电动机的三段保护软硬件设计
电动机在工农业生产中被广泛应用，但是其高故障率对工农业生产造成巨大
的经济损失。因此，在分析传统电动机保护装置不尽完善的基础上，研制功能完
善、可靠性高的电动机保护装置己经成为必要。
文中首先运用对称分量法对电动机的三相短路、两相短路、单相接地短路和
断相等常见对称和不对称故障进行了分析，在结合电动机微机保护原理的基础上，
提出了可靠性高、实用性强的电动机微机保护方案。文中对此装置硬件系统的设计进行了详细的分析，并结合对微机保护数据处理算法和电动机微机保护原理的研究，设计了保护装置的软件系统，二者都采用了模块化的结构设计方法，可移植性强。通过对设计成的保护装置样机进行调试和分析，初步验证了系统硬件部分和软件部分设计的正确性;通过静态模拟实验，初步验证了保护装置的可靠性。
关键词:电动机;微机保护;故障分析;保护原理;保护箕法;软硬件设计
Abstract
Motor15widelyusedintheindustryandagrieultureProduetion，butthehigh
afultratiohaseausedenormouseeonomie1055.Aeeordingly，basedonthe
traditionallyincomPleteProteetivedeviee，it15neeessarytostudyanddesigna
PoweruflandhighreliablemieroProeessor一basedProteetivedevieeofrmotor.
Keywords:motor;mieroProeessor一basedProteetion:afultanalysis;Proteetive
PrineiPle;Proteetivealgorithm;sotfwareandhardwaredesign
第一章绪论
1.1微机保护发展过程
随着微机保护的发展,一些新的改善继电保护性能的原理和方案,受到更多的重视并逐步得到实际应用;这对微机保护装置硬件提出了更高的要求。微机保护装置的发展大致可以分为以下几个阶段:
(1)第一阶段以单CPU的硬件结构为主，数据采集系统由逐次逼近式A/D模数转换器构成，硬件及软件的设计符合“四统一”设计标准。
(2)第二阶段以多单片机构成的多CPU硬件结构为主，数据采集系统为电压频率转换原理的计数式数据采集系统，硬件软件的设计吸取了第一代微机保护装置成功运行经验，利用多CPU的特点，强化了自检和互检功能，使硬件故障可以定位，对保护的跳闸出口回路，具有完善的抗千扰措施以及防止拒动与误动的
措施。
(3)第三阶段以高性能的16位单片机构成的硬件结构为主，具有总线不需引出芯片，电路简单的特点，抗干扰性能进一步加强，并且完善了通信功能，为实现变电站自动化提供了方便。
如今，计算能力强、精度高、总线速度快、吞吐量大的数字信号处理器(DSP)
被逐渐运用到电力系统微机继电保护之中，充分发挥其快速强大的运算和处理能
力以及并行运行的能力，满足了电力系统监控的实时性和处理算法的复杂性等更
高的要求，并为不断发展的新理论和新算法应用于电力系统的实践奠定了技术基
础。由于DSP的价格较高，影响了DSP在微机继电保护领域的推广应用。随着
数字信号处理器芯片和开发工具的价格下降，可以预期数字信号处理器将会在微
机继电保护装置中发挥重要的作用。
目前，微机继电保护技术的发展不断地向计算机化，网络化，智能化，保护、
控制、测量和数据通信一体化方向发展。研究和实践证明，与传统的继电保护相
比较，微机保护有许多优点，其主要特点如下::
(1)改善和提高继电保护的动作特征和性能，动作正确率高。主要表现在能得到常规保护不易获得的特性;其很强的记忆力能更好地实现故障分量保护;可引进自动控制、新的数学理论和技术如自适应、状态预测、模糊控制及人工神经网络等，其运行正确率很高也已在运行实践中得到证明。
(2)可以方便地扩充其他辅助功能。如故障录波、波形分析等，可以方便地附加低频减载、自动重合闸、故障测距等功能。
(3)工艺结构条件优越。体现在硬件比较通用，制造容易统一标准;装置体积小，减少了盘位数量;功耗低。
