【文章內(nèi)容簡介】 采用的是集成溫度傳感器AD590。針對電動(dòng)機(jī)的各類非接地性不對稱故障，設(shè)置負(fù)序過電流保護(hù)。負(fù)序電流保護(hù)是作為電動(dòng)機(jī)斷相、定子繞組或引出線不對稱相間短路、定子繞組匝間短路及三相電流不平衡的主保護(hù)。在電源電壓不對稱、逆相、斷相等故障時(shí)均會(huì)引起負(fù)序電流，對這類故障，雖然過熱保護(hù)己能提供保護(hù)，但在嚴(yán)重的不對稱故障時(shí)引起的很大，很有必要設(shè)置單獨(dú)的快速保護(hù)。所以本文采用兩段式定時(shí)限負(fù)序過電流保護(hù)。Ⅰ段針對嚴(yán)重不平衡故障，具有較高的整定值，動(dòng)作延時(shí)短（）；Ⅱ段針對三相電源嚴(yán)重不對稱，具有較低的整定值，動(dòng)作延時(shí)長（）。電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)時(shí)：I段負(fù)序電流保護(hù)判據(jù)： ()Ⅱ段負(fù)序電流保護(hù)判據(jù) ： ()為電動(dòng)機(jī)負(fù)序電流值；和分別為電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)時(shí)I段和II段負(fù)序電流整定值；為I段負(fù)序電流保護(hù)時(shí)間整定值，為短延時(shí)；為II段負(fù)序電流保護(hù)時(shí)間整定值，為長延時(shí)。電動(dòng)機(jī)運(yùn)行時(shí)：Ⅰ段負(fù)序電流保護(hù)判據(jù)： 　 ()Ⅱ段負(fù)序電流保護(hù)判據(jù)： ()為電動(dòng)機(jī)負(fù)序電流值；為電動(dòng)機(jī)運(yùn)行時(shí)Ⅰ段負(fù)序電流整定值，~1倍的額定電流；為II段負(fù)序電流整定值，~；為Ⅰ段負(fù)序電流保護(hù)時(shí)間整定值，為短延時(shí)；為II段負(fù)序電流保護(hù)時(shí)間整定值，為長延時(shí)。在整定負(fù)序電流定值時(shí)，需要注意1%的電壓不平衡會(huì)引起6%的電流不平衡，而實(shí)際供電電源總存在一定的不對稱，即使在正常運(yùn)行時(shí)，電動(dòng)機(jī)也會(huì)有一定的負(fù)序電流，所以整定時(shí)必須躲過這一不平衡因素。 圖29負(fù)序電流保護(hù)邏輯圖接地保護(hù)針對各類接地故障。為提高接地保護(hù)的靈敏度，采用零序電流保護(hù)和零序電壓保護(hù)。①零序電流保護(hù)零序電流保護(hù)是作為電動(dòng)機(jī)定子繞組及引出線接地故障的主保護(hù)，其電流取自機(jī)端專用的零序電流互感器。本文采用兩段式零序電流保護(hù)，I段零序電流保護(hù)用于跳閘，Ⅱ段零序電流保護(hù)用于告警。電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)時(shí)；?段零序電流保護(hù)判據(jù)： ()П段零序電流保護(hù)判據(jù)： ()為電動(dòng)機(jī)零序電流值；和分別為電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)時(shí)I段和П段零序電流整值；為I段零序電流保護(hù)時(shí)間整定值，為短延時(shí)；為П段零序電流保護(hù)時(shí)整定值，為長延時(shí)。電動(dòng)機(jī)運(yùn)行時(shí)：?段零序電流保護(hù)判： ()П段零序電流保護(hù)判據(jù)： ()為電動(dòng)機(jī)零序電流值；和分別為電動(dòng)機(jī)運(yùn)行時(shí)I段和II段零序電流整值；為I段零序電流保護(hù)時(shí)間整定值，為短延時(shí)；為II段零序電流保護(hù)時(shí)整定值，為長延時(shí)。