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摘要：阐述了微机对高压电机的速断、反时限以及单相接地保护的硬件和软件原理，并对其数学模型的建立进行了讨论。
关键词：高压电机；微机；保护；AD转换；数据分析
中图分类号：TM3文献标识码： A 文章编号：
引 言
目前，我国高压电机的保护主要有机电式和集成电路式两种。高压电机的机电式保护，主要以电流增大作为判据，保护原理粗略，对断相等严重不对称故障，由于一般不出现显著的电流幅值增大，从而使保护装置难以及时动作，造成事故扩大。集成电路式保护虽在保护原理上有所改善，但其保护特性一般无法与电动机热曲线实现较好的配合，常发生拒动或误动，严重时甚至烧毁电动机，因此，在现场也不为运行人员所喜爱。微机保护一般以单片机为核心，具有可靠性高、动作正确率高、保护性能容易得到改善、使用灵活方便和维护调试方便等优点，是高压电机保护的发展方向。
1 保护原理
为实现微机对高压电机继电保护的功能，要将保护设备的高压电流经变换器转换成计算机处理的信号，通过整流、滤波，消除其它干扰和影响，并能用键盘设定电流整定值及动作时限整定值，以实现不同的保护对象。正常时，显示被保护对象工作电流值，在保护动作后，发出相应的信号，并记录动作电流值，作为监视、分析故障的依据。
1.1 微机保护特性
高压电机的常见故障有三相过载、机械堵转、三相短路等，这些故障对电机的损害主要是电流增大引起电机的发热。当电机的端电压比其额定电压低10%时，负荷电流增大5%~1O%以上，温升将增加1O%~15%以上，绝缘老化程度将比规定增加一倍以上，从而电机的寿命明显缩短，严重时甚至烧毁电机；当其端电压偏高时，负荷电流和温升也将增加，绝缘相应受损，将缩短电机寿命。单相接地故障多是由于电机受潮、转子刮壳等原因造成的，一般为非金属接地，不会出现显著的电流幅值变化，但有零序电流产生，由于该类故障常使事故升级，所以，对该类故障也必须尽早诊断、排除【1】。
微机可同时实现对高压电机的过负荷保护、电流速断保护和单相接地等保护【2】，其保护特性原理如图1所示。
图1 微机保护特性图
图中过负荷电流Igd即反时限过电流的起动电流。而速断起动电流可通过改变程序内容方便地进行整定。其中反时限的动作时限t是K(K=Id／Igd)的函数，要实现不同的反时限动作特性，只需计算不同的函数 ：t=f(k)即可。在程序中采用t=a0*I/K+b0= a0* Ig／Id+b0计算公式。在实际应用中并不采用真正的t，计算机从
一次采样计算到判断出是否出现过流这一过程，所需时间是一定的，某时间可以用上述过程的循环次数N来表示，即N= a0* Ig／Id+b0，对于一定的a0，b0，Id越大(即故障电流越大)，循环次数N越小，即动作时限越短，而a0，b0，的数值不同，可以形成不同的保护特性，且a0，b0，的数值可以通过修改程序内容加以修正。
单相接地保护是根据故障类型的特性进行判断的，用来判断的电流均是指突变电流，即事故分量电流，故障的特性是两个非故障相电流之差为零。
1.2 微机系统采样及保护
微机控制系统的采样频率是一个很重要的问题。根据采样定理，如果一个具有有限频率的连续信号f(t)进行采样，为了采样信号能反应连续信号f（t）的变化规律，则采样频率必须满足fs>2fmax，才能满足无失真的重复原来信号。对于工频为50 HZ的供电系统，要求fs>2×50HZ，即Ts≤0.01s，就能实现无失真的复原信号。该系统的采样频率为fs=16×50 HZ，满足采样频率的要求。