(4)可靠性容易提高。体现在数字元件的特性不易受温度变化、电源波动、使用年限的影响，不易受元件更换的影响;且自检和巡检能力强，可用软件方法
检测主要元件、部件的工况以及功能软件本身。
(5)使用灵活方便，人机界面越来越友好，在操作方面采用触摸面板进行整
定值操作，采用画面方式显示文字、图、表，采用智能化人机接口等，提高了操
作性能并使维护调试变得更加方便，从而缩短维修时间;同时依据运行经验，在
现场可通过软件方法改变特性和结构。
(6)可以进行远方监控。微机保护装置具有串行通信功能，与变电所微机监控系统的通信联络使微机保护具有远方监控特性。微机保护装置本身就是一台采样、测量装置，可以在调度室或变电站集控室对各种模拟量，如电流、电压、有功、无功、功率因数等进行监控，可以在调度室或变电站集控室对保护装置的定值进行修改和整定，并月_可以对保护装置的控制字进行读写，从而控制保护装置的投退和工作方式的改变。另外，可以存多套保护定值，完全可以达到梅套定值对应一种常用的系统运行方式，这样，每次修改定值的工作量变得非常小，仅仅需要改变一下定值区号而已。这些特点，是实现变电站综合自动化或无人值班的重要基础。
1.2电动机保护的发展
建国以来我国电动机保护主要沿用苏联模式,中小型电机采用熔断器、接触器、
断路器及热继电器的组合，其控制方式大致分四种类型：一是熔断器—交流接触
器—热继电器；二是断路器—交流接触器—热继电器；三是熔断器—断路器；四是熔断器—断路器—交流接触器—热继电器。采用熔断器及热继电器的电动机保护是最廉价的，且是最容易掌握的一种方式，但当电动机发生故障或熔丝选择不当等原因使熔断器一相熔断时就会使电动机缺相运行而使事故扩大，造成电动机烧毁。热继电器在保护电动机过载等方面具有结构简单，安装方便等优点，但它有保护时滞和对轻微过载与堵转保护欠佳的缺点，因而容易导致长期轻微过载运行，使电动机绕组产生热积累，使绕组绝缘老化造成电机损坏。另外，由于原材料及工艺水平的落后等原因造成热继电器性能不稳定，动作曲线与电动机实际保护曲线不协调，使电动机有效功率下降。热继电器作为传统的保护方式，由于以上诸多弊病，使其不能很好地保护电动机。随着现代电子工业的发展，一批新型的电子模拟式多功能保护产品应运而生。我国电子式保护是由晶体管型发展至集成电路型的，其功能的设置基本满足电动机保护的要求，如过载保护、断相保护等，其原理大都是采集三相电流，经电流电压变换器取出电压信号，经整流滤波后送至鉴幅电路。但是这些电动机保护器普遍存在的问题是:抗干扰能力差，动作特性与电动机热曲线不协调，反时限特性并不明显优于热继电器，容易造成拒动或误动，影响产品的性能及质量，给运行人员带来很大麻烦，严重的甚至烧毁电动机。于是有些运行人员干脆把保护放弃，造成电动机在无保护情况下运行。因此在国家标准中，机电产品目录中没有它的一席之地，现在设计院、工厂也均不选用。我国微机型电动机保护起步较晚，在微机线路保护已经开始普遍运行的时候，微机电动机保护尚处于萌芽状态。直到90年代以后，微处理器才开始进人电动机保护领域。与模拟式保护相比，微机保护的优点是显而易见的。它具有高度的灵活性，利用计算机的特点，通过软件的更换，便可获得不同原理的保护装置，易于实现新的保护原理；其人机对话功能强；可实施各种非常复杂的算法和各种保护功能；由于能够方便地实现自检、测试功能，从而减少了装置的维修工作量，避免了因装置缺陷引起的保护不正确动作，提高了保护的可靠性。
国外对电动机保护与故障诊断技术的研究始于60年代，虽然各国都很重视，但直到70-80年代，随着传感器、计算机、光纤等高新技术的发展与应用，设备的在线保护与故障诊断技术才得到真正的迅速发展。目前，国外许多公司己经研制出各自的电动机控制和保护装置，日本的Mitsubishi公司，美国的Westinghouse公司都有各自的产品，但其价格昂贵，国内大批量应用很难接受。电动机的故障诊断与保护，长期以来一直是学术界和工程界的研究热点和难题。近十几年来，这一领域的研究主要在两个方面:一方面是寻求在保护理论上的突破；另一方面是在实现手段上发展，逐步由电磁型、电子型到微机型，由单一功能到智能化的综合保护等。随着微机保护技术的成熟以及在电力系统应用的日益普及，近年来国内外研制了一系列微机型电动机保护装置。由于微机保护软件的灵活性，新一代电动机微机保护的保护特性大大改善。
