【正文】 么輸出電壓VO隨溫度的變化為1mV/K。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(xiàn)性誤差為177。③輸出電阻為710MΩ。A，相當(dāng)于溫度變化1K。②AD590的電源電壓范圍為4V～30V。A；T——熱力學(xué)溫度，單位為K。 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。(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(jiàn)表31。其工作原理圖見(jiàn)圖36所示。 圖35 電壓波形的轉(zhuǎn)換三相電流的測(cè)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(cè)電流信號(hào)不被強(qiáng)電所干擾。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。圖34所示電路為全波精密整流電路，通過(guò)整流電路將采集來(lái)的交流信號(hào)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(hào)。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)。ADC與一個(gè)多路模擬開(kāi)關(guān)連接，通過(guò)分時(shí)復(fù)用的方式，能對(duì)來(lái)自端口A的8 路單端輸入電壓逐個(gè)進(jìn)行采樣。圖33 采樣保持電路 A/D轉(zhuǎn)換微機(jī)保護(hù)裝置必須對(duì)同一時(shí)刻的電量進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換，以保證各路信號(hào)間的相對(duì)關(guān)系。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。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。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。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(kāi)關(guān)和采樣保持器配合工作：利用多路開(kāi)關(guān)將各路模擬信號(hào)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(hào)的轉(zhuǎn)換，節(jié)省硬件開(kāi)銷(xiāo)。如圖32所示。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(guò)高的要求，因此，應(yīng)將采集來(lái)的模擬信號(hào)經(jīng)過(guò)低通濾波器濾除掉高次諧波，降低對(duì)微機(jī)硬件系統(tǒng)的過(guò)高要求?？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(lái)自被保護(hù)線(xiàn)路或設(shè)備的電壓互感器、電流互感器二次側(cè)，通過(guò)TV、TA變換后形成模數(shù)轉(zhuǎn)換電路可以測(cè)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(xiàn)性關(guān)系的數(shù)字量。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(lái)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(kāi)關(guān)量輸入/輸出接口、人機(jī)接口、通信系統(tǒng)、電源系統(tǒng)。散熱時(shí)間間隔整定范圍：1~99min，級(jí)差1min。 (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(guò)熱，所以特別設(shè)置了啟動(dòng)時(shí)間間隔保護(hù)。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。 (1)起動(dòng)時(shí)間過(guò)長(zhǎng)保護(hù)起動(dòng)時(shí)間過(guò)長(zhǎng)保護(hù)是由電流速斷保護(hù)來(lái)實(shí)現(xiàn)的。電動(dòng)機(jī)在長(zhǎng)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(guò)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(guò)熱。低壓保護(hù)判據(jù)： ()為低壓保護(hù)整定值，對(duì)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(duì)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。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(guò)超過(guò)其額定電流好幾倍的過(guò)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(wú)法起動(dòng)。