（检测技术与自动化装置专业论文）基于dsp56f807电动机保护装置的设计与实现.pdf

屯 鼢 合肥工业大学 本论文经答辩委员会全体委员审查，确认符合合肥工业大学 硕士学位论文质量要求。 答辩委员会签名( 工作单位、职称) 主尊：乏p 哮雹更讯赙劾瑷 甄茗每岔 铡函沙增多m 螽 哆 粼 导师：pp 驽，狠寺文 、 f f r h 警 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。据 我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的 研究成果，也不包含为获得 金魍工些太堂 或其他教育机构的学位或证书而使用过的 材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢 意。 学位论文作者签名： 命佐签字日期：矽f f 年午盯日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解金胆王些太堂有关保留、使用学位论文的规定，有权保留并 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权越 王些态堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩 印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名： 1 哆 芥丑 签字日期：。( 年牛月伤一日 学位论文作者毕业后去向： 工作单位： 通讯地址： 签字日期：夕纠1 年4 月z 角 电话： 邮编： 、 - 基于d s p 5 6 f 8 0 7 电动机保护装置的设计与实现 摘要 随着国民经济和现代化工业的发展，一种能够实现多种保护功能的智能综 合电动机保护装置显得尤为重要。 本文研究和设计了一种基于d s p 5 6 f 8 0 7 的电动机保护装置。首先介绍了电 动机产生故障的原因和故障特点，对电动机保护的基本原理和设计原则进行研 究，分析了不同故障所采用的保护算法。硬件从电动机保护装置的主控模块、 人机交互模块和操作回路模块等方面设计硬件电路，选用d s p 5 6 f 8 0 7 作为保护 功能实现的核心器件、w 7 8 e 5 1 6 作为人机交互模块核心器件，设计了主控制器、 键盘、显示等人机对话环节和操作回路模块。软件设计采用自顶向下，分层设 计的结构化程序设计方法，具有数据的采集和预处理、保护算法的实现、自检、 自复位、键盘的检测和显示等功能。数据滤波算法选择改进的傅氏算法，在保 证精度要求的基础上具有反应迅速等优点。同时，从硬件和软件两方面进行了 抗干扰设计，保证装置的安全可靠运行。最后对本论文的研究进行了总结和展 望，指出了工作成果和需要进一步改进和完善的地方。 ， 本电动机保护装置可以实现多种保护功能，具有可靠性高、保护动作迅速、 界面操作简单、调试维护量小等优点。经实验表明该方案是有效地，具有可行 性。 关键词：电动机保护；d s p ；傅氏算法 2 、 m o t o rp r o t e c t i o nd e v i c eb a s e do nd s p 5 6 f 8 0 7 a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to fn a t i o n a le c o n o m ya n dm o d e m i n d u s t r y , a ni n t e l l i g e n t c o m p r e h e n s i v e m o t o r p r o t e c t i o n d e v i c et h a tc a na c h i e v e v a r i p r o t e c t i o n i s p a r t i c u l a r l yi m p o r t a n t t h i sp a p e rs t u d i e sa n dd e s i g n so n ek i n do fm o t o rp r o t e c t i o nd e v i c eb a s e do n d s p 5 6 f 8 0 7 f i r s t l y , i td i s c u s s e dt h er e a s o n sa n dc h a r a c t e r i s t i c so fm o t o