基于單片機(jī)的微機(jī)保護(hù)裝置(編輯修改稿)

　

【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 負(fù)序 過(guò)電流保護(hù)、 欠壓 保護(hù)、堵轉(zhuǎn)保護(hù)等主要功能。 （ 3）通信功能 選擇合適的通信方式，實(shí)現(xiàn)與上位機(jī) 及時(shí)、準(zhǔn)確的傳送報(bào)警數(shù)據(jù)，同時(shí)能接收上位機(jī)控制指令。 本論文的主要工作內(nèi)容如下 ： (1)對(duì)電動(dòng)機(jī)保護(hù)原理和保護(hù)算法進(jìn)行深入分析研究，對(duì)保護(hù)判據(jù)了進(jìn)一步優(yōu)化。同時(shí)完善了保護(hù)裝置的保護(hù)功能。應(yīng)用對(duì)稱(chēng)分量法對(duì)高壓電動(dòng)機(jī)的各種故障進(jìn)行分析，把高壓電動(dòng)機(jī)的故障分為對(duì)稱(chēng)故障和不對(duì)稱(chēng)故障，采用電動(dòng)機(jī)定子過(guò)電流程度和電流的負(fù)序分量作為故障判據(jù)。算法方面，對(duì)三采樣法、全周波傅式算法、均方根值進(jìn)行了研究。采用全周波傅式算法既能抗干擾又能滿足裝置對(duì)測(cè)量的要求，在設(shè)計(jì)的裝置中采用了該方法，達(dá)到了預(yù)期的目的 ； (2)經(jīng)過(guò)對(duì)各種類(lèi)型處 理芯片的綜合比較采用 80C196 處理芯片，完成對(duì)微機(jī)電動(dòng)機(jī)保護(hù)硬件系統(tǒng)和總體方案設(shè)的設(shè)計(jì)。保證裝置的整體抗干擾優(yōu)山東科技大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 緒論 11 良，為人機(jī)界面提供硬件支持，解決硬件可靠性問(wèn)題 ； (3)在高壓電動(dòng)機(jī)早期故障診斷方面，提出了一種基于小波變換的針對(duì)非平穩(wěn)故障信號(hào)的消噪方法，仿真結(jié)果表明小波變換理論非常適合于突變信號(hào)或非平穩(wěn)信號(hào)的消噪，該方法不僅可以消除噪聲，更重要的是可以將突變信號(hào)保留下來(lái)，而突變信號(hào)中極有可能包含故障的早期特性，這為早發(fā)現(xiàn)故障贏得了時(shí)間，一定程度上提高了被保護(hù)對(duì)象的安全性 ； (4)基于對(duì)設(shè)備運(yùn)行現(xiàn)場(chǎng)干擾情況的考 慮，本文從裝置的軟件、硬件兩方面針對(duì)抗干擾作了分析，提出了軟件、硬件應(yīng)該采取的措施。這些方法和措施在抗干擾試驗(yàn)中證明是有效的，加強(qiáng)了保護(hù)裝置自身穩(wěn)定運(yùn)行的可靠性。 山東科技大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 大型電動(dòng)機(jī)保護(hù)方法研究 12 2 大型電動(dòng)機(jī)保護(hù)方法研究 高壓電動(dòng)機(jī)的應(yīng)用幾乎涵蓋了工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和人類(lèi)生活的各個(gè)領(lǐng)域，在這些應(yīng)用 領(lǐng)域中電動(dòng)機(jī)常常運(yùn)行在環(huán)境惡劣的場(chǎng)合 (如高溫、高濕、塵埃、腐蝕等 )，導(dǎo)致電動(dòng)機(jī)的過(guò)流、短路、斷相、絕緣老化等事故頻發(fā)，據(jù)調(diào)查全國(guó)約有 20%的電機(jī)因故障被燒毀，近 30%的電動(dòng)機(jī)帶缺陷運(yùn)行，給正常生活和日常維護(hù)造成沉重負(fù)擔(dān)，特別是高壓電動(dòng)機(jī)，大功率電動(dòng) 機(jī)容量大，不僅造價(jià)高，更因?yàn)橥际菓?yīng)用于大型工業(yè)設(shè)備的重要場(chǎng)合，一旦發(fā)生故障所造成的直接或間接經(jīng)濟(jì)損失更為慘重。因而對(duì)大 型電動(dòng)機(jī)的保護(hù)問(wèn)題被人們廣為高度重視。 在本章的后面幾節(jié)中，對(duì)電動(dòng)機(jī)的故障特征及電動(dòng)機(jī)常見(jiàn)的故障和不正常運(yùn)行方式進(jìn)行分析并給出保護(hù)裝置具體實(shí)現(xiàn)的方法。 