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(duì)這一現(xiàn)象，設(shè)置低電壓保護(hù)。保護(hù)邏輯框圖如圖211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(mǎn)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(xiàn)接地故障的后備保護(hù)。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(zhǎng)延時(shí)。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。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)。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(duì)稱(chēng)，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(guò)這一不平衡因素。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(zhǎng)延時(shí)。所以本文采用兩段式定時(shí)限負(fù)序過(guò)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(xiàn)不對(duì)稱(chēng)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)。在本文中，采用的是集成溫度傳感器AD590。所以對(duì)埋有溫度傳感器的電動(dòng)機(jī)，有必要對(duì)溫度傳感器傳來(lái)的信號(hào)進(jìn)行測(cè)量，以實(shí)現(xiàn)電機(jī)過(guò)熱保護(hù)，結(jié)合前面所述的熱過(guò)載保護(hù)，則更能有效地保護(hù)電動(dòng)機(jī)。則得出反時(shí)限過(guò)負(fù)荷動(dòng)作特性為：T根據(jù)電機(jī)材料、定子重量、額定銅損，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)得到的允許溫升計(jì)算確定?！? 圖28過(guò)負(fù)荷運(yùn)行時(shí)溫升特性曲線(xiàn)將溫升特性式 (212)中指數(shù)項(xiàng)進(jìn)行泰勒級(jí)數(shù)展開(kāi)，取其前兩項(xiàng)，得： 帶入(212)得∵　——銅損為常數(shù)。，其通解為： () 由初始條件，代入(211)解出常數(shù)A為： 再代入(211)得解為： ()由此得到電動(dòng)機(jī)過(guò)負(fù)荷運(yùn)行時(shí)的溫升特性表達(dá)式。而方程左邊為在時(shí)間間隔中，定子繞組由于過(guò)負(fù)荷而發(fā)出的熱量，方程右邊為這一熱量一部分使定子溫度升高度。 圖27電動(dòng)機(jī)反時(shí)限動(dòng)作特性曲線(xiàn)電動(dòng)機(jī)發(fā)熱理論研究表明，電動(dòng)機(jī)持續(xù)運(yùn)行的容許負(fù)荷，主要取決于定子繞組的溫升，即定子電流的大小為電動(dòng)機(jī)過(guò)負(fù)荷的主要依據(jù)。這種方法是以電動(dòng)機(jī)發(fā)熱不至于使電機(jī)燒壞為準(zhǔn)，即電動(dòng)機(jī)的繞組在電流越大時(shí)，發(fā)熱量也越大，此時(shí)電動(dòng)機(jī)內(nèi)的溫度上升越快，達(dá)到使繞組被燒壞的溫度時(shí)間越短，此時(shí)需快速地切開(kāi)電動(dòng)機(jī)，反之，電動(dòng)機(jī)的電流小，達(dá)到電動(dòng)機(jī)繞組被燒壞的溫度的時(shí)間就越長(zhǎng)，此時(shí)電動(dòng)機(jī)還可繼續(xù)工作一段時(shí)間。因而產(chǎn)生電動(dòng)機(jī)的制動(dòng)力矩，造成電動(dòng)機(jī)過(guò)熱；(4)周?chē)h(huán)境工況惡劣，通風(fēng)不暢，環(huán)境溫度過(guò)高；(5)頻繁地起動(dòng)制動(dòng)等。過(guò)負(fù)荷保護(hù)實(shí)際上是通過(guò)電流幅值模擬電機(jī)的發(fā)熱，電動(dòng)機(jī)的熱慣性使它具有一種短暫的過(guò)載能力，此時(shí)短時(shí)間的過(guò)載仍屬正常運(yùn)行，只有到熱量積累溫升達(dá)到損壞電動(dòng)機(jī)的壽命程度時(shí)，才給予保護(hù)。其邏輯框圖如圖26所示。堵轉(zhuǎn)保護(hù)在電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)過(guò)程中閉鎖，啟動(dòng)結(jié)束后自動(dòng)投入。圖25 電流速斷保護(hù)邏輯框圖設(shè)置正序定時(shí)限保護(hù)作為電動(dòng)機(jī)堵轉(zhuǎn)故障的主保護(hù)，過(guò)負(fù)荷運(yùn)行的后背保護(hù)。