一種基于故障分量原理的電動(dòng)機(jī)差動(dòng)保護(hù)裝置

采用故障分量原理設(shè)計(jì)了一種微機(jī)保護(hù)裝置，介紹了基于該技術(shù)的保護(hù)裝置彌補(bǔ)已有的電動(dòng)機(jī)綜合保護(hù)裝置的不足，與電動(dòng)機(jī)綜合保護(hù)裝置相結(jié)合能滿足大型高壓電動(dòng)機(jī)對(duì)保護(hù)的要求。并通過與傳統(tǒng)差動(dòng)保護(hù)的比較，說明采用故障分量作為制動(dòng)量的差動(dòng)保護(hù)所具備的優(yōu)越性。對(duì)保護(hù)裝置的硬件設(shè)計(jì)，以及保護(hù)原理進(jìn)行了介紹，并給出了對(duì)信號(hào)處理的算法。
    關(guān)鍵詞：微機(jī)保護(hù)；故障分量；比率差動(dòng)；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(dòng)機(jī)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(yán)重故障導(dǎo)致電機(jī)燒毀，將嚴(yán)重影響生產(chǎn)的正常進(jìn)行，造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失，因此必須對(duì)其提供完善的保護(hù)?，F(xiàn)有電動(dòng)機(jī)綜合保護(hù)裝置主要針對(duì)中小型電動(dòng)機(jī)，為其提供電流速斷，熱過載反時(shí)限過流，兩段式定時(shí)限負(fù)序，零序電流，轉(zhuǎn)子停滯，啟動(dòng)時(shí)間過長，頻繁啟動(dòng)等保護(hù)功能。而對(duì)于2000KW以上特大容量電動(dòng)機(jī)，則無法滿足其內(nèi)部故障時(shí)對(duì)保護(hù)靈敏度與速動(dòng)性的要求，因而研制此裝置并配合綜合保護(hù)裝置，為高壓電動(dòng)機(jī)提供更可靠更靈敏的保護(hù)措施。本裝置設(shè)計(jì)成三相式縱差，因?yàn)?000KW以上特大容量的電動(dòng)機(jī)所在的3KV﹑6KV﹑10KV電網(wǎng)可能是變壓器中性點(diǎn)經(jīng)高電阻接地的電網(wǎng)，三相式縱差保護(hù)不但能作為電動(dòng)機(jī)定子繞組及引出線相間短路的主保護(hù)，而且可作為單相接地故障的主保護(hù)，作用于瞬時(shí)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(biāo)出)經(jīng)光耦后進(jìn)入EPLD. 除此之外EPLD還擔(dān)負(fù)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(shí)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(shí)采樣4路信號(hào)，可以減小由于信號(hào)的非同時(shí)采樣帶來的誤差。本裝置以串口通信方式和上位機(jī)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(jì)了RS-232和RS-485兩個(gè)通訊接口，用戶可以根據(jù)需要自由選擇。

2 保護(hù)原理及算法說明
2.1 保護(hù)原理及優(yōu)點(diǎn)
    各種類型的差動(dòng)保護(hù)區(qū)別主要表現(xiàn)在制動(dòng)量的構(gòu)成上。在傳統(tǒng)的縱差保護(hù)中的制動(dòng)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(hù)的制動(dòng)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(dòng)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(hù)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(dòng)勢不等(E_r≠E_s)所產(chǎn)生的穿越電流I_th(即圖2(b)中負(fù)荷電流I_p)和由故障點(diǎn)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(dòng)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(hù)構(gòu)成可以表述如下：

  
    圖4為故障分量縱差保護(hù)曲線，其斜率通過原點(diǎn)，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(hù)與故障分量縱差保護(hù)的動(dòng)作電流沒有區(qū)別。但在動(dòng)作電流方面，從(2)、(6)兩式可以看出采用故障分量的制動(dòng)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(dòng)保護(hù)，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(dòng)作用，降低了保護(hù)靈敏度。因此故障分量的差動(dòng)保護(hù)比傳統(tǒng)的縱差保護(hù)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(dòng)保護(hù)在內(nèi)部故障時(shí)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(shí)，以I_f△(I_f)和I_th△為差動(dòng)電流和制動(dòng)電流的縱差保護(hù)恒有：
 
    即制動(dòng)系數(shù)為K_res.△≤2.0。
    故障分量縱差保護(hù)，在內(nèi)部短路時(shí)以K_res.△≤2.0劃定保護(hù)動(dòng)作區(qū)，在外部短路時(shí)以K_res.△≥0.056劃定保護(hù)制動(dòng)區(qū)，在制動(dòng)區(qū)和動(dòng)作區(qū)之間有很大的緩沖區(qū)，這表明保護(hù)具有極為優(yōu)良的動(dòng)作選擇性。理論上故障分量差動(dòng)保護(hù)有效地消除了正常負(fù)荷分量下不平衡電流的影響，可以作到使動(dòng)作特性在坐標(biāo)原點(diǎn)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(diǎn)制動(dòng)電流  ΔI_th.min可以取得較小。為了保護(hù)在外部故障下不誤動(dòng)，通常在滿足靈敏度要求的情況下，動(dòng)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(hù)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(hào)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(jí)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(qiáng)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(jìn)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(dá)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(duì)保護(hù)投退字的整定，投入或退出保護(hù)，同時(shí)裝置可根據(jù)電動(dòng)機(jī)所處狀態(tài)，即是啟動(dòng)還是運(yùn)行選擇不同的定值，從而具有較好的靈活性和適應(yīng)性。對(duì)CT狀態(tài)的監(jiān)視，使得保護(hù)具有了更高的可靠性。相對(duì)于傳統(tǒng)的差動(dòng)保護(hù)，其具有更高的靈敏度和選擇性，能夠比較理想的滿足實(shí)際生產(chǎn)的需要。同時(shí)面對(duì)當(dāng)前企業(yè)對(duì)工業(yè)生產(chǎn)過程自動(dòng)化的要求在不斷提高這一實(shí)際需求為保護(hù)增添了串行通訊接口，符合當(dāng)前保護(hù)裝置的發(fā)展趨勢。