電動(dòng)機(jī)常見(jiàn)的故障 電動(dòng)機(jī)常見(jiàn)的故障可分為對(duì)稱(chēng)故障與不對(duì)稱(chēng)故障兩大類(lèi)。對(duì)稱(chēng)故障包括過(guò)載、堵轉(zhuǎn)和三相短路等，這類(lèi)故障對(duì)電動(dòng)機(jī)的損害主要是熱效應(yīng)，使繞組發(fā)熱甚至損壞。此類(lèi)故障明顯特征是電流幅值的顯著變化。不對(duì)稱(chēng)故障有 ： 斷相、逆相、相間短路 、匝間短路等。這類(lèi)故障是電動(dòng)機(jī)運(yùn)行中最常見(jiàn)的一類(lèi)故障，不對(duì)稱(chēng)故障對(duì)電動(dòng)機(jī)的損害不僅僅是引起發(fā)熱，更重要的是不對(duì)稱(chēng)引起的負(fù)序效應(yīng)能造成電動(dòng)機(jī)的嚴(yán)重?fù)p壞。此類(lèi)故障明顯特征是電機(jī)電流出現(xiàn)負(fù)序電流和零序電流。電動(dòng)機(jī)在發(fā)生不對(duì)稱(chēng)故障時(shí)，應(yīng)用對(duì)稱(chēng)分量法可將三相電流分解為正序、負(fù)序和零序分量。電動(dòng)機(jī)在正常運(yùn)行時(shí)負(fù)序和零序分量沒(méi)有或很小，旦發(fā)生不對(duì)稱(chēng)故障則將會(huì)大幅值出現(xiàn)，因此通過(guò)檢測(cè)過(guò)流幅值、負(fù)序和零序電流分量、電流不平衡率，母線電壓山東科技大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 大型電動(dòng)機(jī)保護(hù)方法研究 13 為基礎(chǔ)的故障判據(jù)具有很高的靈敏度和可靠性。 短路保護(hù) 電動(dòng)機(jī)的短路故障是比較嚴(yán)重的一 種故障，危害性很大，在進(jìn)行短路保護(hù)時(shí)，即要避開(kāi)起動(dòng)電流，同時(shí)保護(hù)裝置應(yīng)是電流速斷保護(hù)。當(dāng)電動(dòng)機(jī)定子繞組短路時(shí)，由于短路而產(chǎn)生的短路電流不僅會(huì)使繞組的絕緣破壞，導(dǎo)致電動(dòng)機(jī)損壞，而且會(huì)導(dǎo)致供電電網(wǎng)電壓下降，從而影響其它用電設(shè)備的正常運(yùn)行。因此必須要裝配有短路保護(hù)裝置。本文相電流速斷保護(hù)是裝置通過(guò)檢測(cè)電動(dòng)機(jī) A、 B、 C 三相工作電流的最大值，算法上能夠自動(dòng)判別電動(dòng)機(jī)是起動(dòng)時(shí)間內(nèi)還是在起動(dòng)時(shí)間后，起動(dòng)時(shí)間內(nèi)和起動(dòng)時(shí)間后的速斷值可分別整定，從而可有效地躲過(guò)電動(dòng)機(jī)的起動(dòng)電流，保護(hù)裝置在判斷電動(dòng)機(jī)電流值大于 速斷保護(hù)的整定值后 ，立即動(dòng)作，跳開(kāi)電動(dòng)機(jī)。 相電流速斷保護(hù)整定原則 ISQ=K1IS I1=K2Ie 其中 :ISQ— 速斷動(dòng)作電流高值 (電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)過(guò)程中速斷電流動(dòng)作值 )(A) IS— 電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)電流最大值； Ie— 電動(dòng)機(jī)額定電流； I1— 電動(dòng)機(jī)速斷電流； K1 為安全系數(shù)，一般在 ~ 范圍內(nèi)取值。 K2 為過(guò)電流倍數(shù)，一般在 2~9 范圍內(nèi)取值。 相電流速斷保護(hù)動(dòng)作判劇 IMAX=MAX(Ia,Ib,Ic) 即 IMAX≥ ISQ 在電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)過(guò)程中 IMAX≥ I1 在電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)結(jié)束后 t≥ t1 山東科技大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 大型電動(dòng)機(jī)保護(hù)方法研究 14 式中， IMAX： A、 B、 C 相電流 (Ia， Ib， Ic)最大值 (A)。 