关键词 异步电动机 智能化保护 时差与移相算法
分类号 TM77
Research on Unified Intelligent Protection with Microcomputer for Medium and Small-Sized Asynchronous Motors
Yao Jiangang，Liu Juemin，Liu Guangye
(Department of Electrical Engineering of Hu''nan University，Changsha 410082,China)
Abstract based on analyzing the fault characteristics of the asynchronous motors and using symmetrical components method an algorithm of time difference and shifting phasor is adopted to detect intelligently the current amplitude of positive,negative and zero-sequence currents.With the proposed method,automatic diagnosis of most common faults for medium and small-sized asynchronous motors can be realized.This method will have vast application prospect.
Keywords asynchronous motor； unified intelligent protection； algorithm of time difference and shifting phasor
中小型异步电动机的使用遍布城乡，尤其是火力发电厂、矿井、石化企业所使用的中小型异步电动机的数量多，且运行在高温、高湿、灰尘多的工况条件下，容易出现堵转、短路、断相、绕组绝缘损坏等故障。目前，我国中小型异步电动机的保护一般采用电磁型或热继电器型的过流保护。这类保护主要以电流增大作为故障判据，对于断相、不平衡运行等不对称故障不能及时有效地保护；对匝间短路、接地等故障反应不灵敏，常常出现保护尚未动作，电动机已烧损的现象，造成异步电动机损坏数量多，维修工作量大，直接和间接经济损失巨大。本文旨在研究应用以MCS-51(8031)单片机为CPU的中小型异步电动机微机智能型保护装置。该装置具有显著的优点。其一，采用8031作CPU，并尽量简化了装置硬件结构，使装置的成本低、小型化、集成度高。并能以软件取代硬件，每当增加功能或满足用户不同需要时，修改软件即可。因此，该装置具有很高的性能价格比，能适应市场竞争。其二，8031具有足够快的处理数据能力和逻辑判断功能，能实时反应电动机的运行特性，能根据故障参数分析判断故障性质，予以适时跳闸。其三，若异步电动机群构成系统，该装置可与上位机和调节系统通信，实现遥测、遥控及自动调节负载，使整个系统处于最佳运行状态。
1 保护原理
1.1 过流保护
过流保护所针对的故障是各类短路故障及热过载，保护特性分别为短路速断和过载反时限。过流保护实际是通过电流幅值模拟电机的发热，在考虑了负序电流对异步电动机的转子槽所产生的显著的集肤效应的发热影响后，过流保护的等值电流Ig的计算表达式为：
(1)
式中 K为负序电流发热系数，取值在3～6之间。
中型异步电动机的过流保护可采用过流反时限特性，反时限特性方程为：
(2)
式中 Is为保护整定动作电流，KT为可调参数，用于拟合电动机的实际保护特性。
对小型异步电动机可采用过流定时限保护。为防止电动机起动时保护误动作，可根据不同类型的异步电动机的起动特性确定起动电流和允许起动时间(一般起动电流Iq为4～6Ic)。
为便于说明，本文采用经简化后的小型异步电动机的过流保护的动作时限，如表1。
表1 过流保护的动作时限
负序保护能反映局部匝间短路之类的故障，但负序保护的整定应能避开电源电压不对称所形成的负序电流。以正序电流为基准，由电源电压不对称引起的负序电流的标么值为：
(3)
式中 β=U2/Uc，为电压不对称系数；kQ为起动电流倍数。
一般kQ=6,且要求β≤5%，故电动机负序保护应能躲过此负序电流，即Idz2按0.3Ic整定。
1.3 零序保护