r sf a i l u r e ， m a d er e s e a r c ho nt h ef u n d a m e n ta n dd e s i g np r i n c i p l e s ，a n a l y s i st h ew a yo f p r o t e c t i o n c a u s e db yd i f f e r e n t f a i l u r e s i nt h eh a r d w a r e ，i tc a nb ed i v i d e di n t om a i nc o n t r o l m o d u l e ，i n t e r a c t i o nm o d u l ea n do p e r a t i n gc i r c u i tm o d u l ea n ds oo n i ts e l e c t e d d s p 5 6 f s 0 7a st h eh a r d c o r eo ft h ew h o l ep r o t e c t i o ns y s t e ma n dw 7 8 e 516a st h e n u c l e u s d e v i c eo fi n t e r a c t i o nm o d u l e ，d e s i g n e dt h em a i nc o n t r o l l e r , k e y b o a r d ， d i s p l a ya n do p e r a t i n gc i r c u i tm o d u l e i nt h es o f t w a r e ，i tu s e dt h et o p - d o w n ，l a y e r i n g d e s i g no fs t r u c t u r e dp r o g r a m m i n gm e t h o d ，w h i c hc a na c h i e v ed a t ac o l l e c t i o na n d p r e t r e a t m e n t ，p r o t e c t i o na l g o r i t h m ，s e l f - c h e c k ，s e l f - r e p l a c e m e n t ，t h ek e y b o a r d d e t e c t i o na n dd i s p l a y , s e l e c t e do n ei m p r o v e df o u r i e ra l g o r i t h mf r o mt h ew a yo f f i l t e r i n ga l g o r i t h mt oe n s u r ea c c u r a c ya n dr a p i dr e s p o n s e ，w h i l em a d ea n t i - ja m m i n g d e s i g nf r o mb o t hh a r d w a r ea n ds o f t w a r et oe n s u r eo p e r a t i o nt i m e l ya n dr e l i a b l y f i n a l l y , t h i ss t u d yi ss u m m a r i z e da n di m a g e dt h ef u t u r e ，p o i n t i n go u tt h ew o r ka n d f u r t h e ri m p r o v e m e n t t h i sm o t o rp r o t e c t i o nd e v i c ec a na c h i e v ev a r i - p r o t e c t i o n ，h a sh i g hr e l i a b i l i t y , f a s tp r o m p t ，e a s yo p e r a t i o n ，c o n v e n i e n td e b u g g i n ga n dm a i n t e n a n c e a c c o r d i n gt o t h ee x p e r i m e n t ，t h ep r o g r a mh a sb e e np r o v e de f f e c t i v e l ya n df e a s i b l y k e y w o r d s ：m o t o rp r o t e c t i o n ，d s p , f o u r i e ra l g o r i t h m 3 h r l 致谢 在硕士毕业论文即将完成之际，请允许我对那些曾经给予我无私帮助和关 怀的老师、同学、家人和朋友们，说一声感谢，并送上我最最真挚的祝福。 