ISQ： 速斷動(dòng)作電流高值 (電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)過(guò)程中速斷電流動(dòng)作值 )(A)。 I1： 速斷動(dòng)作電流低值 (電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)結(jié)束后速斷電流動(dòng)作值 )(A)。 t： 整定的速斷保護(hù)動(dòng)作 時(shí)限 ms。 欠壓保護(hù) 當(dāng)供電系統(tǒng)出現(xiàn)短路故障，導(dǎo)致電壓降低或電壓消失時(shí)，電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩急劇下降。在電壓恢復(fù)電動(dòng)機(jī)自起動(dòng)時(shí)，將有數(shù)倍于額定值的大電流流過(guò)電動(dòng)機(jī)，使電網(wǎng)電壓降低，同時(shí)電動(dòng)機(jī)端電壓也降低，造成電動(dòng)機(jī)起動(dòng)困難或根本不能自起動(dòng)。另外如果供電電壓恢復(fù)的較慢，則電動(dòng)機(jī)長(zhǎng)期處于起動(dòng)狀態(tài)，此時(shí)，電動(dòng)機(jī) 或配電系統(tǒng)均受相當(dāng)大的起動(dòng)電流作用，這時(shí)在長(zhǎng)時(shí)間的起動(dòng)電流作用下，會(huì)導(dǎo)致絕緣過(guò)熱甚至損壞。由此可見(jiàn)，為減少供電系統(tǒng)的電壓降，保證重要電動(dòng)機(jī)自起動(dòng)，保障電動(dòng)機(jī)的安全，應(yīng)設(shè)置欠壓保護(hù)，切除不重要電動(dòng)機(jī)和根據(jù)生產(chǎn)過(guò)程及技術(shù)保安條件要求不允許自起動(dòng)的電動(dòng)機(jī)。這樣當(dāng)供電系統(tǒng)恢復(fù)正常時(shí)，可保證一部份有必要自起動(dòng)的電動(dòng)機(jī)順利起動(dòng)，同時(shí)可人工控制各電動(dòng)機(jī)的先后起動(dòng)順序，使電動(dòng)機(jī)的起動(dòng)電流先后錯(cuò)開(kāi)，保持供電系統(tǒng)穩(wěn)定。 欠壓保護(hù)的裝設(shè)原則 (l)對(duì)于能自動(dòng)起動(dòng)的重要電動(dòng)機(jī)，不裝設(shè)低壓保護(hù) ： 但當(dāng)裝有自動(dòng)投入裝置的備用機(jī) 械設(shè)備時(shí)，為滿足聯(lián)動(dòng)投入的要求，應(yīng)裝設(shè)帶 10 秒時(shí)限跳閘的低電壓保護(hù)。 (2)為了保證重要電動(dòng)機(jī)的自起動(dòng)，在其它的電動(dòng)機(jī)上應(yīng)裝設(shè)帶 秒時(shí)限跳閘的低壓保護(hù)。 (3)當(dāng)電源電壓長(zhǎng)時(shí)間降低或中斷時(shí)，根據(jù)生產(chǎn)工藝過(guò)程和技術(shù)保安條件等要求不允許自起動(dòng)的電動(dòng)機(jī)，應(yīng)裝設(shè)帶 10 秒時(shí)限跳閘的低壓保護(hù)。 山東科技大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 大型電動(dòng)機(jī)保護(hù)方法研究 15 由上分析可見(jiàn)，一般對(duì)比較重要的電動(dòng)機(jī)，為提高工作的可靠性，允許電壓降低或消失后又恢復(fù)供電時(shí)自起動(dòng)，對(duì)這一類(lèi)電動(dòng)機(jī)一般不設(shè)置欠壓保護(hù)。 欠壓保護(hù)整定 在阻力轉(zhuǎn)矩一定的情況下，當(dāng)供電電壓降低到足以引起電動(dòng)機(jī)制動(dòng)時(shí)的電壓 稱(chēng)為臨界電壓。此時(shí)欠壓保護(hù)應(yīng)能反應(yīng)并將電動(dòng)機(jī)切開(kāi)。根據(jù)規(guī)程規(guī)定，低壓保護(hù)的動(dòng)作電壓，對(duì)不重要的電動(dòng)機(jī)取 ，延時(shí)時(shí)間為 ：對(duì)重要電動(dòng)機(jī)取 ，延時(shí)時(shí)間為 10s(U e 為二次額定電壓 )。 