徐强--数字式异步电动机保护装置的研制.doc

数字式异步电动机保护装置的研制徐强，尹项根，张哲，刘志成，吴娟娟（华中科技大学电气与电子工程学院，武汉市，430074）摘要：在调查分析了国内外异步电动机保护装置的研究发展状况的基础上，结合实际需求，研制了一种基于DSP芯片的数字式异步电动机保护装置。本文在介绍了其硬件结构、软件设计和保护方案的基础上，重点介绍了电动机在各种运行状态下的温度模型和相应的过热保护算法。该保护装置成本低，性能好，保护齐全，运行稳定可靠，维护方便。关键词：DSP；电动机保护；差分傅氏算法；过热保护；方向电流速断保护0 引言电动机因其结构简单、价格低廉、机械特性较好、运行维护方便等优点在国民经济各行业中获得了广泛的应用，特别是在发电厂和工矿企业中，异步电动机的应用最广，需求量最大。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。因此,做好异步电动机的保护工作具有非常重要的意义1。近年来，新材料、新工艺的大量使用，电动机正朝着功率与体积之比值越来越大的方向发展。这就使现代电动机的热容量和耐热限度急剧下降，而传统的中小型电动机保护技术落后，其烧损情况也十分严重，经济损失巨大。在大型电动机中使用的微机保护装置功能完善，但是由于造价太高，模型复杂，不容易推广到中小型电动机上。针对目前存在的这些问题，通过对电动机保护原理和不同运行状态下的过热模型进行深入分析，充分利用高性能DSP的快速计算和逻辑判断能力，实现电动机运行状态识别、保护功能和测量功能，本文研制了一套数字式电动机保护装置。该装置硬件平台通用性强，保护功能模块化，提高了生产设计效率，降低了调试维护工作量。1 硬件系统结构23电动机保护装置的硬件系统采用模块化结构，设计了测控板、显示板、变换板、开入开出板、总线板、电源板、扩展板共7块板，采用背插式结构，其硬件总体结构如图1所示。在本装置中，各个模块的分工明确，具体如下：(1)测控板采用TI公司的浮点型DSP芯片TMS320VC33为核心构成，主要完成数据采集计算、数据记录与分析、故障判别以及跳闸出口等功能。图1硬件总体结构示意图Figure.1 Diagram of hardware struction of the device (2)显示板采用Philips的ARM单片机LPC2200构成，主要完成人机交互所需的液晶显示和键盘管理，以及供现场调试所需的通讯。为了提高装置运行的抗干扰性，测控板与显示板之间仅通过串行通信互联，无其它电气上的直接联系。(3)变换板主要处理交流电流电压模拟量和420mA直流模拟量，经隔离变换和前置低通滤波处理后送入测控板进行A/D变换。(4)开入开出板主要处理12路外部空接点开入信号和4路脉冲信号，经光电隔离后进入测控板处理，另外还接收从测控板经光电隔离来的13路开出信号，通过继电器输出分合闸信号。开入开出板还能实现出口回路循环自检功能，和通过外部操作回路读取断路器分合闸位置等功能。(5)总线板用于联系所有插件，插件在总线板上的分布主要从抗干扰性和插件的厚度来考虑。(6)电源板采用开关电源，负责提供不同电压的直流电源。分为对外和对内两组电源，对内电源禁止直接或间接引到装置以外，以减少从电源方面带来的干扰。(7)扩展板增加了装置硬件平台的通用性，可用于扩展开入量和开出量、4-20mA直流模拟量输出等，其通过RS485串行接口与测控板通讯。硬件系统结构的设计在装置通用性、数据安全性、通讯功能可靠性等方面做了周密细致的考虑，保证了系统升级扩容的方便。装置采用6U高度标准小机箱，机箱采用密封、紧凑型结构，有特殊的屏蔽措施，具有极强的电磁兼容性能。2软件系统设计3保护软件的设计是继电保护装置的核心，保护软件系统的结构由装置的硬件设计和功能需求所决定。本装置保护软件系统由主程序和采样中断服务程序两部分组成，每工频周波采样32点，即每隔625uS进行一次采样中断，保存采样值和通讯数据收发。为了合理利用资源，保护计算安排在偶数次采样时进行，即保护按16点抽值进行计算，而测量数据转移和故障录波则安排在奇数次采样时进行。2.1主程序结构主程序流程框图如图2所示。装置上电之后，DSP系统自动从Flash程序存储器中读入程序到内部RAM中运行，DSP系统的指针自动指向主程序入口处开始往下执行程序。主程序主要完成硬件、软件初始化；上电全面自检，若上电自检不正常，则进入装置故障处理程序，若正常，则进入正常处理程序；最后进入主循环程序。主循环程序是一个不断循环的程序模块，它不断的被定时采样中断打断，程序功能包括测量计算和通讯任务处理等。