采集判断。软件流程框图如图3所示。

图3 软件流程框图

为使保护装置可靠工作，在软件抗干扰方面主要采取了以下措施：①现场录波表明，在电机起动过程中，整个波形上偏或下偏，所以各相电流中不仅包含高次谐波，还有直流分量。若采用单边峰值计算法，正常运行时虽可保证一定的测量精度，但起动或故障时可能会产生较大的测量误差，导致误动或拒动。所以本装置中采用峰-峰值计算法，以消除暂态时测量误差。②除通过硬件运放得到d和∑外，软件中也同时根据每相电流计算得到d和∑，当软硬件计算结果均满足保护条件时，保护动作。

5 总结

电动机微机差动保护装置采用了单片机系统设计，软硬件设计中在各个环节上均充分考虑了现场恶劣环境所造成的干扰，设计方案不断改进、完善。经例行试验及现场运行近两年证明，该装置