本文裝置通過(guò)測(cè)量電動(dòng)機(jī)母線電壓來(lái)實(shí)現(xiàn)欠壓保護(hù)，當(dāng)電動(dòng)機(jī)母線電壓降低到整定動(dòng)作值 U 欠 以下，且時(shí)間大于整定值 t 欠 時(shí)，進(jìn)行跳閘保護(hù)。 (1)欠壓保護(hù)動(dòng)作值 U 欠 整定范圍： 10~90V，級(jí)差 ； (2)欠壓保護(hù)動(dòng)作時(shí)間 t 欠 整定范圍： ，級(jí)差 。 堵轉(zhuǎn)保護(hù) 電動(dòng)機(jī)因機(jī)械原因、負(fù)荷過(guò)大等 原因造成轉(zhuǎn)子被卡死或低速運(yùn)轉(zhuǎn)會(huì)造成過(guò)熱而危及電機(jī)，必須予以切除。 堵 轉(zhuǎn) 保 護(hù) 投 入運(yùn) 行 過(guò) 程 中 I a≥ I1 3 I a≥ I1 3 I a≥ I1 3≥ 1amp。 T1 3 圖 電動(dòng)機(jī)堵轉(zhuǎn)保護(hù)邏輯圖 山東科技大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 大型電動(dòng)機(jī)保護(hù)方法研究 16 I13 為堵轉(zhuǎn)電流定值； T13 為堵轉(zhuǎn)時(shí)間定值。 堵轉(zhuǎn)保護(hù)邏輯圖如圖 ： 在啟動(dòng)情況下，電動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)電流一般隨啟動(dòng)時(shí)間逐漸減少 ； 而發(fā)生堵轉(zhuǎn)時(shí)，電動(dòng)機(jī)的電流一般是呈上升趨勢(shì)。電動(dòng)機(jī)處于堵轉(zhuǎn)狀態(tài)下允許的時(shí)間很短，堵轉(zhuǎn)保護(hù)采用短時(shí)限保護(hù)。保護(hù)裝置應(yīng)能可靠地區(qū)分電動(dòng)機(jī)的正常運(yùn)行和堵轉(zhuǎn)。啟動(dòng)過(guò)程中出現(xiàn)堵轉(zhuǎn)，由啟動(dòng)時(shí)間過(guò)長(zhǎng)保護(hù)提供保護(hù) ；運(yùn)行過(guò)程中出現(xiàn)堵轉(zhuǎn)，會(huì)引起電流 劇增，當(dāng)電動(dòng)機(jī)的任一相電流超過(guò)堵轉(zhuǎn)電流整定值 I1，并達(dá)到堵轉(zhuǎn)整定時(shí)限時(shí)，本保護(hù)動(dòng)作作用于出口跳閘。在一定意義上，堵轉(zhuǎn)保護(hù)可作為電動(dòng)機(jī)運(yùn)行過(guò)程中短路保護(hù)的后備保護(hù)。堵轉(zhuǎn)保護(hù)電流 I13 可按電動(dòng)機(jī)銘牌堵轉(zhuǎn)電流的一半整定 ； 保護(hù)時(shí)間不，可參考電動(dòng)機(jī)的允許堵轉(zhuǎn)時(shí)間整定，一般整定為允許堵轉(zhuǎn)時(shí)間的 倍。 負(fù)序過(guò)電流保護(hù) 負(fù)序保護(hù)所針對(duì)各類(lèi)非接地性不對(duì)稱(chēng)故障，如斷相、不平衡運(yùn)行、局部匝間短路等。應(yīng)用對(duì)稱(chēng)分量，可以分析各種故障下的負(fù)序電流。以下以斷相為例進(jìn)行分析。電動(dòng)機(jī)斷相故障主要兩大類(lèi)情況如下圖： 圖 型 接法三相異步電動(dòng)機(jī) A 相斷開(kāi) 山東科技大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 大型電動(dòng)機(jī)保護(hù)方法研究 17 對(duì)于電動(dòng)機(jī)斷相而言，繞組斷相表現(xiàn)較為復(fù)雜。由于電動(dòng)機(jī)繞組接法有 Y 形和△形接法兩種，故其斷相表現(xiàn)有所不同。對(duì)于 Y 形接法的電動(dòng)機(jī)，主回路的任一處斷相可根據(jù)線電流來(lái)判斷 ； 對(duì)于△形接法的電動(dòng)機(jī)，若在繞組中出現(xiàn)斷相，則只能根據(jù)三相電流的不對(duì)稱(chēng)來(lái)判斷了。