衷心感谢我的导师温阳东教授。温老师治学严谨，学识渊博，在我学习期 间不仅传授学习知识，学习方法，还教会我许多做人的道理，这些都将使我终 身受益。无论是在理论学习阶段，还是在论文的选题、资料查询、开题、研究 和撰写的每一个环节，都得到了导师的悉心指导和帮助。在此谨向温老师表示 衷心的感谢和崇高的敬意。 感谢朱敏副教授平时寄予的鼓励和无私的帮助。感谢实验室的张玉凤、石 明刚、黎明、张韬、陈小飞、李或、钱梦然、张晶晶、丁艳婷、范俊华，王军， 各位同门在学业上给予我无私的帮助，同门间的深厚友谊，我将终身难忘。 最后，我要感谢我的爸爸妈妈，感谢他们多年来对我的无私付出，让我能 够安心、专心于学业，是他们一贯的支持和鼓励，使我顺利完成全部学业。我 希望在未来的学习和工作过程中，能以丰厚的成果来答谢曾经关心、帮助和支 持过我的所有老师、同学、家人和朋友。 4 作者：余佳 2 0 11 年3 月 目录 第一章绪论1 1 1 研究背景和意义1 1 2 电动机保护的国内外现状2 1 2 1 国内电动机保护的现状2 1 2 2 国外电动机保护的现状2 1 3 本论文的主要研究内容3 第二章电动机保护原理及算法5 2 1 电动机保护的基本原理和设计原则5 2 2 电动机的主要故障形式和不正常工作状态6 2 3 各种保护功能及保护判据一7 2 3 1 电流速断保护7 2 3 2 差动保护7 2 3 3 单相接地保护9 2 3 4 低电压保护9 2 3 5 负序过电流保护：1 1 2 3 6 反时限保护1 1 2 3 7 过负荷保护1 2 2 3 8 失步保护1 3 2 4 本章小结1 4 第三章装置硬件设计。1 5 3 1 装置总结构设计1 5 3 2 主控模块1 6 3 2 1d s p 5 6 f 8 0 7 1 6 3 2 2 模拟量输入1 7 3 2 3 开关量输入：1 9 3 2 4 电源模块1 9 3 2 5 存储器模块2 0 3 2 6 看门狗模块2 0 3 3 人机交互模块2 2 3 3 1c p u 模块w 7 8 e 516 2 2 3 3 2 液晶显示t g l 6 0 1 2 8 a 一2 3 3 3 3 键盘输入2 3 3 3 4 时钟模块。2 4 3 4 操作回路模块2 5 5 第四章 第五章 3 5 内部通信2 6 3 6 外部通信2 6 3 6 1r s 4 8 5 通信2 6 3 6 2c a n 通信2 7 3 7 本章小结2 9 装置软件设计3 0 4 1 微机保护算法3 0 4 1 1 均方根值算法3 0 4 1 2 相位比较算法3 1 4 1 3 半周积分法3 2 4 1 4 傅里叶算法3 3 4 2 总体软件设计思想3 5 4 2 1 接口软件3 6 4 2 2 保护软件一3 6 4 3 程序框架：3 6 4 3 1 主程序设计3 6 4 3 2 中断处理程序设计3 8 4 3 3 故障处理程序3 9 4 4 通讯程序设计一3 9 4 4 1 串口通讯模块3 9 4 4 2c a n 通讯模块4 1 4 5 本章小结4 2 装置抗干扰措施。4 3 5 1 干扰的三个因素4 3 5 1 1 干扰源4 3 5 1 2 干扰的耦合方式4 4 5 1 3 干扰的接收电路4 6 5 2 干扰对电动机保护装置的影响4 7 5 3 硬件抗干扰措施4 8 5 3 1 抑制干扰源4 8 5 3 2 切断干扰传播途径4 8 5 3 3 提高敏感器件的抗干扰性能5 0 5 4 软件抗干扰措施5 0 5 4 1i o 通道上的措施5 0 5 4 2 系统复位措施5 1 5 4 3 设置软件陷阱：5 2 6 第 参 插图清单 图2 1 电动机保护装置原理方框图5 图2 2 电动机故障内容、原因和保护方式6 图2 3 电动机的过负荷特性曲线1 2 图3 1 电动机保护硬件设计结构图1 5 图3 2d s p 芯片图17 图3 4 低通滤波器1 8 图3 5 开关量输入1 9 图3 - 6a m s l l l 7 电路图1 9 图3 7d s p 与看门狗之间的s p i 通信2 1 图3 8x 5 0 4 5 看门狗21 图3 - 9w 7 8 e 51 6 2 2 图3 1 0 键盘电路原理图2 3 图3 11d s13 0 2 2 4 图3 1 2 操作回路模块2 5 图3 1 3 启动继电器2 5 图3 1 4 两个c p u 之间的串口通信2 6 图3 1 5m a x 4 8 5 应用电路图2 7 图3 1 6d s p 的c a n 通信连接2 8 图3 178 2 c 5 0 2 8 图4 1 比相元件动作特性c o s 型3 1 图4 。