图2 主程序流程框图Figure.2 Flow chart of main programme2.2定时采样中断程序结构定时采样中断采用每工频周波32点采样，而保护功能按照16点抽值计算，初始化一个软件计数器iSamCount0，每次采样中断均累加。在每次中断中均进行保存采样值和通讯数据收发，而当iSamCount不能被2整除时，还要进行测量数据转移等；当iSamCount能被2整除时，还要进入保护功能模块等。采样中断程序流程框图如图3所示。进入采样中断程序后，首先关中断，然后进行A/D转换，保存采样值于采样缓存区和通讯数据收发；接着判断iSamCount能否被2整除，若不能，则在完成测量数据转移和故障后录波等任务后返回主程序，反之，则在完成一阶差分滤波、傅氏算法计算电气量参数和保护功能模块的任务后返回主程序。图3 采样中断程序流程框图Figure.3 Flow chart of the sample service programme保护功能模块采用模块化设计，将各种保护原理封装成保护逻辑函数的形式，装置按照最大化配置所有需要的保护逻辑函数，在现场应用时可以根据用户要求由软压板进行投退。保护逻辑函数的设计采用基于保护逻辑框图的设计思想，逻辑框图表示了整个保护功能内各个元件之间的逻辑组合关系，给出了装置整体功能的输入信号、逻辑判断、输出信号之间的确定关系。保护软件的各个保护功能都可以用逻辑框图的形式表示出来。这样的设计方法使编程方便灵活，程序流程也更加简单清晰。下面以本装置中针对并联运行电动机的故障特征而改进的带方向的电流速断保护新方案为例，介绍其保护逻辑函数流程图和保护逻辑框图。带方向的电流速断保护逻辑函数流程图如图4所示。带方向的电流速断保护逻辑框图如图5所示，包括方向元件、过流元件、闭锁元件，由这些元件和软压板控制字进行逻辑组合后判断是否出口。此框图是针对电动机启动后正常运行中发生故障的情况，其中为电动机运行中的电流速断保护定值，为电动机启动时的电流速断保护定值。从逻辑框图中可以看到，在保护启动后三种情况只要有一种情况满足就会导致电流速断保护出口：(1)电流速断保护投入但电流速断方向不投入，判断到三相电流至少有一相电流大于运行电流速断保护定值；(2)电流速断保护和电流速断方向均投入，然后判断三相电流的方向均为正方向，如果此时判断到之前没有电流方向闭锁标志，再判断三相电流至少有一相电流大于运行电流速断保护定值；(3)电流速断保护和电流速断方向均投入，然后判断三相电流的方向均为正方向，如果此时判断到之前有电流方向闭锁标志，再判断三相电流至少有一相电流大于启动电流速断保护定值。3 温度模型电动机的运行正常与否，最重要的标志就是电动机的发热程度。Figure.4 Flow chart of the direcional instantaneous-current logic function逻辑函数流程图图4 带方向的电流速断保护逻辑函数流程图逻辑函数流程图图5 方向电流速断保护逻辑框图Figure.5 The logic chart of directionalinstantaneous-current protection 电动机发热的热源是运转时电动机内部的能量损耗，这些损耗主要包括绕组的铜损、铁损，以及通风、摩擦等机械损耗，和带负载时的附加损耗等。这些能量转化为热量，一部分为电动机各部分所吸收，使其温度升高；另一部分通过铁心、外壳、绕组端部散发到周围介质中去。随着电动机稳定运行时间的延续，其温度逐渐升高，最后与周围介质间达到热平衡。在此过程中，热量一般通过热传导和热对流的方式传递4。电动机保护的最困难的问题之一便是电动机过热保护。尤其是对于驱动大惯量负荷的大型电动机将会特别困难，因为此时电动机的启动电流很大，极有可能使是电动机的发热超过温度限值。为了更好的解决这个问题，本文在分析电动机的发热规律的基础上，研究了电动机在不同运行状态下的发热和散热过程，建立了相应的温度模型。为了使问题简化，特做以下假设：(1)电动机是具有单一热源的均质体，且内部热导率为无穷大；(2)电动机散发到周围介质中去的热量与两者间的温差成正比；(3)电动机的热容量为常数；(4)周围介质的温度不因吸收了电动机散出的热量而改变。3.1热平衡方程式4电动机单位时间内所产生的热量Q(J/s)，它是由电动机的总损耗功率P(W)转化而来，即：(1)式中：是定子铜损；是转子铜损；是定子铁损；是转子铁损。对于转子绕组，当电动机的供电电源不对称时，由于负序电流的热效应使其转子绕组的损耗明显增加。对于鼠笼式异步电动机，由于电流的趋肤效应，使得转子负序电阻增大，导致转子对数值相同的负序电流产生的损耗近于正序电流损耗的1.256倍。