微机保护是用数学运算方法实现故障测量、分析和判断的【3】。所以，微机保护中的一个基本问题就是寻找适当的离散运算方法来实现一定的保护功能，使运算结果的精度能满足工程要求而计算耗时又尽可能短。本装置采用不同步的均匀采样方法，即采样时刻不要求与系统同步，但采样间隔相同。计算方法是采用面积算法，它是利用任意半个周期内绝对值的积分为一个常数S，且积分值S和积分起始点的初相角无关这一特性计算的。
对于工频为50HZ的系统，一般每个周期采样12次就完全满足计算要求。50HZ每周期为20000µs，采用MCS一31单片机，主频6MHZ。如每周期采样16次，对每相的一个周波，每次采样间隔20000／16=1250µs。实际上，在这1250µs的间隔内，装置还需对另外两相采样，而每一相又分别取两个不同的采样电压值，所以，实际上CPU是每隔1250／6µs对三相电流采样一次，对主频为6MHZ的MCS-31而言，相当于
1250／6×2个机器周期。所以，只要求CPU每隔416个机器周期采样一次，保证均匀采样。该计算方法采样精确，本身具有数字滤波特性，可消除干扰信号产生的不准确信号，运算量极小，反应速度极快，在故障发生后一个周期即可响应。
2 硬件电路实现
2.1 数据采集系统【4】
2.1.1 电压形成
电动机的过负荷、过流等故障产生的电流信号，经过电流变换器将电流互感器的二次电流变换为与之成比例的弱电流，其在二次侧电阻上的电压降落即为所需电压。电流变换器的优点是失真度小。
2.1.2 低通滤波器
由奈奎斯特采样定理可知：如果被采样信号为有限带宽的连续信号，其所含的最高频率成分为fmax，若采样频率fs不小于2fmax，则原来信号可以完全恢复而不会畸变，否则将产生频率混叠。
电机在故障初瞬的电流中含有高频分量，其频率往往高达2kHZ以上，所以，使采样频率fs必须高达4kHZ以上，要采用一个模拟低通滤波器，将高频分量滤掉，仅让fs／2以上的频率通过，从而降低对微机系统硬件过高的要求。
2.1.3 模拟量多路转换开关【5】
本装置采用AD7506多路转换开关，将各路模拟量轮流切换到转换器上。
2.1.4 采样保持器
因为AD574中无采样保持器，所以，本装置另行选择LF398作为采样保持器。
2.1.5 模数转换器
采用AD574模数转换芯片。
系统硬件接线如图2所示。
2.2 系统接口电路
AD574与8031的中断方式接口电路脚将AD574的STS线经过一个非门连接到8031的INT1脚，采用中断方式可大大节省CPU 的时间【5】。
人机对话接口电路主要是键盘和显示两大部分，采用8155可编程接口芯片。
输出控制电路由光电隔离电路、功率放大电路和执行机构等组成。该电路为保护装置的執行电路，由跳闸回路、声光报警指示电路组成，具有跳闸、报警和指示故障类型等功能。
图2 硬件接线图
3 软件系统
软件模块框图如图3所示。
图3 软件模块框图
软件可以实现对高压电机的电流速断过负荷、过流和单相接地等保护。
采用不同步均匀的方法，即采样时刻不要求与系统同步，但采样间隔相同。计算方法采用的是直接计算有效值，即半周积分算法。
本装置的软件判断了速断、单相接地和反时限过流等故障，程序主要分为三大模块，分别为主程序模块、采样中断模块和故障处理模块(各模块流程图略)。
三个程序模块的关系：CPU正常时执行主程序。主要完成初始化，保护整组复归及巡回自检等功能。在主程序执行过程中，数据采集系统的定时器每到一个采样的间隔时间Ts发出中断，执行采样中断服务程序，控制各通道同时采样，并根据采样值初算电流量是否达到动作值，若没有则继续循环，若达到动作值则启动元件动作，转向故障处理程序。在故障处理程序中完成跳闸、反时限过流、单相接地等功能。
4 微机保护的抗干扰措施