对于中小型异步电动机，当按对称分量法计算得到的I0≥Idz0(Idz0按躲开电动机本身电容电流整定)时，即可判断为绝缘破损或其他因素导致的接地故障，意味着存在漏电隐患，特别是当中性点直接接地的TN-C配电系统的零线断脱时将导致严重的人身安全事故，应在发出报警信号的同时，于0.05 s内跳闸。
1.4 故障处理程序(如图1)
图1 故障自处理程序
2 硬件设计
总的设计过程为：将从TA采集到的电流量，经输入变换部分(变流器LH及电流-电压变换器)，转化为合适电平，再输入到A/D转换部分，形成数字最后进入8031，经过数据处理后控制各输出口的输出，总的结构硬件框图如图2所示。
图2 异步电动机保护硬件框图
该装置由数据采集系统、CPU系统、键盘和显示系统、报警和继电器驱动系统所组成。数据采集系统包括模拟输入变换、前置模拟低通滤波和采样及A/D转换三部分。采样总是按一定的频率(本设计为600 Hz)工作的，为了满足采样定理，必须限制输入信号的最高频率。也就是说，必须给予输入信号一定的带限。本设计采用二阶RC无源低通滤波器。它的优点在于：结构简单，可靠性高，能耐受较大的过载和浪涌冲击。其传递函数为：
H(s)=1/(1+SRC)2
(4)
式中 取R=4.3 kΩ， C=0.1 μF, 则fc=1/RC=233 Hz，满足 2fc=233×2 Hz=466 Hz<fs=600 Hz。
本设计采用8031作CPU，晶振频率为12 MHz。采用电平方式开关复位电路，选用一片2764EPROM器件来保存程序和常数，占用低地址8 k空间，地址分配为0000H～1FFFH，选用1片2816AEEPROM器件来存放定值和不经常修改的常数，占2 k空间，地址分配为2000H～27FFH。为防止不测故障或干扰误写EEPROM，设置开关K2，K2拨至“整定”位置，在上述空间的EEPROM可读可写；当K2拨至“运行”位置，则禁止对其进行操作。
3 算法及其软件设计
3.1 时差与移相算法
经数字滤波后，当输入信号为I，在时刻K要得到一个滞后的α角的电流I′=Ie-jα，只需要在滞后时刻K一个时间间隔Δt=α/ω取值，即为所要求的I′在时刻K的瞬时值。同样，要取超前α角的值，可取时刻K以前的一个时间间隔Δt=α/ω的值，即为时刻(K-Δt)时的瞬时值。
当α等于与采样周期Ts对应的整数倍n时，上述关系可表示为：
I′(K)=I(k+n)
(5)
αn=nωTs=(2π/N)n (N为每周期采样点数)。
3.2 各序分量的计算
当a≤120°时，由对称分量法得
I1=(Ia+aIb+a2Ic)/3
I2=(Ia+a2Ib+aIc)/3
I0=(Ia+Ib+Ic)/3。
(6)
本设计每周期采样12点，采样间隔为π/6。应用上述移相算法，可分别求得正序、负序与零序在离散采样情况下的表达式为：
I1(k)=［Ia(k)+Ib(k-8)+Ic(k-4)］/3
I2(k)=［Ia(k)+Ib(k-4)+Ic(k-8)］/3
I0(k)=［Ia(k)+Ib(k)+Ic(k)］/3
(7)
此时，数据窗宽为2/3N+1。
3.3 软件设计
软件模块主要有：自检模块、读入定值模块、数据采样模块、数据处理模块、故障判断模块、故障处理模块、显示程序模块等。各模块相互联系紧密，不可随意移动，见主程序流程图(图3)。主程序包括对芯片及各端口初始化的程序、自检程序(RAM自检、ROM自检、A/D自检)、读入定值(即输入整定及各参数)及判断电机是否通电的程序等。
4 结论
经理论分析、实际设计表明：本文论述的中小型异步电动机微机智能型综合保护装置可基本处理异步电动机常见故障，具有成本低、性能价格比高、自适应能力强、动作可靠性较高的特点。特别是本文所采用的时差与移相算法编程，只需对电流的幅值进行采样、分析、计算，从而简化了硬件设施，使保护装置的成本有较大降低，而此简化是能满足常用的中小型异步电动机的保护动作要求的。因此，其应用前景广阔。但此装置的实际应用还有待进一步的检验和完善。
图3 主程序流程图
作者简介：姚建刚，男，副教授，从事电力市场、新型输电方式及配电系统自动化方向的研究。
作者单位：湖南大学电气系，长沙 410082
参考文献
1 王禹民，蔡译祥.高压异步电动机的故障诊断及综合保护.电网技术，1996，20(3)：7～9
2 陈德树.计算机继电保护原理与技术.北京：水利电力出版社，1991
3 张毅刚.MCS-51单片机应用设计.哈尔滨：哈尔滨工业大学出版社，1990
4 姚建刚，刘一江.变电站微机集控装置技术要素的研究.电力自动化设备，1996，16(1)：33～38
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