对于定子绕组，由于正序电阻与负序电阻相同，故数值相同的正序电流和负序电流产生的定子发热损耗相同。因此在计算电动机的总损耗时，要考虑到正、负序电流的发热效应的不同，在发热模型中采用正负序等效热电流，其表达式为5： (2)式中：是正序电流发热系数，电动机启动中取，运行中取；是负序电流发热系数，取，一般取为6；是正序电流；是负序电流。电动机在时间内产生的热量是： (3)设电动机的热容量为C(J/)，即物体温度每升高1所需的热量，则温度升高()所需的热量为： (4)式中：为温升。设电动机的散热率为A(J/*s)，即物体比周围介质温度每高1时，每秒散发到周围介质中去的热量，则在时间内散发出的热量为： (5)根据能量守恒定律，电动机内部产生的热量应等于电动机本身吸收的热量和散发的热量之和，即： (6)将式(3)、式(4)和式(5)代入上式(6)中，得到电动机的热平衡方程式：或 (7)3.2启动过程中的温度模型67电动机在启动过程中，我们可以假设为一个绝热过程。就是说，在此时间段内，由内部各种损耗源产生的热量将仅通过电动机的材料传递并且存储在这些材料中，完全用来使它们的温度从初始温度开始升高。在此短暂的启动过程中，我们将忽略热对流的作用，因为启动过程的时间很短，以至于在此暂态过程期间仅有很少热量通过对流传送到四周。此时电动机的热平衡方程式为： (8)式中：R为电气量，单位为欧姆。解此方程可得： (9)设其初始温升为，令，为计算间隔时间，采用离散计算模型，从初始温升开始计算，每一次的计算结果作为下一次计算时的初始值，则启动过程中的温升为：，(10)式中：为时刻的温升，为时刻的电流值。当启动过程中，若电动机的温升累积至告警或者跳闸整定值时，保护动作。当启动过程完成后，若保护未动作，电动机进入运行状态，其温升为。3.3稳定运行中的温度模型78电动机启动完成后，当负荷不变化时，进入稳定运行状态，在此过程中利用热对流方式将全部热量传递到周围的空气中，当其内部产生的热量和散发的热量相等时，即电动机与周围介质达到热平衡，温度不再升高。当电动机过负荷时，产生的热量将使温度升高，当电动机负荷降低时，散发的热量将使温度减小，此时的热平衡方程式为： (11)解得： (12)式中：是电动机额定运行电流；是初始温升；是稳定温升，；T是电动机的温升时间常数，。式(12)经一阶Taylor展开可得： (13)采用离散计算模型，从初始温升和计算间隔时间开始计算，每一次的计算结果作为下一次计算时的初始值。 (14)在电动机运行状态中，若电动机的温升累积至告警或跳闸定值时，保护动作。至运行结束，即停运开始时，其温升为。3.4停运中的温度模型电动机停运时，发热量减小，散热量大于发热量，其温升不断下降，直到重新达到发热量等于散热量时，温升不再变化。停运中的热平衡方程式为： (15)解得： (16)式(16)经一阶Taylor展开可得： (17)采用离散计算模型，从初始温升和计算间隔时间开始计算，每一次的计算结果作为下一次计算时的初始值。 (18)当电动机的温度逐渐下降趋向于环境温度时，最后的稳定温升。当保护动作跳开电动机后，电动机的温升下降到一定程度后，才允许再次合闸。4 差分傅氏算法39在中低压电力系统中，输入信号中往往含有基波，谐波和衰减直流分量等等，而多数情况是整数次谐波占有绝对优势。由于滤波器输入电流中往往含有衰减直流分量，若不对这个直流分量进行处理，必然会大大的影响基波分量的计算，而高次谐波分量的影响较小，因此需要进行差分滤波滤除衰减直流分量。结合傅氏算法的良好的滤除直流分量和谐波分量的能力，我们采用了一阶差分滤波和傅氏算法相结合的方法来计算保护所需的电气量。差分滤波算法公式为： (19)式中：为差分步长，可根据不同的滤波要求进行选择。设N点采样，即采样频率，信号频率，取，其幅频特性为： (20)其相频特性为： (21)在本装置中，具体的实现方法是：在进行傅氏算法之前，将原采样点序列先进行一次一阶差分计算，得到新序列，然后对新序列进行傅氏算法，得到基波实虚部，则可还原出原信号。即差分步长，信号频率为基波，可得还原信号的基波幅值和相角：幅值： 相角：5结论本文利用DSP的高效率计算能力进行电动机的运行状态识别和保护电气量计算，并针对其各种运行状态中的温度模型进行详细分析，采用离散数学模型计算电动机各种运行状态下的温度变化过程，实现了电动机完善的新型过热保护算法的改进，取得了良好的实用效果。参考文献：1 王维俭.电气主设备继电保护原理与应用.北京:中国电力出版社.2002WANG Wei-jian. 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