保護(hù)邏輯框圖如圖210所示。②零序電壓保護(hù)為了解決電動(dòng)機(jī)定子繞組單相接地電流較小，零序電流保護(hù)靈敏度不能滿足要求情況，增加了零序電壓保護(hù)作為電動(dòng)機(jī)定子繞組及引出線接地故障的后備保護(hù)。判據(jù)如下： ()式中：為零序電壓值；為零序電壓動(dòng)作整定值，按躲過正常運(yùn)行時(shí)的最大不平衡基波零序電壓整定；為零序電壓保護(hù)延時(shí)，按躲過高壓側(cè)接地故障最長切除時(shí)間整定。保護(hù)邏輯框圖如圖211所示。圖210零序電流保護(hù)邏輯圖圖211零序電壓保護(hù)邏輯圖電動(dòng)機(jī)低電壓運(yùn)行時(shí)轉(zhuǎn)矩急劇下降，造成電動(dòng)機(jī)嚴(yán)重過載。而當(dāng)電動(dòng)機(jī)機(jī)端電壓下降到60%，電動(dòng)機(jī)的自啟動(dòng)將發(fā)生困難，針對這一現(xiàn)象，設(shè)置低電壓保護(hù)。低電壓保護(hù)應(yīng)當(dāng)具備以下功能：①保證重要電動(dòng)機(jī)的自起動(dòng)。當(dāng)電壓消失或降低時(shí)，電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速將減小，而當(dāng)電壓恢復(fù)時(shí)，電動(dòng)機(jī)中就會(huì)流過超過其額定電流好幾倍的過電流，造成電網(wǎng)電壓降加大，增加了電動(dòng)機(jī)起動(dòng)時(shí)間，或者根本無法起動(dòng)。所以可以考慮切除一部分不重要的電動(dòng)機(jī)，使電網(wǎng)電壓迅速恢復(fù)，以保證重要電動(dòng)機(jī)的自起動(dòng)；②防止在電動(dòng)機(jī)起動(dòng)時(shí)，由于反抗力矩大于起動(dòng)力矩而使電動(dòng)機(jī)過熱；③切除在電壓恢復(fù)時(shí)不允許自起動(dòng)的電動(dòng)機(jī)。低壓保護(hù)判據(jù)： ()為低壓保護(hù)整定值，對于不允許或不需要自起動(dòng)的電動(dòng)機(jī)其取值為60%~70% (為額定電壓)，對于需要自啟動(dòng)的電動(dòng)機(jī)其取值為50%；為低壓延時(shí)定值。失壓保護(hù)判據(jù)： ()為線電壓；為失壓保護(hù)整定值；為失壓延時(shí)定值；為各相相電流；為最小電流整定值。電動(dòng)機(jī)在長時(shí)間起動(dòng)狀態(tài)下，起動(dòng)電流可使電動(dòng)機(jī)繞組溫升超過容許值，另外頻繁地啟停電動(dòng)機(jī)也會(huì)導(dǎo)致電動(dòng)機(jī)過熱。所以本文裝置設(shè)有起動(dòng)時(shí)間過長保護(hù)和頻繁起動(dòng)保護(hù)。 (1)起動(dòng)時(shí)間過長保護(hù)起動(dòng)時(shí)間過長保護(hù)是由電流速斷保護(hù)來實(shí)現(xiàn)的。正常的起動(dòng)完成后電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行電流將在額定值附近，而起動(dòng)時(shí)間超過整定的起動(dòng)時(shí)間后，電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行電流仍保持較大的數(shù)值，則裝置保護(hù)動(dòng)作，跳開電動(dòng)機(jī)，說明起動(dòng)時(shí)間過長，起動(dòng)不成功。在起動(dòng)期間如最大起動(dòng)電流超出整定值，電流速斷保護(hù)也動(dòng)作。起動(dòng)時(shí)間過長保護(hù)整定：①起動(dòng)保護(hù)速斷電流整定值范圍：2~60A，；②起動(dòng)保護(hù)速斷動(dòng)作時(shí)間整定范圍：~，；③電動(dòng)機(jī)起動(dòng)時(shí)間整定范圍：1~。 (2)起動(dòng)時(shí)間間隔保護(hù)電動(dòng)機(jī)運(yùn)行規(guī)程中不允許頻繁地啟動(dòng)，由于每次起動(dòng)都會(huì)有較大的起動(dòng)電流而如果起動(dòng)間隔較短，就能引起電動(dòng)機(jī)過熱，所以特別設(shè)置了啟動(dòng)時(shí)間間隔保護(hù)。在規(guī)定的起動(dòng)間隔保護(hù)時(shí)間內(nèi)，電動(dòng)機(jī)不會(huì)被起動(dòng)。散熱時(shí)間間隔整定范圍：1~99min，級差1min。如上所述，本章在詳細(xì)分析了異步電動(dòng)機(jī)的各種故障特征，產(chǎn)生原因及對電動(dòng)機(jī)的影響，并闡述了相應(yīng)的保護(hù)原理、動(dòng)作判據(jù)及實(shí)現(xiàn)方法。第三章 電動(dòng)機(jī)保護(hù)裝置的硬件設(shè)計(jì) 硬件系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)從功能上來劃分，微機(jī)保護(hù)裝置可以分為6個(gè)部分：數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、計(jì)算機(jī)主系統(tǒng)、開關(guān)量輸入/輸出接口、人機(jī)接口、通信系統(tǒng)、電源系統(tǒng)。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的功能是采集由被保護(hù)設(shè)備的電流電壓互感器輸入的模擬信號，經(jīng)過預(yù)處理后轉(zhuǎn)化為所需數(shù)字量；計(jì)算機(jī)主系統(tǒng)以ATmega16L微處理器為核心，處理速度可達(dá)16MIPS，內(nèi)部含硬件乘法器，并自帶16K字節(jié)可編程Flash、512字節(jié)EEPROM、1K字節(jié)片內(nèi)SRAM；開關(guān)量輸入/輸出回路由并行口、光電耦合電路及有接觸點(diǎn)的中間繼電器等組成，以完成各種保護(hù)的出口跳閘、信號報(bào)警及外部輸入等工作；人機(jī)接口部分主要包括打印、顯示、鍵盤、各種面板開關(guān)等，其主要功能用于人機(jī)對話，如調(diào)試、定值調(diào)整、對微機(jī)工作狀態(tài)的干預(yù)等；通信系統(tǒng)可以完成機(jī)間通信及遠(yuǎn)動(dòng)的要求；電源系統(tǒng)提供了整個(gè)裝置所需的直流穩(wěn)壓電源，保證整個(gè)系統(tǒng)的可靠供電?？傮w設(shè)計(jì)如圖31所示：圖31 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)三相電壓電流的交流參數(shù)來自被保護(hù)線路或設(shè)備的電壓互感器、電流互感器二次側(cè)，通過TV、TA變換后形成模數(shù)轉(zhuǎn)換電路可以測量的電壓，然后經(jīng)低通濾波器（ALF）、采樣保持器（S/H）、模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片（ADC）轉(zhuǎn)變成與一次電量成線性關(guān)系的數(shù)字量。電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)、空載和負(fù)荷很輕的時(shí)候差動(dòng)電流中二次諧波分量可達(dá)基波分量的50%以上，其會(huì)引起差動(dòng)保護(hù)誤動(dòng)作，但是電動(dòng)機(jī)真正內(nèi)部故障時(shí)二次諧波分量卻很小。