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，因此必須對其提供完善的保護(hù)。現(xiàn)有電動機(jī)綜合保護(hù)裝置主要針對中小型電動機(jī)，為其提供電流速斷，熱過載反時限過流，兩段式定時限負(fù)序，零序電流，轉(zhuǎn)子停滯，啟動時間過長，頻繁啟動等保護(hù)功能。而對于2000KW以上特大容量電動機(jī)，則無法滿足其內(nèi)部故障時對保護(hù)靈敏度與速動性的要求，因而研制此裝置并配合綜合保護(hù)裝置，為高壓電動機(jī)提供更可靠更靈敏的保護(hù)措施。本裝置設(shè)計成三相式縱差，因為2000KW以上特大容量的電動機(jī)所在的3KV﹑6KV﹑10KV電網(wǎng)可能是變壓器中性點經(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，而且由于能同時采樣4路信號，可以減小由于信號的非同時采樣帶來的誤差。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)計了RS-232和RS-485兩個通訊接口，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
??? 各種類型的差動保護(hù)區(qū)別主要表現(xiàn)在制動量的構(gòu)成上。在傳統(tǒng)的縱差保護(hù)中的制動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"( Is和Ir )包括兩部分：即由兩電源電動勢不等(Er≠Es)所產(chǎn)生的穿越電流Ith(即圖2(b)中負(fù)荷電流Ip)和由故障點的故障前反向電壓-U△產(chǎn)生的故障電流分量Is△和Ir△(如圖2(c))。其差動電流構(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，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)的動作電流沒有區(qū)別。但在動作電流方面，從(2)、(6)兩式可以看出采用故障分量的制動電流，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，形成制動作用，降低了保護(hù)靈敏度。因此故障分量的差動保護(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保護(hù)在內(nèi)部故障時有下述關(guān)系：

??? 由于上式右方的最小值為2.0(Zs和Zr均為感性阻抗，兩者相角差恒小于90°)，所以內(nèi)部故障時，以If△(If)和Ith△為差動電流和制動電流的縱差保護(hù)恒有：
?
??? 即制動系數(shù)為Kres.△≤2.0。
??? 故障分量縱差保護(hù)，在內(nèi)部短路時以Kres.△≤2.0劃定保護(hù)動作區(qū)，在外部短路時以Kres.△≥0.056劃定保護(hù)制動區(qū)，在制動區(qū)和動作區(qū)之間有很大的緩沖區(qū)，這表明保護(hù)具有極為優(yōu)良的動作選擇性。理論上故障分量差動保護(hù)有效地消除了正常負(fù)荷分量下不平衡電流的影響，可以作到使動作特性在坐標(biāo)原點附近的死區(qū)很小，故障分量差流閾值ΔIf.min和故障分量拐點制動電流? ΔIth.min可以取得較小。為了保護(hù)在外部故障下不誤動，通常在滿足靈敏度要求的情況下，動作特性曲線的斜率盡量取大一些。式(9)又可見|If Δ/Ith Δ| ≥ 2.0，而且靈敏度很高(Zf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，用戶可以通過對保護(hù)投退字的整定，投入或退出保護(hù)，同時裝置可根據(jù)電動機(jī)所處狀態(tài)，即是啟動還是運行選擇不同的定值，從而具有較好的靈活性和適應(yīng)性。對CT狀態(tài)的監(jiān)視，使得保護(hù)具有了更高的可靠性。相對于傳統(tǒng)的差動保護(hù)，其具有更高的靈敏度和選擇性，能夠比較理想的滿足實際生產(chǎn)的需要。同時面對當(dāng)前企業(yè)對工業(yè)生產(chǎn)過程自動化的要求在不斷提高這一實際需求為保護(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。