由對(duì)稱(chēng)分量法分析，當(dāng)電動(dòng)機(jī)發(fā)生斷相等不對(duì)稱(chēng)故障時(shí)，定子電流可分解出負(fù)序電流分量，該電流的取值決定于電動(dòng)機(jī)的負(fù)序阻抗對(duì)正序阻抗的比值，負(fù)序電流會(huì)使電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子繞組中產(chǎn)生 2 倍工頻的單相交流電流，造成電動(dòng)機(jī)機(jī)端過(guò)熱，轉(zhuǎn)子振動(dòng) ； 另 外，電動(dòng)機(jī)斷相運(yùn)行時(shí)由于負(fù)序磁場(chǎng)的存在，基波旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)質(zhì)量變差，機(jī)能、能量轉(zhuǎn)換能力降低。設(shè) Y 形接法三相異步電動(dòng)機(jī)A 相斷開(kāi)，如圖 所示。電源電壓雖對(duì)稱(chēng)，但由于斷線處出現(xiàn)電壓△ U，所以在電動(dòng)機(jī)端點(diǎn) A、 B、 C 處三相電壓是不對(duì)稱(chēng)的，電動(dòng)機(jī)負(fù)載越大，斷相時(shí)電壓的不對(duì)稱(chēng)程度越大。 圖 △接法三相異步電動(dòng)機(jī) A 相斷開(kāi) △接法三相異步電動(dòng)機(jī)繞組斷開(kāi) 圖 A繞組 斷開(kāi)正序阻抗等效圖 圖 A繞組 斷負(fù)序阻抗等效圖 山東科技大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 大型電動(dòng)機(jī)保護(hù)方法研究 18 應(yīng)用對(duì)稱(chēng)分量法得出 A 相斷開(kāi)后的三相異步電動(dòng)機(jī)正、負(fù)序相阻抗等效電路如圖 ， 所示 圖 中 rl 代表定子繞組的電阻， jx1 代表定子繞組的漏抗； rm 代表與定子鐵芯損耗相對(duì)應(yīng)的等效電阻 (有功損耗 )， jxm 代表與主磁通相對(duì)應(yīng)的 鐵芯的電抗： sr2 ， jx2 代表折算到定子邊的轉(zhuǎn)子繞組電抗和漏抗； 圖 中， 39。1r 代表定子繞組的電阻， j 39。1x 代表定子繞組的漏抗； rm 代表與定子鐵芯損耗相對(duì)應(yīng)的等效電阻 (有功損耗 )， j xm 代表與主磁通相對(duì)應(yīng)的鐵芯的電抗； 39。39。2 )2( sr jx39。2 代表折算到定子邊的轉(zhuǎn)子繞組電抗和漏抗； 在不計(jì)磁路飽和的影響下，電動(dòng)機(jī) 的運(yùn)行可看成是在正序?qū)ΨQ(chēng)電壓和負(fù)序?qū)ΨQ(chēng)電壓分別作用下運(yùn)行的疊加，疊加圖如圖 ： 在正、負(fù)序電壓作用下產(chǎn)生各序相應(yīng)的電流、功率及其轉(zhuǎn)矩，而綜合轉(zhuǎn)矩 M 是在序轉(zhuǎn)矩 Ml 和負(fù)序轉(zhuǎn)矩 M2 的合成。 M=M1M2 由于電動(dòng)機(jī)正常運(yùn)行中，轉(zhuǎn)差率 S 很小，則正序阻抗 Z+遠(yuǎn)小于負(fù)序阻抗 Z，即負(fù)序電壓很小也會(huì)引起大的負(fù)序電流。負(fù)序電流產(chǎn)生的負(fù)序轉(zhuǎn)矩為制動(dòng)轉(zhuǎn)矩，使輸出轉(zhuǎn)矩和功率減小，在負(fù)載不變情況下，引起電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速下降，非故障相電流增大，引起繞組過(guò)熱而燒毀電動(dòng)機(jī)。另一方面，在三相電壓不平衡時(shí)，三相感應(yīng)電動(dòng)機(jī)的負(fù)序阻抗與其啟動(dòng)期間的 阻抗相似，而此時(shí)在不平衡電源上運(yùn)行的電動(dòng)機(jī)將產(chǎn)生不平衡電流，所引起的線電流不平衡為線電壓不平衡的數(shù)倍，三相電流可能明顯地不同，而且電流較大的那一相中加重的發(fā)熱將使電動(dòng)機(jī)的溫升加劇，最嚴(yán)重的不平衡形式是一相斷路，這種情況將會(huì)很快導(dǎo)致電動(dòng)機(jī)燒毀，所以保護(hù)裝置要有不平衡 (斷相 )保護(hù)功能。山東科技大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 大型電動(dòng)機(jī)保護(hù)方法研究 19 斷相電流特性分析 如圖 ，對(duì) Y 形接法，設(shè) A 相斷開(kāi)，流入電動(dòng)機(jī)的電流為： ????????0II0CBA。I () 應(yīng)用三相對(duì)稱(chēng)分量法：????