電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)時(shí)，保護(hù)判據(jù)為： ()電動(dòng)機(jī)運(yùn)行時(shí)，保護(hù)判據(jù)為： ()其中為電動(dòng)機(jī)各相相電流；為電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)時(shí)可靠系數(shù)，；為電動(dòng)機(jī)最大啟動(dòng)電流，一般取9倍的額定電流；為電動(dòng)機(jī)運(yùn)行時(shí)相間短路電流；為電動(dòng)機(jī)運(yùn)行時(shí)可靠系數(shù)。在簡(jiǎn)單、可靠和保證選擇的前提下，原則上總是越快越好。由于短路故障將導(dǎo)致很大的故障電流，所以只要檢測(cè)到A、B、C三相電流中任一相或一相以上的電流值大于速斷的整定值，保護(hù)立即動(dòng)作。表2l電動(dòng)機(jī)常見(jiàn)故障信息分布表故障類(lèi)型過(guò)電流負(fù)序電流零序電流其他故障特征設(shè)置保護(hù)類(lèi)型對(duì)稱(chēng)故障三相短路無(wú)無(wú)電流速斷堵轉(zhuǎn)無(wú)無(wú)正序定時(shí)限過(guò)載無(wú)無(wú)正序反時(shí)限 不對(duì)稱(chēng)性故障 非接地?cái)嘞酂o(wú)負(fù)序定時(shí)限逆相無(wú)無(wú)不平衡無(wú)有無(wú)相間短路有無(wú) 接地單相接地有零序定時(shí)限二相接地有有（值的大小取決于位置）從表21可知，若以過(guò)流信息反映短路和堵轉(zhuǎn)故障，以負(fù)序和零序電流反映各類(lèi)不對(duì)稱(chēng)短路和接地短路等不對(duì)稱(chēng)故障，可以實(shí)施全面的電流保護(hù)。這樣，不僅能更好地反應(yīng)電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行狀況，還可以大大提高保護(hù)的靈敏度和可靠性。當(dāng)電動(dòng)機(jī)三相對(duì)稱(chēng)時(shí)，負(fù)序和零序電流為零，而發(fā)生不對(duì)稱(chēng)故障時(shí)則會(huì)顯著增加。當(dāng)任一相差動(dòng)電流大于差動(dòng)速斷整定值時(shí)瞬時(shí)動(dòng)作于出口繼電器。否則不進(jìn)行CT斷線(xiàn)斷定。CT斷線(xiàn)只閉鎖比率制動(dòng)差動(dòng)保護(hù)，不閉鎖差動(dòng)速斷保護(hù)。保護(hù)判據(jù)如下：差動(dòng)速斷： ()比率差動(dòng)： ()式中為制動(dòng)系數(shù)。理想情況下差動(dòng)保護(hù)動(dòng)作判據(jù)為：。在不考慮電流互感器勵(lì)磁電流影響時(shí)有： ()當(dāng)保護(hù)范圍內(nèi)部故障時(shí)，假設(shè)圖21中A相繞組在d點(diǎn)發(fā)生短路故障，則在 d點(diǎn)兩側(cè)均有電流流向短路點(diǎn)，此時(shí)，兩電流互感器二次側(cè)的電流幅值、相位均不相同，此時(shí)差動(dòng)保護(hù)動(dòng)作。且規(guī)定一次側(cè)電流(以A相位例)和的正方向?yàn)橛删€(xiàn)路流向電動(dòng)機(jī)，則二次測(cè)得電流為：圖21電動(dòng)機(jī)差動(dòng)保護(hù)原理 ， ， ()式中：、——電流互感器二次測(cè)電流；n——電流互感器變比；——差動(dòng)電流。它分為比率制動(dòng)式縱差保護(hù)、不完全縱差保護(hù)、標(biāo)積制動(dòng)式縱差保護(hù)等。本文對(duì)電動(dòng)機(jī)的主保護(hù)為電動(dòng)機(jī)差動(dòng)保護(hù)測(cè)控單元，后備保護(hù)為電動(dòng)機(jī)保護(hù)測(cè)控單元，兩個(gè)保護(hù)單元相互獨(dú)立。對(duì)于2000kW及以上的大容量電動(dòng)機(jī)，或容量稍小些的重要電動(dòng)機(jī)采用雙重保護(hù)措施。目前國(guó)內(nèi)外使用的各種異步電動(dòng)機(jī)保護(hù)裝置對(duì)大型異步電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)或自啟動(dòng)過(guò)程中的繼電保護(hù)，采用的是給保護(hù)整定長(zhǎng)延時(shí)或在啟動(dòng)過(guò)程中閉鎖保護(hù)跳閘出口的方式，此時(shí)若電動(dòng)機(jī)內(nèi)部存在故障隱患，或電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)或自啟動(dòng)過(guò)程中發(fā)生故障，會(huì)導(dǎo)致電動(dòng)機(jī)損壞甚至燒毀。另外，還應(yīng)設(shè)置過(guò)熱保護(hù)、啟動(dòng)時(shí)間過(guò)長(zhǎng)和頻繁起動(dòng)保護(hù)。在電動(dòng)機(jī)絕緣被破壞時(shí)，將導(dǎo)致繞組對(duì)外殼短路，引起繞組對(duì)地短路故障。