可靠性是继电保护的基本要求之一，微机继电保护一般在工业上存在着各种电磁干扰，有的干扰强度很大，其中最为严重的是程序逻辑出格。如何提高其可靠性，是微机保护装置设计的一个重要问题。
4.1 干扰源
干扰源分为外部干扰源和内部干扰源。外部干扰是指那些与系统结构无关，而由使用条件和外部环境所造成的干扰；内部干扰是指由系统结构、元件布局和生产工艺等决定的干扰。
干扰的形式一般分两种：即横模干扰和共模干扰。横模干扰是串联于信号源之中的干扰，即串联干扰；共模干扰是引起回路对电位发生变化的干扰，即对地干扰。
干扰的耦合途径分为静电耦合方式、互感耦合方式、公共阻抗耦合方式、电磁场辐射耦合方式。
4.2 抗干扰的措施【6】
首先要切断干扰的耦合途径，即接地的处理、屏蔽与隔离、滤波退耦及旁路合理的分配和布置插件。抗干扰的措施如下：
(1)自恢复电路。当程序出格时，利用硬件电路将其复位，防止可能的误动作，合理的硬件设计可以做到干扰不会引起微机的工作失误。
(2)接口电路的闭琐及光电耦合。在输出信号端都通过一个与非门，且在与非门的两个输入端都满足条件时，才能驱动光电器发出信号。在这里加上光电耦合器件，也是为了增强抗干扰能力。
(3)用软件方法增强系统的抗干扰能力。
5 结 语
研究的高压电机微机继电保护，采用单片机监测电机故障，并模拟电机实际运行特性进行保护。实现了数字式处理、成本低、功能强、操作简单、可靠性高、性价比高，具有较好的推广应用前景。
参考文献：
[1] 蔡泽祥．高压异步电动机的智能化综合保护[J]．继电器，1996，(1)：29-30．
[2] 刘介才．工厂供电[M]．北京：机械工业出版社，1999．
[3] 陈德树．微机继电保护[M]．北京：中国电力出版社，2002．
[4] 孙慎言．微型计算机控制系统[M]．北京：机械工业出版社，1993．
[5] 李大友．微型计算机接VI技术[M]．北京：高等教育出版社，1990．
[6] 杨奇逊．微型机机电保护基础[M]．北京：水利电力出版社，1994．
关键词：高压电机；微机；保护；AD转换；数据分析
中图分类号：TM3文献标识码： A 文章编号：
引 言
目前，我国高压电机的保护主要有机电式和集成电路式两种。高压电机的机电式保护，主要以电流增大作为判据，保护原理粗略，对断相等严重不对称故障，由于一般不出现显著的电流幅值增大，从而使保护装置难以及时动作，造成事故扩大。集成电路式保护虽在保护原理上有所改善，但其保护特性一般无法与电动机热曲线实现较好的配合，常发生拒动或误动，严重时甚至烧毁电动机，因此，在现场也不为运行人员所喜爱。微机保护一般以单片机为核心，具有可靠性高、动作正确率高、保护性能容易得到改善、使用灵活方便和维护调试方便等优点，是高压电机保护的发展方向。
1 保护原理
为实现微机对高压电机继电保护的功能，要将保护设备的高压电流经变换器转换成计算机处理的信号，通过整流、滤波，消除其它干扰和影响，并能用键盘设定电流整定值及动作时限整定值，以实现不同的保护对象。正常时，显示被保护对象工作电流值，在保护动作后，发出相应的信号，并记录动作电流值，作为监视、分析故障的依据。
1.1 微机保护特性
高压电机的常见故障有三相过载、机械堵转、三相短路等，这些故障对电机的损害主要是电流增大引起电机的发热。当电机的端电压比其额定电压低10%时，负荷电流增大5%~1O%以上，温升将增加1O%~15%以上，绝缘老化程度将比规定增加一倍以上，从而电机的寿命明显缩短，严重时甚至烧毁电机；当其端电压偏高时，负荷电流和温升也将增加，绝缘相应受损，将缩短电机寿命。单相接地故障多是由于电机受潮、转子刮壳等原因造成的，一般为非金属接地，不会出现显著的电流幅值变化，但有零序电流产生，由于该类故障常使事故升级，所以，对该类故障也必须尽早诊断、排除【1】。