而在微機(jī)繼電保護(hù)中用到的一般只是其中的低次諧波，這就給CPU提出了過高的要求，因此，應(yīng)將采集來的模擬信號經(jīng)過低通濾波器濾除掉高次諧波，降低對微機(jī)硬件系統(tǒng)的過高要求。本保護(hù)裝置采用了三階低通濾波器[12]，其截止頻率為250Hz，響應(yīng)曲線的不均勻度為1db。如圖32所示。圖32 三階低通濾波電路在對高速變化的模擬信號進(jìn)行采樣時(shí)，必須在輸入模擬信號和A/D變換器之間加上采樣保持電路，才能保證A/D變換的可靠性與準(zhǔn)確性。在本保護(hù)系統(tǒng)中要采集每一相的電流、電壓等電量參數(shù)，為此選用了多路模擬開關(guān)和采樣保持器配合工作：利用多路開關(guān)將各路模擬信號輪流與A/D轉(zhuǎn)換器接通，使一個(gè)A/D轉(zhuǎn)換器能完成多個(gè)模擬信號的轉(zhuǎn)換，節(jié)省硬件開銷。NSC公司（美國國家半導(dǎo)體公司）生產(chǎn)的集成采樣保持器LF298，因其價(jià)格低廉，性能優(yōu)越，為工業(yè)所廣泛應(yīng)用。其優(yōu)越性能主要表現(xiàn)為：工作電源范圍寬，可在供電電壓 177。5V~177。18V下工作； 電壓跟隨時(shí)間短(10μs)，下降率低； 輸出電壓零點(diǎn)可調(diào)：高精度的直流誤差(%)；低功耗(約為500mW)；使用溫度范圍大（－25～＋85）等。本系統(tǒng)采用了兩片LF298集成芯片構(gòu)成采樣保持電路，其工作電路圖如圖33所示。當(dāng)V1為高電平時(shí)，采樣保持器工作于采樣方式；當(dāng)V1為低電平時(shí)，采樣保持器工作于保持方式。為了同步鎖存兩路模擬信號，兩個(gè)保持器共用一個(gè)邏輯控制信號[4]。圖33 采樣保持電路 A/D轉(zhuǎn)換微機(jī)保護(hù)裝置必須對同一時(shí)刻的電量進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換，以保證各路信號間的相對關(guān)系。在ATmega16L單片機(jī)中，有一個(gè)10位的逐次逼近型ADC，對電機(jī)保護(hù)裝置而言使用ATmega16L片內(nèi)A/D轉(zhuǎn)換器能夠滿足要求。ADC與一個(gè)多路模擬開關(guān)連接，通過分時(shí)復(fù)用的方式，能對來自端口A的8 路單端輸入電壓逐個(gè)進(jìn)行采樣。其轉(zhuǎn)換結(jié)果為： （）其中，VIN為被選中引腳的輸入電壓。使用AVR的ADC需要注意：ADC的分辨范圍在以GND為基準(zhǔn)的0 V到參考電壓的范圍內(nèi)。 V參考電壓為例，ADC的分辨范圍在0 V之間，而從PT，CT來的交流信號是雙極性信號，因此在進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換之前，必須要對輸入電平進(jìn)行變換，以獲得單片機(jī)能接收的信號[13]。圖34所示電路為全波精密整流電路，通過整流電路將采集來的交流信號負(fù)半波翻轉(zhuǎn)，從而獲得單片機(jī)能接收的單向脈動(dòng)信號。圖34 全波精密整流電路在A1半波精密整流電路中，當(dāng)Ui0時(shí)，Uo=－KUi(K0),當(dāng)Ui0時(shí)，Uo=0。若利用反相求和電路將－KUi與Ui負(fù)半周波形相加，就可實(shí)現(xiàn)全波整流。分析：由A2所組成的反相求和運(yùn)算電路可知，輸出電壓： （）當(dāng)時(shí)， 當(dāng)時(shí)，；所以 （）經(jīng)整流電路后，調(diào)整的交流電壓、電流變成ADC可以接受的單向脈動(dòng)電量，且幅值為正，Ui、Uo的波形如圖35所示。 圖35 電壓波形的轉(zhuǎn)換三相電流的測量采用三個(gè)電流傳感器，本系統(tǒng)采用GCT211B型電流互感器，它是一種保護(hù)型的互感器，輸入范圍為0100A，輸出為05A，內(nèi)部具有隔離和屏蔽電路，使得被測電流信號不被強(qiáng)電所干擾。