2电动机保护原理和保护功能配置
2.1电动机的故障形式和起因
要设计一个保护装置，首先要分析保护对象会遇到的各类故障，分析其故障特征，才能提出切实可行的保护方案。对于异步电动机来说，其故障形式主要分为绕组损坏和轴承损坏两方面。造成绕组损坏的主要原因有：
(1)由于电源电压太低不能顺利启动，或者启动过于频繁，使电动机因长期过负
荷而毁坏。
(2)长期受电、热、化学或机械作用，使电动机绝缘老化和损坏，形成相间或对105
电动机微机保护故障分析保护原理保护算法软硬件设计
地短路。
(3)三相电源电压不平衡或者断相运行，电动机长期承受负序电流而烧毁。
(4)冷却系统故障或环境温度过高。
(5)轴承损坏造成偏心、扫膛，以及因机械故障造成堵转。
造成电动机轴承损坏的原因主要是：
(1)机械负荷过大或振动太大。
(2)使用润滑剂不合适、缺少润滑油甚至无润滑油。
(3)绕组温度过高，热量传至轴承，致使轴承损坏。
由于电动机的微机保护主要通过检测电量（电流、电压以及开关状态等）来监
测电动机的运行状态，因此面对的主要问题是绕组故障。
2.2电动机常见故障特征
异步电动机的常见故障很多，大体可以分为对称故障和不对称故障两大类。
2.2.1对称故障
对称故障包括过载、堵转和三相短路等，这类故障对电动机的损坏主要是机械应力和电流增大引起的热效应，使绕组发热甚至烧毁。其主要特征是三相仍基本对称，但同时出现过电流，故障严重程度基本反映在过电流的程度，因此以过流程度作为这类故障的判定依据当电动机对称过载时，电流一般在1.2倍~5倍的额定电流;堵转情况下，电流的大小接近于电动机的起动电流，一般在5~7倍额定电流;三相短路时电流大约为8~12倍的额定电流。
对称故障可以通过常规的过流保护来实现：对于严重的三相短路的保护应采用速断跳闸；堵转故障的保护应采用短时限跳闸；而对于对称过载应采用定时限跳闸或反时限跳闸，反时限特性应与电动机的温升指数特性相配合。详细情况如表2-1所示：
表2-1高压电动机对称故障特征分析
故障类型
零序
负序
过电流
其他特征
保护特性
对 称 故 障
过载
无
无
（1.2-5）In
Ia≈Ib≈Ic
反时限
堵转
无
无
(5-7)In
Ia≈Ib≈Ic
短时限
短路
无
无
(7-10)In
Ia≈Ib≈Ic
速断
2.2.2不对称故障
异步电动机的不对称故障主要有断相、逆相、不平衡运行、匝间短路、相间短路、接地短路等。除了严重的短路会造成故障相电流明显增大外，大多数的不对称故障一般不会出现明显的过电流。而最明显的特征是电动机电流中会出现负序电流和零序电流。因此常规保护往往不能及时反应，而不对称故障产生的负序电流也会给电动机造成很大的危害。不对称故障又可进一步分为非接地性和接地性两类。非接地性不对称故障，主要包括断相、相间短路、匝间短路及不平衡运行等，这类故障会引起三相电流不对称。由于我国电动机的中性点不接地，故定子电流可分解为正序和负序分量(零序分量为零)。而电动机在正常运行时负序电流分量基本没有，所以采用负序电流分量作为这类故障的判据，这类故障对电动机的损害主要是负序电流引起的负序效应，可能造成电动机端部发热、转子振动及起动力矩降低等一系列问题，如果有过电流出现，还会使绕组发热。这类故障的保护应采用短时限跳闸或速断。接地性不对称故障，包括单相接地短路和两相接地短路。由于电动机外壳必须安全接地，因此绕组端部碰壳、绝缘破坏等都可能导致接地故障，特别是处在尘埃重或湿度大的环境下，故障率就更高。发生接地性不对称故障时，会出现零序电流分量，这是区别其它任何非接地性故障的根本特征，可作为接地性故障的主要判据。这类故障应采用速断或短时限跳闸加以保护。具体如表2-2所示。
表2-2高压电动机不对称故障特征分析
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附:单相故障时，设A相为故障相;
两相故障时，设B、C相为故障相;
I0表示故障前电流幅值，In表示额定电流;
由以上分析和计算表明，过电流、负序和零序三个分量的不同分布组合与各故障类型之间具有很好的对应关系。
2.2.3电动机的起动故障