2 比相元件动作特性s i n 型3 1 图4 3 程序框图一3 6 图4 4d s p 5 6 f 8 0 7 主程序结构框图3 7 图4 5w 7 8 e 5 1 6 主程序3 7 图4 6 中断处理程序结构框架图3 8 图4 7 故障处理程序3 9 图4 8 通讯主程序流程图4 0 图4 9 键盘处理程序流程图4 0 图4 1 0 事件处理程序流程图4 0 图4 1 1 命令解析模块4 1 图4 1 2 命令执行模块4 1 图4 1 3 发送缓冲模块4 2 图5 1 干扰的三个因素一4 3 图5 2 差模干扰产生的示意图4 4 图5 3 共模干扰 图5 4 静电耦合 图5 5 互感耦合 图5 6 公共电源 图5 7 公共地线 图5 8d s p 的上 9 表2 1 表2 2 表3 1 第一章绪论 1 1 研究背景和意义 在电力系统中，大约有超过6 0 的电能都是通过电动机转换成机械能的。 作为应用最为广泛的一种电气主设备，电动机的使用几乎渗透到了工农业、国 防建设等各个方面，是人民生活正常进行的根本保证，在国民经济中具有举足 轻重的地位，因此确保电动机的正常运行就显得十分重要。以往由于每台电动 机容量不大，电动机保护不为大家所重视，保护装置经常由于误动跳闸，中断 了生产过程，或者出现拒动而使电动机烧毁，直接导致产品产量和质量的降低。 据有关部门的不完全统计，全国每年仅因电动机烧毁所消耗的电量就达数千万 度，电动机烧毁的数量达2 0 万台以上，因维修所损耗的电磁线约5 0 0 0 万公斤， 修理费高达2 0 亿元，因此造成的损失更是一个无法估计的巨大数引1 1 。可以说， 电动机及其保护的正常运行，直接关系到国民经济和人民生活，不可等闲视之。 因此，做好电动机的保护工作十分重要，具有提高生产效率、增加经济效益、 节约能源、保证安全生产等重要现实意义。 电动机保护装置的发展大致可以分为以下几个阶段： ( 1 ) 第一阶段，以单个c p u 为主，由单一的逐次逼近式a d 转换器实现 数据采集。 ( 2 ) 第二阶段，多个c p u 分别采用其专用的a d 转换器实现各种保护功 能，但由于保护系统及装置的结构复杂、灵敏度较低，且a d 价格 昂贵，整套保护成本较高，没有得到广泛应用。 ( 3 ) 第三阶段，采用电压频率转换器构成数据采集系统，对模拟量和开 关量信号进行采集，既避免了多个c p u 系统之间的复杂总线操作， 解决了数据共享，又强化了自检和互检功能，同时还可以快速定位 硬件故障，执行跳闸等指令。 ( 4 ) 第四阶段，以高性能的1 6 位或3 2 位单片机为主，与许多外扩设备 集成在一个芯片里，使得总线不出芯片，具有电路结构简单、抗干 扰能力强等特点，同时完善了通信功能，为实现电能机械能变换自 动化提供了便利条件【2 】。 近年来，与电动机保护密切相关的其它领域飞速发展，这给电动机保护带 来了全新的革命。将c p u 的数据处理与保护算法相结合，不断为新型智能电动 机保护的研究、开发和完善创造了良好的现实条件。在未来，电动机保护将朝 着计算机化、网络化、智能化和综合自动化的方向发展，最终使电动机保护系 统在通过日益完善的软硬件基础上，实现保护系统运行性能与成本之间的最优 化结构【3 1 。 1 2 电动机保护的国内外现状 1 2 1 国内电动机保护的现状 目前，国内的电动机保护存在传统保护方式与智能保护方式并存的状态。 现代电动机的设计思想已经走向了所谓的“极限设计法”，即在增加输出功率、 输出转矩的同时，减小电动机的体积和重量。与3 0 年代相比，现代电动机的体 积减少约1 3 ，而重量已不到原来的一半。体积和重量的减小说明电动机的热 容量和耐热限度均有所下降，这就意味着与传统电动机相比，现代电动机的额 定电流同步降低，启动电流与允许过载电流之差也明显减小【1 】。传统的保护措 施要么检测不出这一量值的变化，要么过早地对电动机采取动作而使电动机不 能充分发挥出过载能力，同时也缩短了电动机的使用寿命，降低了生产率和经 济效益。此外，由于各种自动控制设备的使用，生产过程的自动化程度明显提 高，这就使得电动机经常运行在频繁启动、换向、制动、间歇负载及变负荷状 态下，工作条件十分恶劣。