輸出交流信號經(jīng)過精密整流電路整流、低通濾波、采樣保持、運(yùn)放后通過CPU的一路ADC送入單片機(jī)，經(jīng)過程序運(yùn)算，便可以得到電流值。其工作原理圖見圖36所示。圖36電流采集工作原理圖三相電壓的測量采用三個(gè)交流電壓互感器，再送給A/D轉(zhuǎn)換器采樣，由單片機(jī)對交流信號采樣、計(jì)算出電壓的有效值。(1)本系統(tǒng)采用TV10131型微型精密交流電壓互感器，TV10131是一種電流型電壓互感器，其體積小、精度高、外形美觀、機(jī)械和耐環(huán)境性能好、電壓隔離能力，典型應(yīng)用如圖36（a）和圖37（b），性能參數(shù)見表31。51 圖（a）圖（b）圖37 TV10131型電壓互感器典型應(yīng)用電路表31 TV10131性能參數(shù)使用方法輸入電壓輸出電壓相移非線性度線性范圍額定電流隔離耐壓圖（a）法≤1000Vac≤≤30′≤％2mA/2mA≥2000V圖（b）法≤1000Vac≤1/2倍Ic電源電壓≤5′≤％2倍額定2mA/2mA≥2000V(2)系統(tǒng)電壓的測量電路如下圖所示，采集來的交流電經(jīng)過橋式整流后變成直流電，再經(jīng)電位器調(diào)節(jié)后送到的A/D口進(jìn)行摸/數(shù)轉(zhuǎn)換。 圖37 系統(tǒng)電壓的處理系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集原理圖如圖38所示。圖38 系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集原理圖（1）AD590是美國模擬器件公司生產(chǎn)的單片集成兩端感溫電流源，流過器件的電流（mA）等于器件所處環(huán)境的熱力學(xué)溫度（開爾文）度數(shù)[4]，即： （3 .4）式中：IT——流過器件（AD590）的電流，單位為181。A；T——熱力學(xué)溫度，單位為K。它的主要特性如下：①AD590的測溫范圍為－55～+150。②AD590的電源電壓范圍為4V～30V。電源電壓從4V到6V變化，電流IT變化1181。A，相當(dāng)于溫度變化1K。AD590可以承受44V正相電壓和20V反相電壓，因而器件反接也不會(huì)被損壞。③輸出電阻為710MΩ。④精度高。AD590共有I、J、K、L、M五檔，其中M檔精度最高，在－55～+150范圍內(nèi)，非線性誤差為177。（2）AD590的基本應(yīng)用電路：圖38是AD590的封裝形式和AD590用于測量熱力學(xué)溫度的基本應(yīng)用電路。 圖38 AD590的封裝及基本應(yīng)用電路因?yàn)榱鬟^AD590的電流與熱力學(xué)溫度成正比，如兩電阻R1和R2之和為1kΩ，那么輸出電壓VO隨溫度的變化為1mV/K。但由于AD590的增益有偏差，電阻也有誤差，因此應(yīng)對電路進(jìn)行調(diào)整。調(diào)整的方法為：把AD590放于冰水混合物中，調(diào)整電位器R2，使VO=?；蛟谑覝叵拢?5）條件下調(diào)整電位器，使VO=+25=（）。但這樣調(diào)整只可保證在0或25附近有較高精度。圖39是用于測量攝氏（）溫度的電路。圖中用電位器R1調(diào)零點(diǎn)，用R2調(diào)增益，方法如下：將AD590放入0的冰水混合溶液中，調(diào)整R1使輸出VO=0V；然后將AD590放入100的沸水中，調(diào)R2使VO=100mV。然后反復(fù)調(diào)整多次，直至0時(shí)VO=0V，100時(shí)VO=100mV為止。最后在室溫下進(jìn)行校驗(yàn)。例如，室溫為25時(shí)，應(yīng)為25mV[4]。圖39溫度測量電路圖中AD581是高精度集成穩(wěn)壓器，輸入電壓最大為40V，輸出為10V。AD301A為高輸入阻抗運(yùn)放，其輸入電阻為2MΩ。輸出電壓100mV/送