异步电动机投入电网，从静止状态转动起来，升速并达到稳定转速运行的过程，称为起动过程。电动机合闸瞬间，电流从零急剧上升至起动电流，如果电动机能顺利起动，则在经历了一段时间后，起动电流会下降到正常的工作电流，起动过程结束。起动电流的大小，常用起动电流倍数表示: 一般异步电动机在直接起动时K tst=4-7,在电动机上的大电流，使电动机受到很大的电磁力冲击，如果起动过程太长或者频繁起动，会使绕组过热，对电动机造成损害。在起动过程中，电动机出现的故障，常统称为起动故障，一般是指起动时间过长故障。也就是说，在规定的时间内，如果起动电流仍旧维持在一个很大的值，而不是降到额定电流的附近，这时就认为电动机发生了起动时间过长故障。这种故障通常都采用定时限保护。
2.3保护原理分析
根据以上故障特征分析，电动机发生对称故障时的主要特征是出现电流幅值增大，而发生不对称故障时的主要特征是出现负序和零序电流分量。根据这一结论，可将电动机的保护分解成过流保护、负序电流保护、零序电流保护三个部分，由此可覆盖电动机的所有常见故障类型。
2.3.1过流保护
电动机是故障率较高的一种电气主设备，损坏的最终表现主要是过热烧毁,原因是三相正序和负序电流过大、三相负荷太大、起动时间过长、堵转等。而定子绕组一相断线、不对称短路、不对称负荷、三相电源电压不对称等均有正序和负序电流过大的征象。幅值相同的正序电流和负序电流在电动机内部产生的热量并不相同。定子绕组的正序和负序电流产生的旋转磁场，对定子自身而言为正反同步速度。但对正常运行的转子来说（假设转差率s≈0），前者差不多相对静止，后者近似为2倍同步速度。假设对应的转子正序电阻（折合到定子侧）近似为直流电阻R1，对应的转子负序电阻（折合到定子侧）为交流电阻
R2，则对于异步电动机有：需要完整内容的请联系QQ3710167，本文免费，转发请注明源于www.lwfree.cn
大小相同的负序电流产生的损耗为正序电流损耗的Kr倍。所以当有负序电流出现时，转子损耗将显著增加。特别是在转子中产生倍频电流流过转子表面，导致转子局部过热而烧毁。为了反映正序和负序的不同发热效应，英国GEO公司提出了一个反映上述发热效应的“等效电流”
I eq的概念，定义为：K2为负序电流发热等效系数，取值在3~6
I1为电动机电流正序分量，I2为电动机电流负序分量
a．Ieq/In> 8时，设置电流速断保护作为电动机的主保护，用于电动机内部
定子绕组以及进线所发生的相间短路故障。
b．Ieq/In =5～8时，设置定时限过流保护，作为电动机运行过程中短路保护
的后备保护，主要针对各类堵转故障。
c．Ieq/In =1.1～5-5设置反时限过流保护，来防止电动机长时间过负荷
运行，定子部分过热而引起的损坏。
⑴电流速断保护
由于电动机在起动过程中，起动电流很大，可以达到额定电流的7倍以上。为了保证在起动过程中，速断电流保护可靠地不动作，保护动作电流的整定值在起动过程以及起动过程结束后的运行过程中，采用不同的值。
起动过程中，为了保证电动机在满载起动过程中短路保护可靠地不动作，要求
Idz1必须大于电动机满载起动时的电流I qd，即：
式中
I n：电动机的额定电流归算到机端电流互感器二次侧的值；
K q：电动机起动系数，一般取4~7；
K k：可靠系数，取1.2~1.4
在起动过程结束后的运行过程中，电流速断保护的整定可不必考虑要躲过电动
机的起动电流，可按电动机的额定电流的倍数整定，即：
电动机的三段保护软硬件设计
式中n的取值一般为4~8，这样可大大提高电动机在起动过程结束后运行过程
中短路保护的灵敏度。
⑵定时限过流保护
定时限过流保护也称堵转保护。电动机正常运转中，由于各种原因（机械故障、负载过大、电压过低）使转子处于堵转状态，在全电压下堵转的电动机，散热条件极差，电流很大，特别容易烧毁。因此在检测到电动机处于堵转故障时，
保护系统应及时动作，保证电动机不因堵转而烧坏。当保护装置在电动机运行过
程中，检测到电流超过堵转电流整定值，并达到整定时限时，堵转保护动作，出
口跳闸。堵转保护在电动机起动过程中闭锁，起动结束后自动投入。当起动时间
过长保护和堵转保护动作以后，电动机发热相当严重，如果电动机又立即起动，