由于工作时间过长所导致的电动机器件发热，早已 达不到传统保护装置动作保护的程度，这样传统的保护装置就起不到有效保护 作用4 1 。 智能保护方式，主要以单片机作为控制器，实现电动机的智能化综合保护。 有的单片机还含有4 8 5 、c a n 通信等端口，通过远程通讯功能，实现对多台联 网电动机在线综合监视与保护。智能化的电动机综合保护在采样精确度和整定 方面有了飞速的发展，可通过软件对采样信号进行非线性校正，并实现有效值 的计算，从而大大地降低了被测信号波形畸变的干扰，实现高精度的采样【5 1 。 在整定方面由用户现场通过键盘自行设定参数，断绝了中间可能出现的误差， 还可为过载保护设置更多更科学的反时限保护曲线。由于单片机朝着集成化、 微型化的方向日益发展，这时候能够实现多种保护功能的综合保护器也就应运 而生。例如，由上海万谱公司研究开发的s w j 2 系列电动机微机保护装置，经 检验可实现过载保护、短路保护、堵转保护、漏电保护、欠流保护、声光报警、 远程通讯、记录故障信息等多种功能，采用多点线性校正技术、交流采样技术、 自动切换量程技术，使其在l a l0 0 a 或1 0 a 1 0 0 0 a 的测量范围内都能保持 极高的采样精度，在国内外同类产品中具有明显优势【6 1 。 由于历史和经济等各种原因，目前我国继电保护装置多种方式并存，而对 于旧时的装置，只能采用逐步改造和淘汰的方法进行更新换代。 1 2 2 国外电动机保护的现状 国外的继电保护发展，可以追溯到1 9 7 5 年初，从英国g e c 公司将微机处 理器应用于自动合闸和变电所的控制之中。至1 9 7 9 年，美国电气和电子工程师 学会的教育委员会组织了有史以来第一次世界范围的计算机保护研究学习班。 之后，世界各大继电器制造商都先后推出了各种应用于商业的微机保护装置， 2 微机保护逐步投入到实际生产中。与国内电动机保护相比，国外开始研究和开 发电动机保护控制装置的时间较早、投入生产的规模较大、专业性较强、种类 齐全。从7 0 年代后期开始，各国都开始了针对电动机保护装置的研究，使电动 机微机保护技术逐渐成熟、完善起来【7 】。在电动机系统微机保护技术方面，韩 国、美国、德国发展最快。以下将分别简要介绍这三个国家的电动机保护继电 器的保护功能及其特点。 韩国的产品主要有交流、直流电机保护继电器、数字显示智能型保护器、 电压保护器等，各种型号均有系列产品，6 0 余种规格。主要保护功能有：断相 保护、过载保护、欠载保护、三相不平衡保护、逆相保护、堵转保护、漏电保 护、接地保护和短路保护等。具有保护器自身温度补偿、运行状态显示、及时 检测负荷率、故障告警、记录故障数据和时间、通信、计算机联网等特点【8 1 。 不仅能保护电路和电动机，还具有调整精度高、动作准确、体积小、外形美观 等优点。 美国的产品主要有电子型保护继电器、热敏电阻保护继电器、电子型保护 系统、智能控制器等各种型号均有系列产品，数十种规格。主要保护功能有： 断相、堵转、过载、欠载、不对称、相序、接地、短路、温度等，其特点有： 自身温度补偿、通讯、启动时间监控、每小时限数启动、其中智能控制器还具 有启动转距控制、软启动、限流启动、全压启动、软停止、泵控制、智能电机 制动、预置低速、准确停止、双斜率启动、斜坡软启动、突跳软启动、过载欠 载测试、早期故障诊断、计量等，较理想地实现了智能监测保护与控n t 9 1 。 德国的主要产品是电子型温度保护器和s i p r o t e c 系列微机综合保护器。 该系列保护器主要功能有：电流、电压、频率、负荷、接地等和自动重合闸、 记录故障波形等功能，它集保护、控制、监测于一体【8 】。 1 3 本论文的主要研究内容 电动机按照其转速与电网电源频率之间的关系可以分为同步电动机和异步 电动机。在应用上，同步电动机一般用于发电，也用于比较精确的控制，而异 步电动机一般结构简单、造价低廉，虽然应用广泛，但一般用于要求不高的场 合。考虑到电动机本身及其保护装置整体的成本和实用性，本论文所研究设计 的电动机保护装置也兼顾同步电动机的保护。 目前的微机型电动机保护装置主要存在保护功能不全、可靠性不高、界面 操作复杂、通讯速度缓慢等缺点。因此，研制一种基于全新硬件平台的新型电 动机综合保护装置是十分必要的。它既要使电动机充分发挥过载能力、又能免 于损坏，提高其工作可靠性，还要兼顾操作简单、维护方便等特性以满足用户 的需求【10 1 。 