微机可同时实现对高压电机的过负荷保护、电流速断保护和单相接地等保护【2】，其保护特性原理如图1所示。
图1 微机保护特性图
图中过负荷电流Igd即反时限过电流的起动电流。而速断起动电流可通过改变程序内容方便地进行整定。其中反时限的动作时限t是K(K=Id／Igd)的函数，要实现不同的反时限动作特性，只需计算不同的函数 ：t=f(k)即可。在程序中采用t=a0*I/K+b0= a0* Ig／Id+b0计算公式。在实际应用中并不采用真正的t，计算机从
一次采样计算到判断出是否出现过流这一过程，所需时间是一定的，某时间可以用上述过程的循环次数N来表示，即N= a0* Ig／Id+b0，对于一定的a0，b0，Id越大(即故障电流越大)，循环次数N越小，即动作时限越短，而a0，b0，的数值不同，可以形成不同的保护特性，且a0，b0，的数值可以通过修改程序内容加以修正。
单相接地保护是根据故障类型的特性进行判断的，用来判断的电流均是指突变电流，即事故分量电流，故障的特性是两个非故障相电流之差为零。
1.2 微机系统采样及保护
微机控制系统的采样频率是一个很重要的问题。根据采样定理，如果一个具有有限频率的连续信号f(t)进行采样，为了采样信号能反应连续信号f（t）的变化规律，则采样频率必须满足fs>2fmax，才能满足无失真的重复原来信号。对于工频为50 HZ的供电系统，要求fs>2×50HZ，即Ts≤0.01s，就能实现无失真的复原信号。该系统的采样频率为fs=16×50 HZ，满足采样频率的要求。
微机保护是用数学运算方法实现故障测量、分析和判断的【3】。所以，微机保护中的一个基本问题就是寻找适当的离散运算方法来实现一定的保护功能，使运算结果的精度能满足工程要求而计算耗时又尽可能短。本装置采用不同步的均匀采样方法，即采样时刻不要求与系统同步，但采样间隔相同。计算方法是采用面积算法，它是利用任意半个周期内绝对值的积分为一个常数S，且积分值S和积分起始点的初相角无关这一特性计算的。
对于工频为50HZ的系统，一般每个周期采样12次就完全满足计算要求。50HZ每周期为20000µs，采用MCS一31单片机，主频6MHZ。如每周期采样16次，对每相的一个周波，每次采样间隔20000／16=1250µs。实际上，在这1250µs的间隔内，装置还需对另外两相采样，而每一相又分别取两个不同的采样电压值，所以，实际上CPU是每隔1250／6µs对三相电流采样一次，对主频为6MHZ的MCS-31而言，相当于
1250／6×2个机器周期。所以，只要求CPU每隔416个机器周期采样一次，保证均匀采样。该计算方法采样精确，本身具有数字滤波特性，可消除干扰信号产生的不准确信号，运算量极小，反应速度极快，在故障发生后一个周期即可响应。
2 硬件电路实现
2.1 数据采集系统【4】
2.1.1 电压形成
电动机的过负荷、过流等故障产生的电流信号，经过电流变换器将电流互感器的二次电流变换为与之成比例的弱电流，其在二次侧电阻上的电压降落即为所需电压。电流变换器的优点是失真度小。
2.1.2 低通滤波器
由奈奎斯特采样定理可知：如果被采样信号为有限带宽的连续信号，其所含的最高频率成分为fmax，若采样频率fs不小于2fmax，则原来信号可以完全恢复而不会畸变，否则将产生频率混叠。
电机在故障初瞬的电流中含有高频分量，其频率往往高达2kHZ以上，所以，使采样频率fs必须高达4kHZ以上，要采用一个模拟低通滤波器，将高频分量滤掉，仅让fs／2以上的频率通过，从而降低对微机系统硬件过高的要求。
2.1.3 模拟量多路转换开关【5】
本装置采用AD7506多路转换开关，将各路模拟量轮流切换到转换器上。
