基于故障分量原理的電動機差動保護裝置

采用故障分量原理設(shè)計了一種微機保護裝置，介紹了基于該技術(shù)的保護裝置彌補已有的電動機綜合保護裝置的不足，與電動機綜合保護裝置相結(jié)合能滿足大型高壓電動機對保護的要求。并通過與傳統(tǒng)差動保護的比較，說明采用故障分量作為制動量的差動保護所具備的優(yōu)越性。對保護裝置的硬件設(shè)計，以及保護原理進行了介紹，并給出了對信號處理的算法。
    關(guān)鍵詞：微機保護；故障分量；比率差動；傅氏算法
 

A Motor Differential Protection Device Based on Fault Component

BI Rui , WEN Yang-dong , XU Hua-li 

(School of Electric Engineering and Automation ,Hefei University of technology ,Hefei 230009,China )

    Abstract： A microcomputer-based motor protection device based on fault component is designed in this paper. The device compensates the insufficiency of the microcomputer-based motor integrated protection device designed previously. Using the two devices in practice can meet the demands of high-voltage motor. Compared with traditional differential protection based on all components, differential protection based on fault component show its advantage. The design of device's hardware , the theory of protection and the algorithm of signals processing are introduced in the paper.
    Keywords： microcomputer-based protection ；fault component；percentage differential protection；Fourier algorithm
 

0 引言 
    大型高壓電動機作為昂貴的電氣主設(shè)備在發(fā)電廠，化工廠等大企業(yè)得到廣泛的應(yīng)用。如果發(fā)生嚴重故障導(dǎo)致電機燒毀，將嚴重影響生產(chǎn)的正常進行，造成巨大的經(jīng)濟損失，因此必須對其提供完善的保護?，F(xiàn)有電動機綜合保護裝置主要針對中小型電動機，為其提供電流速斷，熱過載反時限過流，兩段式定時限負序，零序電流，轉(zhuǎn)子停滯，啟動時間過長，頻繁啟動等保護功能。而對于2000KW以上特大容量電動機，則無法滿足其內(nèi)部故障時對保護靈敏度與速動性的要求，因而研制此裝置并配合綜合保護裝置，為高壓電動機提供更可靠更靈敏的保護措施。本裝置設(shè)計成三相式縱差，因為2000KW以上特大容量的電動機所在的3KV﹑6KV﹑10KV電網(wǎng)可能是變壓器中性點經(jīng)高電阻接地的電網(wǎng)，三相式縱差保護不但能作為電動機定子繞組及引出線相間短路的主保護，而且可作為單相接地故障的主保護，作用于瞬時跳閘。

1 裝置的整體硬件結(jié)構(gòu)
    該裝置的硬件結(jié)構(gòu)圖如圖圖1所示。

    裝置采用Intel公司的80C196KB作為處理器。為提高系統(tǒng)的抗干擾性，防止程序的跑飛，使用了一塊MAX705芯片作為硬件看門狗。所有的數(shù)字量的輸入輸出均由EPLD(可擦除可編程邏輯電路)芯片的管腳引入引出，開關(guān)量(未在圖中標出)經(jīng)光耦后進入EPLD. 除此之外EPLD還擔(dān)負著系統(tǒng)中外圍芯片片選的地址譯碼工作和數(shù)字邏輯門電路的實現(xiàn)。A/D使用美國模擬器件公司的AD7874，AD7874是四輸入12位數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，采樣精度高，而且由于能同時采樣4路信號，可以減小由于信號的非同時采樣帶來的誤差。本裝置以串口通信方式和上位機交換 數(shù)據(jù)，為滿足不同的用戶可能采用的不同通訊方式的要求，本裝置設(shè)計了RS-232和RS-485兩個通訊接口，用戶可以根據(jù)需要自由選擇。

2 保護原理及算法說明
2.1 保護原理及優(yōu)點
    各種類型的差動保護區(qū)別主要表現(xiàn)在制動量的構(gòu)成上。在傳統(tǒng)的縱差保護中的制動量是由故障分量疊加穿越電流構(gòu)成的，而故障分量縱差保護的制動量則僅僅由故障分量構(gòu)成，具體分析如下。
2.1.1 傳統(tǒng)差動與基于故障分量縱差的構(gòu)成
    以如下最簡單的兩側(cè)電源為例。(如圖2)