本论文的主要研究内容如下： 3 ( 1 ) 对电动机保护的基本原理和设计原则进行研究，总结电动机在运行过 程中可能产生的不正常运行状态和各种故障的原因及特点，提出解决的办法， 以实现其各种保护功能。 ( 2 ) 微机保护算法方面，分别对均方根值算法、相位比较法、半周积分法 和傅式算法进行了分析、比较和研究，着重讨论了傅式算法，提出了改进的傅 氏算法。在本论文设计的保护装置中选用改进的傅氏算法，实现对采集数据的 处理。 ( 3 ) 装置硬件方面，本文选用m o t o r o l a 公司的1 6 位d s p 5 6 f 8 0 7 和华邦 公司的8 位w 7 8 e 5 1 6 作为核心处理器，分别实现其保护和监控功能。从主控模 块、人机接口模块及操作回路模块等硬件模块完成总体方案设计，结合各种外 扩芯片，共同实现电动机保护。 ( 4 ) 装置软件方面，采用自顶向下，分层设计的结构化程序设计方法，具 有数据的采集和预处理、保护算法的实现、自检、自复位、键盘的检测和显示 等功能。及时、可靠地完成对各种故障的保护，使电动机既能满足装置对测量 的要求，又能达到抗干扰的目的。 ( 5 ) 基于设备现场运行情况的考虑，本文从装置的软、硬两方面对抗干扰 作了分析，分别提出了软件和硬件的抗干扰措施，保证装置的安全可靠运行。 4 第二章电动机保护原理及算法 2 1 电动机保护的基本原理和设计原则 电动机都有它的额定参数，当其发生故障或者出现异常情况时，这些运行 参数就会偏离额定值，从而对电气设备和电力系统的安全运行构成威胁。应用 于系统中的各种电动机保护就是以反映这些电气量的变化为基础，利用正常运 行与故障时各电气量间的差别来实现保护功能的。 电动机保护的种类很多，但就一般情况而言，都由三个基本部分组成，即 测量部分、逻辑部分、执行部分，其原理如图2 1 所示： 输入故障参数 整定值 图2 1 电动机保护装置原理方框图 闸或信号输出+ 测量部分的作用是通过测量能反应电动机工作状态有关物理量的变化，如 电流、电压的大小、性质、出现的顺序或组合方式，将其传送给逻辑部分进行 逻辑判断。 逻辑部分的作用是根据测量部分的输出信号进行逻辑判断，以确定电力系 统是否应该动作，并向执行部分发出相应信号。电动机保护中常用的逻辑回路 有“与 、“或 、“非 三种，有时还包括延时、记忆等回路。 执行部分的作用是根据逻辑部分所做出的决定，执行保护装置的最终任务， 即给出不正常运行情况的信号或发出切除故障的跳闸脉冲或不动作【1 1 1 。 根据规程要求和现场经验，电动机综合保护器的设计应遵循以下基本原则： ( 1 ) 当被保护元件发生短路或破坏系统正常运行的情况时，保护装置应 立即执行跳闸指令；在发生不正常运行状态时，保护装置应发出报 警信号。 ( 2 ) 选择保护方式时，以主要故障为主，不考虑可能性很小的故障类型 和运行方式。 ( 3 ) 在表示保护装置动作的出口上应装设信号继电器。 ( 4 ) 为保证非故障部分的正常供电，保护装置应反应灵敏、动作迅速， 在足够小的动作时间去切除故障，将损失减小。 ( 5 ) 系统故障时，保护装置要有选择地动作于跳闸，在必须加快动作时， 5 可无选择性跳闸，而由自动重合闸来补救保护的无选择性动作。 ( 6 ) 保护装置的电压回路断线时，应装设电压回路断线闭锁装置并发出 信号。 ( 7 ) 在现场可能出现的最不利运行方式或者故障类型下，保护装置要在 满足规程要求的基础上，具有足够的灵敏系数。 ( 8 ) 当保护装置不能对相邻元件起后备保护作用时，应在所有或部分断 路器上装设单独的后备保护。 ( 9 ) 主保护装置除了完成主保护任务之外，在可能的情况下，还应实现 相邻元件的后备保护。 ( 1 0 )为了对相邻元件起后备保护作用而导致保护装置复杂化，或者是 主保护装置在技术上不能达到完全的后备作用时，允许缩短其作为 后备保护的作用范围。 ( 11 )保护装置所用的电流互感器在最不利的条件下，其误差应控制在 1 0 以内。 ( 1 2 )保护装置的灵敏性应与相邻设备配合【1 2 】。 2 2 电动机的主要故障形式和不正常工作状态 电动机的保护因容量、配电设备、结构形式的不同而不同，电动机的故障 内容、故障原因和相应的保护方式如图2 2 所示【13 1 。 故障内容 周围条件 过负荷 堵转 电路故障 电器故障 维护不良 故障原因 周围温度过高 通风不足 机械过载 供电电压下降 启动频繁 频率间歇运行 轴承烧损 启动停顿状态错误 电源频率变化 断相 反相 不能变极数 电压不平衡 漏电 图2 2 电动机故障内容、原因和保护方式 6 保护方式 检测周围温度 检测风压 检测过电流 检测低电压 检测频率 检测绕组温度 检测断相 检测不平衡 检测反相 检测转速 检测漏电 维惨 针对电动机的上述故障，本文设计基于d s p 5 6 f 8 0 7 的电动机保护装置，其 保护功能主要有：电流速断保护、差动保护、单相接地保护、低电压保护、负 序过电流保护、反时限保护、过负荷保护和同步电动机所特有的失步保护。