电机微机保护设计.doc

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 山东科技大学学士论文 摘要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AbstractThis 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11.1 异步电机保护的意义11.2 异步电动机保护的发展情况12 异步电机故障分析及仿真52.1异步电动机的常见故障类型52.2异步电动机的常见故障仿真62.3 本章小结153 异步电机保护判据和方法163.1电流速断保护163.2 过负荷保护163.3 启动时间过长保护193.4 堵转保护193.5 零序保护203.6 负序过流保护213.7 低压保护213.8 本章小结224 异步电机微机保护算法244.1 计算方法的选择244.2 数字滤波器的选择294.3负序及零序电流的计算354.4 本章小结385 异步电机微机保护硬件设计405.1 硬件总体设计思想405.2 微机电动机保护装置整体介绍405.3 数据采集模块415.4 CPU模块465.5 人机接口电路及其他电路515.7 电源选取596 异步电机微机保护软件设计606.1 主程序框图616.2 中断处理程序626.3 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山东科技大学学士论文 绪论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。 40山东科技大学学士论文 异步电机故障分析及仿真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电源异步电动机输电线路变压器 图 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=6kV，额定功率=250kW，极对数p=2，定子电阻，转换后的转子电阻定子漏阻抗和转换后的转子漏阻抗，励磁阻抗，额定转矩J=13.9kgm2。定子和转子的等值电感；额定转速为1500r/min;励磁等值电感；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TM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，=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：ode23tb2.2.3 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IA=-IB,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。山东科技大学学士论文 异步电机保护判据和方法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 对描述电机发热，其中，I1 为正序电流，I2 为负序电流，k1为正序电流发热系数，k2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k1=0.5，起动完成后，取k1=1.0。对于k2的值，为模拟负序电流的增强发热效应，根据经验取k2=18，一般取为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。t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: （3.1）式（3.1）中:k为电动机发热时间常数I1、I2:分别为正序电流和负序电流Ie为电机电机额定电流k1、k2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。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） （3.2）求出一组后取较小的值。（2）根据式（3.3） （3.3）来求出发热时间常数。式中:为电动机的额定温升，为电动机起动时的温升， K为起动电流倍数; 为电动机的起动时间。（3）由允许堵转时间t估算 （3.4）式为为堵转电流倍数。