2.1.4 采样保持器
因为AD574中无采样保持器，所以，本装置另行选择LF398作为采样保持器。
2.1.5 模数转换器
采用AD574模数转换芯片。
系统硬件接线如图2所示。
2.2 系统接口电路
AD574与8031的中断方式接口电路脚将AD574的STS线经过一个非门连接到8031的INT1脚，采用中断方式可大大节省CPU 的时间【5】。
人机对话接口电路主要是键盘和显示两大部分，采用8155可编程接口芯片。
输出控制电路由光电隔离电路、功率放大电路和执行机构等组成。该电路为保护装置的執行电路，由跳闸回路、声光报警指示电路组成，具有跳闸、报警和指示故障类型等功能。
图2 硬件接线图
3 软件系统
软件模块框图如图3所示。
图3 软件模块框图
软件可以实现对高压电机的电流速断过负荷、过流和单相接地等保护。
采用不同步均匀的方法，即采样时刻不要求与系统同步，但采样间隔相同。计算方法采用的是直接计算有效值，即半周积分算法。
本装置的软件判断了速断、单相接地和反时限过流等故障，程序主要分为三大模块，分别为主程序模块、采样中断模块和故障处理模块(各模块流程图略)。
三个程序模块的关系：CPU正常时执行主程序。主要完成初始化，保护整组复归及巡回自检等功能。在主程序执行过程中，数据采集系统的定时器每到一个采样的间隔时间Ts发出中断，执行采样中断服务程序，控制各通道同时采样，并根据采样值初算电流量是否达到动作值，若没有则继续循环，若达到动作值则启动元件动作，转向故障处理程序。在故障处理程序中完成跳闸、反时限过流、单相接地等功能。
4 微机保护的抗干扰措施
可靠性是继电保护的基本要求之一，微机继电保护一般在工业上存在着各种电磁干扰，有的干扰强度很大，其中最为严重的是程序逻辑出格。如何提高其可靠性，是微机保护装置设计的一个重要问题。
4.1 干扰源
干扰源分为外部干扰源和内部干扰源。外部干扰是指那些与系统结构无关，而由使用条件和外部环境所造成的干扰；内部干扰是指由系统结构、元件布局和生产工艺等决定的干扰。
干扰的形式一般分两种：即横模干扰和共模干扰。横模干扰是串联于信号源之中的干扰，即串联干扰；共模干扰是引起回路对电位发生变化的干扰，即对地干扰。
干扰的耦合途径分为静电耦合方式、互感耦合方式、公共阻抗耦合方式、电磁场辐射耦合方式。
4.2 抗干扰的措施【6】
首先要切断干扰的耦合途径，即接地的处理、屏蔽与隔离、滤波退耦及旁路合理的分配和布置插件。抗干扰的措施如下：
(1)自恢复电路。当程序出格时，利用硬件电路将其复位，防止可能的误动作，合理的硬件设计可以做到干扰不会引起微机的工作失误。
(2)接口电路的闭琐及光电耦合。在输出信号端都通过一个与非门，且在与非门的两个输入端都满足条件时，才能驱动光电器发出信号。在这里加上光电耦合器件，也是为了增强抗干扰能力。
(3)用软件方法增强系统的抗干扰能力。
5 结 语
研究的高压电机微机继电保护，采用单片机监测电机故障，并模拟电机实际运行特性进行保护。实现了数字式处理、成本低、功能强、操作简单、可靠性高、性价比高，具有较好的推广应用前景。
参考文献：
[1] 蔡泽祥．高压异步电动机的智能化综合保护[J]．继电器，1996，(1)：29-30．
[2] 刘介才．工厂供电[M]．北京：机械工业出版社，1999．
[3] 陈德树．微机继电保护[M]．北京：中国电力出版社，2002．
[4] 孙慎言．微型计算机控制系统[M]．北京：机械工业出版社，1993．
[5] 李大友．微型计算机接VI技术[M]．北京：高等教育出版社，1990．
[6] 杨奇逊．微型机机电保护基础[M]．北京：水利电力出版社，1994．