以 下将分别从各种保护所实现的功能、整定及判定方法来叙述【1 4 】。 2 3 各种保护功能及保护判据 2 3 1 电流速断保护 当电动机的定子绕组或引线相间短路时，电流速断保护动作。短路时电流 流过的是异常形式，电动机的瞬时短路电流值可能达到额定电流值的几十倍甚 至上百倍，轻者可能造成绝缘层损坏、引起导线溶化、甚至起电弧，严重者更 会引起火灾，直接造成无法估量的损失。此时，应快速地切断电源。同时电动 机受到电磁作用，容易产生变形，使绕组或机械部件产生无法还原和修复【”】。 当正常工作电流、启动电流、堵转电流或电动机向外部短路点的反馈电流 远低于电动机端部相间短路电流时，即判断出电动机发生故障，可采用此定值 电流速断保护。该保护具有反应迅速、可靠性高、简单和实用等特点。 设电动机系统所侧供的短路电流为厶，电流速断保护的动作电流为k ，则 其应整定为： 1 k 厶 ( 2 - 1 ) j 这时电动机端的两相短路电流为( 3 2 ) 厶，则其响应的灵敏度应为： 一， ，1 k = ( 4 3 2 ) 厶= 2 6 ( 2 - 2 ) 由于故障点存在过渡电阻，可使k2 2 。 该功能用于电动机发生严重事故的情况下。电流速断保护是以电动机的最 大相电流为判断依据的。其判据如下： 鼍 也( 2 - 3 ) 1f k 其中：k = m a x ( 厶，厶，l ) ； 匕一一电流速断保护的动作时限； ，动作延时时间。 由于每台电动机在启动时的启动电流各不相同，所以电流速断的定值在启 动时和运行时也不相同。能装设此类保护的电动机容量应小于供电变压器容量 的一半，否则，需改用复杂的差动保护 1 6 】。 2 3 2 差动保护 差动保护的电流互感器应具有相同的磁化特性，并在电动机的启动电流和 7 外部短路状态下同步电动机提供的最大短路电流通过时，仍能满足1 0 误差的 要求。同步电动机纵联差动保护的动作电流按躲过电动机外部短路时的最大不 平衡电流整定【1 1 1 。 i c 电= k ko 1 鬈2 filh(2-4) 式中：吧最大运行方式下外部三相短路时，电动机输出的次暂态电流，其值为： 刀盟：哗+ o 9 5 s i n 虬) l 工 ( 2 5 ) x 一一电动机的次暂态电抗标么值； 虬一一电动机在额定负载时的相位角。 电动机差动保护的整定，一般不考虑差动回路断线引起的保护误动，但在 动作电流整定大于额定电流时，仍应装设电流互感器二次回路断监装置。在实 际整定中，电动机差动保护动作电流往往采用下式计算【17 1 。 ， k 咆嚣 ( 2 - 6 ) 式中：k 一一可靠系数。当采用电流继电器时，取1 5 2 0 ；当采用差动 继电器时，取o 7 1 3 ： 乙一一电动机的额定电流； n l h 一一电流互感器变比。 保护装置的灵敏系数按下式校验： i n ( 2 ) 如= 号 ( 2 - 7 ) 式中：磋一一系统最小运行方式下，电动机端子上两相短路时的次暂态 电流： 一一继电器的动作电流。其保护判据如下： 眨厶f - 如爻p 乞 ( 2 - 8 ) p 么 、。 式中：一一进线电流，即电源测电流； 厶一一出线电流，即中性点电流； k 。，一一比率制动系数； k 一一差动保护最小动作电流； 么一一电流差动保护动作时限； r 一一动作延时。 8 2 3 3 单相接地保护 电动机定子绕组发生单相接地时，系统电容电流在未经消弧线圈补偿的情 况下，电动机馈电线上将流过等于全系统非故障设备电容电流总和的零序电流， 此电流远大于该电动机的接地电容电流。因此，可利用零序电流保护原理来实 现电动机的单相接地保护。 保护装置的动作电流应躲过外部发生单相接地时，由该电动机回路流入电 网的零序电流，其值等于保护回路自身的接地电容电流，它包括两个方面：一 是电动机馈电线的接地电容电流，二是电动机定子绕组本身的接地电容电流。 因此，动作电流可表示为 1 1 】： 乞= 瓦( 乞+ l ) ( 2 9 ) 式中：噩一一可靠系数，当保护装置瞬时动作时，取4 5 ，当保护装置延 时动作时，取1 5 2 o ； t 一一电动机馈电线的接地电容电流； l 一一电动机的接地电容电流。 