（4）由电动机的温升值和电流密度估算 （3.5）式中: 为电动机定子绕组额定温升;电动机所采用绝缘材料的极限温升;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22.5A，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，则可考虑将零序电流保护的延时整定为0.5S，以此延时来躲开相间短路对零序电流保护的影响。整定值应躲过外部发生接地故障时流过保护安装点的电容电流。当I0大于保护的动作电流时，经短延时t。，依据用户要求发出接地信号或跳闸。3.6 负序过流保护负序过流保护主要是针对电动机的各类非接地性不对称故障(如电动机断相、定子绕组或引出线不对称相间短路、定子绕组匝间短路)提供的保护。防止电动机电流不对称，出现较大的负序电流;而负序电流在转子中产生2倍工频的电流，使转子发热大大增加，危及电动机的安全运行。在正常运行时，负序电流很小或基本为零。一旦出现较大幅值的负序电流，一定是发生了不对称性故障。在实际运行中，供电电源总存在着某种程度的不对称。由供电电压不对称引起的负序电流值取决于电动机的负序阻抗的比值。此比值大致是额定电流与起动电流之比。负序过流保护为两段式负序过流保护:第一段负序过流保护用来保护电动机的断相、反相、闸间短路等故障。第二段作为灵敏的不平衡电流保护。当负序电流大于整定值，负序保护经整定延时动作，其中第一段动作于跳闸，第二段可选择动作于信号或跳闸。3.7 低压保护当电源电压降低或短时中断，低电压保护对不能自启动的电动机，或不允许自启动的电动机，在电源电压消失后，动作于跳闸，将电动机从电网中断开。电动机低电压运行时转矩急剧下降，造成电动机严重过载。而当电动机电压下降到60%，电动机的自启动将发生困难，必须对电动机提供低电压保护。当电源电压降低或短时中断，为了保证重要电机自启动及根据生产过程和技术保安要求，电机需配置低电压保护;三个线电压均小于低电压保护定值，并且断路器处于合位时，低电压保护动作。3.8 本章小结由第二章和第三章的分析和有关实验资料表明，过流、负序和零序三个量的不同排序组合，再加上某些故障特征，与各类故障类型之间具有很好的对应关系，便于实现故障诊断及其相应保护。综合归纳可得表3.1。表3.1电动机常见故障诊断表故障类型零序分量负序分量过电流其他故障特征保护特性对 称 故 障过载无无有三相过电流对称反时限堵转无无短时限短路无无速断非对称故障 非接地故障断相无有有故障相电流为零速断相间短路无有有故障相间电压相等速断不平衡无有无三相电流不对称短时限接地故障单相接地无无无与正常运行状态一致不动作两相接地无有有故障相间电压相等速断表3.1山东科技大学学士论文 异步电机微机保护算法4 异步电机微机保护算法基于微处理器为核心的电机保护装置是通过A/D转换把实时采样得到的交模拟量转换成数字量，得到一系列离散的、量化了的数字序列，利用各种算法计出相关的电压、电流的有效值和相位等电参量。交流采样有多种算法，每种算法精度和速度不尽相同，寻找一种快速而又不失精确的算法，才能使得电机保护装准确地判断电机故障和迅速地采取保护措施。交流采样算法依据信号的数学模型主要有两类:基于正弦函数模型的算法，如最大值算法、两点采样算法、三点采算法、半周期积分算法等:基于周期函数模型算法，如均方根算法、傅立叶采样法、最小二乘滤波算法等。下面就部分采样算法作简要介绍。【8】4.1 计算方法的选择4.1.1 两点采样算法基于正弦函数模型，瞬时电压、电流为 (4.1) (4.2) 我们对电压进行分析，采样相差为90。的两组值 (4.3) (4.4)计算两采样值的平方和如式（4.5） (4.5)这样求得正弦信号电压的最大值平方即能得到它的有效值如式（4.6）： （4.6）同理可得电流的有效值如式（4.7）： （4.7）下面讨论有功功率P、无功功率Q、功率因数的算法 (4.8) (4.9) 由式（4.8），（4.9）可得：两点采样算法具有简单快速的优点，能在半周期内完成数据采样速率要求不高，但是，两点采样算法只适用于纯正弦的次谐波的非正弦信号进行采样计算，会产生较大的误差。4.1.2 均方根算法电压与电流的有效值即均方根值: （4.10） （4.11）将式(4.10)，(4.11)离散化得：:其中N为每周期等间隔采样次数，为第k次电压采样值，为第k次电流采样值。同样有功功率 （4.12）将式(4.12)离散化得：视在功率S=UI功率因素值这种算法不仅适用于纯正弦的交流量计算，也适用于叠加了其它频率分量的周期信号。