    圖2(a)為故障網(wǎng)絡(luò)。傳統(tǒng)縱差保護所比較的是兩側(cè)的全電流，這里"全電流"( I_s和I_r )包括兩部分：即由兩電源電動勢不等(E_r≠E_s)所產(chǎn)生的穿越電流I_th(即圖2(b)中負荷電流I_p)和由故障點的故障前反向電壓-U_△產(chǎn)生的故障電流分量I_s△和I_r△(如圖2(c))。其差動電流構(gòu)成可如下式：
 

    圖2(c)為故障分量網(wǎng)絡(luò)。因此故障分量縱差保護構(gòu)成可以表述如下：

  
    圖4為故障分量縱差保護曲線，其斜率通過原點，因此可以用代替式(8)。

2.1.2 靈敏度與選擇性的分析
    從(1)、(5)兩式可以看出傳統(tǒng)縱差保護與故障分量縱差保護的動作電流沒有區(qū)別。但在動作電流方面，從(2)、(6)兩式可以看出采用故障分量的制動電流，只與設(shè)備的平衡相似網(wǎng)絡(luò)有關(guān)而與其兩側(cè)的電源無直接關(guān)系，因而與穿越電流無關(guān)。傳統(tǒng)的差動保護，兩側(cè)電流中包含有由于兩側(cè)電源不等所產(chǎn)生的穿越電流，形成制動作用，降低了保護靈敏度。因此故障分量的差動保護比傳統(tǒng)的縱差保護有更高的靈敏度。
    根據(jù)平衡相似網(wǎng)絡(luò)可推出故障分量差動保護在內(nèi)部故障時有下述關(guān)系：

    由于上式右方的最小值為2.0(Z_s和Z_r均為感性阻抗，兩者相角差恒小于90°)，所以內(nèi)部故障時，以I_f△(I_f)和I_th△為差動電流和制動電流的縱差保護恒有：
 
    即制動系數(shù)為K_res.△≤2.0。
    故障分量縱差保護，在內(nèi)部短路時以K_res.△≤2.0劃定保護動作區(qū)，在外部短路時以K_res.△≥0.056劃定保護制動區(qū)，在制動區(qū)和動作區(qū)之間有很大的緩沖區(qū)，這表明保護具有極為優(yōu)良的動作選擇性。理論上故障分量差動保護有效地消除了正常負荷分量下不平衡電流的影響，可以作到使動作特性在坐標原點附近的死區(qū)很小，故障分量差流閾值ΔI_f.min和故障分量拐點制動電流  ΔI_th.min可以取得較小。為了保護在外部故障下不誤動，通常在滿足靈敏度要求的情況下，動作特性曲線的斜率盡量取大一些。式(9)又可見|I_{f Δ}/I_{th Δ}| ≥ 2.0，而且靈敏度很高(Z_f允許較大)。由此可見，此種保護不僅具有較高的選擇性而且具有較高的靈敏度。 
2.2 數(shù)字濾波及處理信號有效值的算法
    本裝置中采用相減濾波與傅氏算法相結(jié)合的方法。傅氏算法假設(shè)輸入的電壓電流為周期函數(shù)，利用傅氏級數(shù)可將其分解為正弦函數(shù)和余弦函數(shù)，因而具有很強的濾去高次諧波的功能。但是該算法本身不能濾去衰減的非周期分量，因而在進行傅氏濾波之前加入相減濾波單元濾去衰減的非周期分量，達到減小誤差的作用。
    相減濾波方程如下：


3 結(jié)束語
    本置的功能完善，用戶可以通過對保護投退字的整定，投入或退出保護，同時裝置可根據(jù)電動機所處狀態(tài)，即是啟動還是運行選擇不同的定值，從而具有較好的靈活性和適應(yīng)性。對CT狀態(tài)的監(jiān)視，使得保護具有了更高的可靠性。相對于傳統(tǒng)的差動保護，其具有更高的靈敏度和選擇性，能夠比較理想的滿足實際生產(chǎn)的需要。同時面對當(dāng)前企業(yè)對工業(yè)生產(chǎn)過程自動化的要求在不斷提高這一實際需求為保護增添了串行通訊接口，符合當(dāng)前保護裝置的發(fā)展趨勢。