保护装置的灵敏度按本回路发生单相接地时，流过保护装置一次侧的最小 零序电流校验，即： 屹：争：k 吲殳型2 ( 2 - 1 0 ) l出l出 式中：l 曲一一被保护回路发生单相接地时，流过保护装置一次侧的最小 零序电流； 工疵一一最小运行方式下，系统总的接地电容电流。 当保护灵敏度不满足规定的要求时，可采用带o 5 1 o s 延时的方式来选取 较小的可靠系数，从而减少动作电流，提高灵敏度。在电动机绕组单相接地等 故障发生时，其零序电流会大幅度的增加【1 8 】。这时为保证电动机不受损坏，应 动作零序过流保护【1 l 】。其保护判据如下： jlk(2-11 ) 【t o t o 式中：。一一实测零序电流； 1 础一一零序电流的定值； o 动作延时时间； 础零序过流保护的动作时限。 这也可以反应零序电流的定时限特性。 2 3 4 低电压保护 按照规程规定，电动机在发生下列状况时，必须装设低电压保护： ( 1 ) 当电源电压由于短路，发生故障，导致电压降低或电压消失，为保 9 证重要电动机能够自启动而需要断开的次要电动机； ( 2 ) 电源电压短时降低或消失后，根据现场实际要求，不需要自启动或 禁止自启动的电动机； ( 3 ) 为保证人身、设备和财产安全，在电源电压长时间中断后，必须自 动断开的电动机； ( 4 ) 属i 类负荷并装有自动投入装置的备用电动机【1 2 】。 低电压保护的整定值见表2 1 。 表2 1 低电压保护整定值 电动机分类电压额定值( 额定电压的百分数，)动作时限( s ) 高压电动机低压电动机 i 类电动机4 5 5 04 0 4 50 5 i i 类电动机6 5 7 0 6 0 7 0 9 1 0 低电压保护是将低电压继电器接入电压互感器的二次侧，对各低电压继电 器分别按要求将动作电压整定为额定电压的4 0 - 7 0 ，当电压降到该值时， 接通时间，继电器按要求的动作时限( 见表2 1 ) 断开各类电动机。同时，在 接线上采取措施，避免因电压回路某一相断线而使保护误动作【”】。 低电压的整定计算如下： ( 1 ) 按保证电动机自启动的条件整定，即： = 如巧( o 4 5 0 5 5 ) ( 2 - 1 2 ) 式中：一一保护电动机自启动时，母线允许的最低电压，取( o 5 5 0 6 5 ) ； 如一一可靠系数，取1 2 ； k 一一电压继电器的返回系数，取0 9 。 ( 2 ) 按切除禁止自启动的条件整定，一般取( o 6 - - - 0 7 ) 。 ( 3 ) 按保安条件整定。在电压长时间消失后不允许自启动的电动机，电 压保护动作值一般取( o 2 5 - 0 4 ) ，失压保护时限取6 1 0 s 。 ( 4 ) 具有备用设备而断开的电动机，失压保护应整定为( 0 2 5 0 4 ) ，动 作时限取0 5 s 。 以上( 1 ) 、( 2 ) 种整定值均取0 5 s 的动作时限，以躲过速断保护动作及电 压回路断线可能引起的误动作。其判据如下： u 出( 2 - 1 3 ) 【t 式中：一一电压实测值的最小值； 一一低压保护的定值； t 保护动作的实际延时时间； 低压保护的动作时限。 l o 当电动机的电压过低，在其负载不变的情况下，会造成电动机的电流过大， 这将导致电动机所产生的热量过大，时间长了便会造成电动机损坏。低压保护 就是为了防止由于供电系统电压过低时而引起电动机过热所采取的保护措施 【1 引。因此，设置此功能的保护是十分必要的。 2 3 5 负序过电流保护 负序电流保护属于后备保护或者远后备保护，可以反应电动机的不对称故 障、匝间短路故障、断相、相序接反和由于负序电流引起的过热以及供电电压 不平衡等。电动机在额定转速情况下，因电动机的定子和转子绕组的电阻分量 都远小于漏抗分量，在忽略电阻分量的情况下，电动机的负序阻抗值与电动机 的正序阻抗值近似相等【2 0 1 。因此，电动机在正常运行过程中如出现负序电压， 则必然出现负序电流。 1 2 - - v z 2 2 芝= 瓷笔= 吐。k 如 ( 2 。4 ) z 2z nu nz 日 2 18 。 、。 式中：疋一一电动机在额定电压下启动时的启动电流倍数； 如一一电动机的额定电流； 一一以额定电流为基准的负序电压的标幺值。 因此，若电动机启动电流倍数= 6 ，则在不同的负序不平衡电压情况下， 负序电流大小见表2 2 。 表2 2 负序电流与负序不平衡电压的大小关系 i ( u 2 u n ) 1 0 0 5 8 1 0 1 7 1 2 1 , , o 30 4 8o 61 0 2 其保护判据如下： i1 2 l 出 【t 2 t 2 这是一个定时限判据。 其中：厶一一计算的负序电流； l 出一一启动定值； 乞一一动作延