该算法没有滤波功能，受高频谐波的影响，计算时会产生误差，实际应用中应采取必要的软、硬件滤波。本次设计装置采用这种均方根算法，一个周期采样12次，采样频率600HZ。下面在MATLAB环境中用程序模拟下该种算法：以A相电流计算为例，在模拟相间短路的情况下，用该计算方法算出的A相电流值； N=12;/确定采样点数t1=(0:0.02/N:0.2);/设置模拟时间，10个工频周期。num=zeros(1,10);zz=1;Ia=ScopeDataIA.signals.values(:,1);/把模拟时SCOPE中的离散数据提取出来，作为电流采样值。for ii=1:10for jj=zz:zz+11i(jj)=Ia(jj)*Ia(jj);num(ii)=num(ii)+i(jj);endI(ii)=sqrt(num(ii)/12);zz=zz+12;end运行完程序后，得到I的10个周期的有效值如下：序号12345数值28.608028.317228.102427.985727.9403序号678910数值27.934227.943427.9539160.6193103.7416表4.1图4.1通过图4.1和表4.1中的数据可以看到在故障发生之前，电流的有效值在额定范围内，在故障发生后，算出过电流值。4.2 数字滤波器的选择继电保护装置的主要任务是在被保护设备发生故障时，以尽可能短的时限，在尽可能小的区间内，自动把故障设备从电网中切除。系统在发生故障的最初阶段，由于电流和电压信号中含有衰减的直流和各次谐波，使故障暂态信号的频谱十分复杂。任何保护装置，若其动作原理是基于信号的某部分或单一频率分量（例如工频分量、二次谐波等），又由于动作快速性的要求，必须在故障的暂态过程中动作，因此都不可避免地要对输入信号作滤波处理。微机继电保护装置，处理的是离散采样信号，为了满足采样定理的要求，都要使用前置低通滤波器，以滤除输入信号中的那些高于的频率成分。但是这仅仅是为了防止频率混叠，前置低通滤波器的截止频率一般是很高的，难以接近工频，因此，直流分量及部分谐波需由数字滤波器来滤除。同时，采用数字滤波器还可以抑制数据采集系统引入的各种电子噪声，例如：采样保持回路中的电子开关泄露，模数转换时的量化误差等原因带来的噪声。广义而言，数字滤波器是一个装置或系统，用于对输入信号进行某种加工处理（运算），以达到取得信号中有用的频率成分而去掉无用信息的目的。我们所熟悉的模拟滤波器是包含无源元件 R、L、C 或有源元件（如运算放大器等）的一个物理装置或系统，而数字滤波器实际上是一段程序，微机通过执行这一程序，对数字信号进行某种数学运算，去掉信号中的无用成分，从而达到滤波的目的。要实现某一数学式描述的特性，对模拟滤波器，要设计一个物理电路，调试该电路，选择电路中的各元件参数，使其输入输出满足预定的滤波要求。 而实现同一特性的数字滤波器， 只需按所设计的数学模型编制程序即可。与模拟滤波器相比，数字滤波器主要有以下优点：1精度高 在模拟滤波器中所用的元件的精度要达到 已很不易了， 而在数字滤波器中增加字长很容易提高精度。 2可靠性高 模拟滤波器中各元件的参数受环境温度变化的影响较大，元件老化等因素也会影响滤波特性，而数字式滤波器受环境温度的影响要小得多，且不存在元件老化、元件特性差异等导致滤波特性不一致等问题。一旦程序设计完成，每台装置的特性可以做到完全一致，而不用逐台调试。 3灵活性好 数字滤波器的性能主要由存放在存储器中的一些数据决定，改变这些数据就可以得到不同特性的数字滤波器，这一点要比模拟滤波器方便灵活得多。数字滤波器的灵活性还体现在可以按分时制的方法利用一套硬件处理多路信号。滤波器可以有多种分类的方法，就频率特性而言，通常可划分为高通、低通、带阻和带通滤波器。【8】4.2.1减法滤波器设Ts为采样周期，x(nTs)为tn Ts时的输入数据（采样值），x(nTsKTs)为前K个Ts时刻（即tnTsKTs时）的输入数据，y(n Ts)为tnTs时的滤波器输出，则差分滤波器的差分方程为 y(n Ts)x(n Ts)x(n TsK Ts)由于保护中采样间隔是均匀,所以可以将x(nTS)、 y(nTS)直接写成x(n)、y(n)，上式可写成 y(n)x(n)x(nK)上式就是差分滤波器的数学模型，其数据窗长度为K Ts（或K）。 假设模拟量基频为f，当K Ts刚好等于谐波的周期Tm1/mf时，则在tn Ts及tnTsKTs两点的采样值中所含该次谐波成分相等，故两点采样值相减后，恰好将该次谐波滤去，剩下基波分量。