電動(dòng)機(jī)在運(yùn)行中如果因機(jī)械故障、負(fù)荷過(guò)大、電壓過(guò)低等原因而使轉(zhuǎn)子處于堵轉(zhuǎn)狀態(tài)，此時(shí)電動(dòng)機(jī)散熱條件極差，電流很大，特別容易燒壞，需設(shè)置堵轉(zhuǎn)保護(hù)。另外，如果供電電壓恢復(fù)的較慢，則電動(dòng)機(jī)長(zhǎng)期處于起動(dòng)狀態(tài)，長(zhǎng)時(shí)間的大電流會(huì)導(dǎo)致絕緣過(guò)熱甚至損壞。當(dāng)供電系出現(xiàn)短路故障，導(dǎo)致電壓降低或電壓消失時(shí)，電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩急劇下降。由于電動(dòng)機(jī)長(zhǎng)時(shí)間處于過(guò)負(fù)荷狀態(tài)會(huì)引起電動(dòng)機(jī)繞組過(guò)熱，最后導(dǎo)致繞組間絕緣的損壞，所以電動(dòng)機(jī)長(zhǎng)時(shí)間過(guò)負(fù)荷運(yùn)行是不允許的。因此，對(duì)額定容量在2000kW以上，或小于2000kW但電流速斷保護(hù)靈敏度不夠的電動(dòng)機(jī)應(yīng)裝設(shè)縱聯(lián)差動(dòng)保護(hù)。這類(lèi)故障主要特征是除了嚴(yán)重的短路會(huì)造成故障相電流明顯增大外，大多數(shù)的不對(duì)稱(chēng)故障一般不會(huì)出現(xiàn)明顯的過(guò)電流，電動(dòng)機(jī)定子出現(xiàn)負(fù)序電流和零序電流，對(duì)電動(dòng)機(jī)的損害不僅僅是引起發(fā)熱，更重要的是不對(duì)稱(chēng)引起的負(fù)序效應(yīng)能造成電動(dòng)機(jī)端部發(fā)熱、轉(zhuǎn)子振動(dòng)及起動(dòng)力矩降低等一系列問(wèn)題，如果有過(guò)電流出現(xiàn)，還會(huì)使繞組發(fā)熱，甚至嚴(yán)重?fù)p壞。這類(lèi)故障主要特征是三相電流電壓基本對(duì)稱(chēng)，但電流值遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于額定電流，對(duì)電動(dòng)機(jī)的損害主要是熱效應(yīng)，使繞組發(fā)熱甚至損壞，還會(huì)產(chǎn)生不良的機(jī)械應(yīng)力可導(dǎo)致異步電動(dòng)機(jī)不同程度的受損；不對(duì)稱(chēng)故障又分為接地故障和非接地故障。由于電動(dòng)機(jī)的微機(jī)保護(hù)主要通過(guò)測(cè)量電量(電流、電壓以及開(kāi)關(guān)狀態(tài)等)來(lái)監(jiān)測(cè)電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行狀況，因此本論文探討的主要是繞組故障。要設(shè)計(jì)一個(gè)保護(hù)裝置，首先要分析保護(hù)對(duì)象會(huì)遇到的各類(lèi)故障，分析其故障特征，才能提出切實(shí)可行的保護(hù)方案。本文僅在電動(dòng)機(jī)保護(hù)上做了部分保護(hù)裝置，有待更高的完善。在本次課題設(shè)計(jì)中，首先分析了電動(dòng)機(jī)的各種故障類(lèi)型及故障產(chǎn)生的原因，對(duì)電動(dòng)機(jī)的各種保護(hù)原理做了大量分析，選擇適合于大、中型電動(dòng)機(jī)的保護(hù)方案；然后在第三章以ATmega16L單片機(jī)為硬件核心，設(shè)計(jì)出一套綜合保護(hù)裝置，通過(guò)處理采集來(lái)的電壓、電流、溫度等信號(hào)來(lái)判斷電動(dòng)機(jī)是否含有故障以及故障的類(lèi)型，并發(fā)出相應(yīng)動(dòng)作保護(hù)電動(dòng)機(jī)。我國(guó)電動(dòng)機(jī)保護(hù)的發(fā)展趨勢(shì)大致有以下幾點(diǎn)[3]：1. 研制在線(xiàn)監(jiān)控系統(tǒng)；2. 追尋理論上的突破，逐步由定性描述到定量分析；3. 應(yīng)具有較寬的連續(xù)可調(diào)整范圍、方便、準(zhǔn)確；4. 應(yīng)有完善的保護(hù)特性和互換性；5. 發(fā)展小型、質(zhì)優(yōu)價(jià)廉的保護(hù)裝置；6. 應(yīng)具有高度的可靠性和穩(wěn)定性；7. 應(yīng)具有很強(qiáng)的抗干擾能力、環(huán)境適應(yīng)能力；電壓使用能力和長(zhǎng)時(shí)間連續(xù)工作能力。與世界先進(jìn)國(guó)家相比我國(guó)的電動(dòng)機(jī)保護(hù)控制技術(shù)水平，還有一定差距，其技術(shù)含量較低。美國(guó)的其它產(chǎn)品還有電子型保護(hù)繼電器（SMP、CFFI）、熱敏電阻保護(hù)繼電器（RT3）、電子型保護(hù)系統(tǒng)（CFT4）、智能控制器（SMC）等各種型號(hào)序列數(shù)十種規(guī)格[21]。GE、EGR、DG、DZ、DGRSDDR、EECLH、DZGDZNGECHL）、數(shù)顯式智能型保護(hù)器(3DD、3DI、3DM、FD)、電壓型保護(hù)器（VR、EOVR、EUVR）等型號(hào)系列，60余種規(guī)格[3]。日本富士公司生產(chǎn)的QA型繼電器由CT、A/D轉(zhuǎn)換器和微處理器組成，提供過(guò)載、斷相