1引言
高壓大容量電動機是各發(fā)電廠及工礦企業(yè)的重要動力設備，由于電動機本身質量問題以及啟動頻繁、工作條件惡劣等各種原因，其故障率相當高。原電力部“發(fā)電廠國產高壓電動機質量調查報告”表明：在所調查的34個電廠中，高壓電動機總共681臺，損壞103臺，占15.1%；帶缺陷運行183臺，占36.9%；由于設備質量問題引起的占78.03%。在損壞的103臺中，相間和接地故障損壞15臺，占14.5%；定子繞組開路引起不平衡運行故障25臺，占24.34%；其他原因引起的故障63臺，占61.1%，僅就定子繞組故障統(tǒng)計，開路故障臺數(shù)約占45.4%。
由統(tǒng)計資料可知，不但電動機故障率較高，而且傳統(tǒng)的甚至目前各用戶采用的保護裝置都有不盡完善之處，因此應進一步研制新型的電動機保護裝置，本文所介紹的基于ISPLSI及單片機的新型微機保護裝置具有一系列新的特點。
2裝置硬件組成及工作原理
裝置的硬件電路原理框圖如圖1所示。
在原理圖中，采用主從式單片機結構，主單片機采用80C196KB，完成數(shù)據(jù)的采集、分析、處理及故障判斷。雖然80C196KB片內含10位A/D轉換器，但為了提高精度，本裝置采用了2片16位TLC320AD58芯片。從單片機采用AT89C52，完成整定值設置、信號顯示、機間通信等功能。為了提高電源的可靠性，電源采用臺灣明偉T—40B型開關電源。
電路采用Lattice公司生產的在系統(tǒng)可編程器件ISPLSI—1032E配合主從單片機協(xié)同工作，其等效邏輯電路如圖2虛線框內所示。
裝置中的ISPLSI主要由以下四部分組成：
(1)DMA控制器
本裝置采用高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，數(shù)據(jù)采集量很大。在數(shù)據(jù)采集完成時，CPU讓出總線，由ISPLSI將采集到的數(shù)據(jù)直接傳送到RAM。數(shù)據(jù)存儲完畢，ISPLSI將總線交還給CPU。在此過程中，CPU處理數(shù)據(jù)過程不受影響，也就是說，采樣過程對CPU是透明的。
(2)串并轉換組件
采集到的串行數(shù)據(jù)在ISPLSI內部完成串并轉換，并在DMA控制器的控制下，以并行方式傳送至RAM中由地址發(fā)生器指定的位置。
以下是用ABEL語言描述的DMA控制器及串并轉換組件
(3)主從機應答控制器
采用“握手”方式進行主從機數(shù)據(jù)交換，以提高數(shù)據(jù)交換的可靠性。
(4)預處理功能塊
3軟件設計
本裝置的軟件主要由故障檢測處理和通信兩大部分組成。故障檢測和處理采用96單片機實施，是本裝置的主體部分，相應軟件按照快速精確的算法完成故障檢測、判斷及處理等功能，以達到實時的基本要求。通信部分與AT89C52單片機接口，完成參數(shù)整定的輸入、故障報警、系統(tǒng)狀態(tài)及參數(shù)的顯示，以及接收用戶輸入的其它一些操作指令。
3.1計算方法
電動機的電源6kV系統(tǒng)是不接地系統(tǒng)，交流電流采樣只取Ia和Ic兩相即可，并相應由A相和C相電流互感器CT獲得。零序電流直流由零序電流互感器CT獲得。相應的處理程序計算出正、負序電流有效值后，再進行過流保護和負序保護等相關參數(shù)的判定。電壓信號由母線電壓互感器PT獲得，計算出有效值后與整定值進行比較，完成欠壓保護的判斷。
3.1.1差分濾波
為了抑制非周期分量的影響，加快計算速度，同時獲得更好的抑制衰減直流分量效果，可取差分步長k=1，其一階差分方程如式(1)所示
Y(n)=X(n)-X(n-1)?(1)
由差分方程(1)，每周期采樣12個點，計算出差分采樣序列：Ika, Ikc, Uk, Ik0即分別為A、C相差分序列、電壓、零序電流差分序列。
3.1.2傅氏算法
利用傅氏算法從上述差分采樣序列中提取基波分量，由下式(2)、(3)算出如下各量
同理可算出C相電流實、虛部IRc、IIc，電壓實、虛部UR、UI及零序電流實、虛部IR0、II0。
3.1.3相量濾序算法
即由A、C兩相電流的基波算出正、負序電流的實、虛部，如式(4)～(7)所示
3.1.4有效值計算
正序和負序電流有效值分別按式(8)～(11)計算
由上述算法得出的結果，與整定值比較，可完成以下保護功能：
(1)短路、堵轉、啟動時間過長保護(即正序保護)；
(2)不平衡保護(即負序保護)；
(3)單相接地故障保護(即零序保護)；
(4)欠壓保護(即電壓保護)；
(5)過熱保護。
對于過熱保護，本裝置分別考慮了正負序電流的熱效應，等效電流表達式如式(12)所示
其中k1啟動時取0.5，啟動后取1，k2可在3～10之間選擇，一般取6。
電動機熱保護運行時間—電流關系為反時限特性曲線如式(13)所描述
式中τ1——所選擇發(fā)熱時間常數(shù)，在150～2400s之間調節(jié)(級差6s)
IS——電動機額定電流
3.2故障監(jiān)控程序主流程圖
故障監(jiān)控程序主流程圖如圖3所示。
4動模實驗及運行效果
本裝置進行了動模實驗，在模擬電動機各種故障試驗中，本裝置動作正常，其動作時間檢驗如表1所示。
直流電源回路功率消耗5.6～9.2W，小于技術要求10W；進行相應的電磁抗干擾等試驗，裝置不誤動，運行正常；直流電源投退時，裝置不誤動；動穩(wěn)定試驗時，輸入超過40倍的額定電流，即通入電流40×5A，沖擊時間為10ms，結果正常；熱穩(wěn)定試驗時，通入電流100A，沖擊時間為1s，結果正常。該裝置在武漢熱電廠試運行一年來，各項指標均能達到設計要求，能準確、穩(wěn)定完成保護功能。
5結束語
文中根據(jù)電動機的故障特點，分析了目前的電動機保護裝置中尚不完善的功能，提出并研制了基于可編程器件與單片機為核心的新型電動機保護；在硬件和軟件上進行了合理配置與優(yōu)化設計，經動模實驗和實驗運行表明工作穩(wěn)定，能實行對不同類型故障的保護。
參考文獻
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2楊奇遜.微機型繼電保護基礎.水利電力出版社，1988.
3孫涵芳.Intel 16位單片機.北京航空航天大學出版社，1998.
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