此时有 K Ts1/mf ，故滤去的谐波次数为 m1/KTsf。由此可见，当f和Ts已确定时，需要滤掉的谐波次数可通过差分步长的选择来实现。 差分滤波器有如下特点： （1）因任两点采样值中所含的直流成分相同（不考虑衰减），故差分滤波器能消除直流分量。这一特点使它在数字滤波中占有重要地位。 （2）由式可知，当选择K值后，差分滤波器能滤除m次及m的整倍数次谐波。若输入信号中含有直流、基波及基波的整倍数次谐波，则在输入为稳态时，滤波器的输出为0。这一特点在保护中常被用作突变量元件。在电力系统正常时或故障进入稳态后，滤波器的输出为0，在故障后的KTs时间内，滤波器有输出，此时输出的是故障后的参数与故障前的负荷参数之差，这就是故障分量。因此差分滤波器常用来作为增量元件，其输出持续20ms（工频一周）。 （3）当采用差分滤波器滤除短路电流中的谐波分量时，必须在短路发生后，经过 KTs 的时间才开始正确反映短路后的电流，在此之前，x(nTsKTs)反映的是短路前的状态，这一点图 44 表示得很明显。因此，该滤波器有 KTs的延时，K值越大（Ts已定），延时越长，即数据窗越长延时越长。故在选择滤波器时，在保证滤波效果的同时，应尽量减小数据窗长度。 （4） 差分滤波只需要做减法，因此算法简单，运算工作量较小。 4.2.2 加法滤波器加法滤波器的数学模型就是减法滤波器中的减运算变为加运算，其表达为： y(nTs)x(nTs)x(nTsKTS)显然，这种滤波器也是非递归型数字滤波器。加法滤波器的结构与减法滤波器结构相似，只是减法器改成加法器即可。加法滤波器的物理意义也是很明显的。设其频率为f，在tnTs和t （nTsKTs） 两点采样，若此两点相距为该正弦波的1/2周期，则此两点采样值正好大小相等，符号相反，相加后输出为0，正好消除该次谐波。此时有 KTs1/2mf。加法滤波器有如下特点： （1）与差分滤波器比较，数据窗短，为工频周期的一半。 （2）因是前后两个采样值相加，故一般不能消除直流分量，这是它的一大缺点。 （3）加法滤波器只进行加法运算，故简单，工作量小。4.2.3 滤波器的选择在电机运行中，最可能出现的是3次谐波，所以本次设计数字滤波器选用减法数字滤波器。由算式K Ts1/mf算出在采样频率为600HZ的条件下，要滤掉m=3的高次谐波，K=4；即y(n)x(n)x(n6) ； 用Matlab辅助设计的文件如下：a1=1;b1=1 0 0 0 -1; f=0:1:600;h1=abs(freqz(b1,a1,f,600);H1=h1/max(h1);plot(f,H1)/绘制出该滤波器的幅频特性曲线如图4.2 图4.2下面一段程序模拟本设计数字滤波器的滤波效果： N=12;t1=(0:0.02/N:0.08);m=size(t1);Ia=40*sin(2*pi*50*t1);/设置基波电流值IA=40*sin(2*pi*50*t1)+20*sin(3*pi*100*t1)+10;/叠加高频分量和直流分量；Y=zeros(1,6);for jj=5:m(2)Y(jj)=(IA(jj)-IA(jj-4)/1.75;Endplot(t1,Ia,-o,t1,IA)/绘制出基频信号曲线和带高频分量的信号曲线，如图4.3；图4.3plot(t1,Ia,-o,t1,Y,-*)/绘制出经过数字滤波的信号曲线，与基频信号对比图4.5滤波效果的仿真波形如图所示，带圆圈标记的是基波电流，带星号标记的是滤波后的电流。显然输出电流已经完全滤除了直流分量和3次谐波分量。4.3负序及零序电流的计算为了分析在系统电压、电流出现不对称情形，常把三相分解成对称分量(正、负序)及同向的零序分量。对于理想的电力系统，由于三相对称，因此负序和零序分量的数值都为零。当电机发生不对称故障时，负序和零序不再为零，我们可以通过计算负序和零序电流来判断电机的故障。现以电流为例，均以A相为参考，分别写出B、C相的正序、负序、零序电流的表达式(4.12)(4.13)。 (4.12) (4.13)令 ，则 同理负序为： 零序为：将三组对称分量相加，便得三相不对称的量，即: (4.14) (4.15) (4.16)由式(4.14)(4.15)(4.16)联立解得： 对负序分量进行离散化描述后有：如在此使用12点的均方根采样计算方法，设t为采样间隔，则120对应4t，240对应8t，故有上式说明在数字分析某相电流负序分量时，可将不同时刻采集到的三相电流值相加。对于三相电压的序分量，与以上内容是相同的分析