那么势必使电动机很容易烧毁，所以应将电动机闭锁，直到其充分散热后再重新
起动。
⑶热过载反时限过流保护
在正、负序电流I1和I2的作用下，用等效电流I eq表示其发热（包括定子、转子铜耗为主的各种损耗引起的发热）特性，热过载反时限过流保护动作方程如下：式中:In为电动机额定电流；
τ为电动机发热时间常数，表示电机的过热能力；
过载保护一般都采用反时限来计算保护时间，当电动机的运行电流超过整定值时，过载保护投入，开始利用反时限公式计算时间，一旦故障时间超过了计算时间t之后，则动作于出口，实现对电动机的保护。但是有的用户也会采用定时限的方式来设置过载保护，此时，当电动机的运行电流超过整定值，且故障时间超过整定时间时，动作于出口。
⑷速断、堵转、过载保护之间的配合
速断保护、堵转保护和过载保护需要相互配合，以使保护装置的工作更符合电动机运行过程中的实际电流特性。三者之间的配合关系曲线如下图2-1所示：
图2-1速断、堵转、过载保护配合关系
2.3.2负序电流保护
设置负序电流保护，作为电动机断相、逆相、定子绕组或引出线不对称相间短路、定子绕组闸间短路、电源电压严重不平衡等的主保护。
本装置采用两段式定时限负序电流保护，第一段具有高定值I'2，短延时t1；第二段具有低定值I''2，长延时t2。
在系统最小运行方式下电动机机端两相短路时,最小的短路电流负序分量I(2)2min
应使负序电流保护第一段可靠地动作,其灵敏度Kcm至少为1.25,按此原则得： 按上式计算之后，还必须校验I'2的值大于I''2，以确保在电动机起动过程中负序电流第一段可靠地不动作。本负序电流保护第一段的延时t1固定为1s，以短延时躲开断路器跳合闸及其他暂态干扰所出现的短时间负序电流的影响。
（2）第二段的整定计算
由于负序电流保护能反映局部匝间短路之类的轻微故障,对于电动机故障的早期诊断具有很大优势。然而由于实际供电电源总存在一定的不对称,即使在正常运行时,电动机也会有一定的负序电流存在,因此负序电流保护整定时必须躲过这一不平衡电流。在电动机正常运行及起动过程中,允许三相电压之间有持续性的5%以内的误差,此时会出现较长时间的负序电流I2,应保证负序电流保护第二段可靠地不动作,为此：
按上式整定的I''2躲不开断路器跳合闸或其他暂态干扰所出现的短时间数值较大的负序电流,但因为有长延时,则能保证第二段不误跳。t2一般可整定为3s。
2.4.3零序电流保护
当发生接地故障时，电动机电流中会出现零序电流分量。零序电流保护也称零序保护或接地保护。当3倍零序电流大于保护的动作电流时，经短延时保护出口作，发出接地信号或跳闸。单相接地故障对电动机的危害取决于电源中性点的接地方式。当电源中性点接地时，电动机接地故障点经过电源中性点构成零序电流回路，零序电流较大，保护装置动作跳闸。当电源中性点不接地时，零序电流只有较小的电容电流，此时保护装置动作发接地信号。
单纯的零序电流保护往往难以同时满足选择性和灵敏性的要求。因此，可在保护装置中设计具有选择性的零序方向电流保护。
在中性点不接地或经高，中电阻接地的小电流接地网络中，当电动机区外单相接地故障时，流过电动机保护安装处的电流3I'0为电动机本身的对地电容电流，其相位超前零序电压900,即。而当区内单相接地时，此电流3I''0。为系统对地等效电容电流(不含电动机本身)和中性点接地电阻电流之相量和，它与零序电压之间的相位关系为之间。这样，零序电流元件的启动电流按躲开相间零序TA的不平衡电流整定，而与电动机本身的电容电流无关，既简化了整定计算，又极大地提高了保护的灵敏度。
零序功率方向元件的最灵敏角设计为 ,既可以满足中性点不接地或经高,中电阻接地网络的需要，同时能保证区外单相接地故障时不会误动作。
2.4.4电动机的其他保护
为防止由于各种原因使得电动机不能成功起动时，大起动电流对绕组的损坏以及起动转矩对轴承的损坏，应设置电动机起动时间过长保护。
电动机电源电压因某种原因降低时，电动机的转速将下降，当电压恢复时，由于电动机自起动，将从系统吸取很大的无功功率，造成电源电压不能恢复。为保证重要电动机的自起动，应装设低电压保护。
（1）起动时间过长保护
正常的起动过程结束后电动机的运行电流将低于额定值或在额定值附近，而起动时间过长则是在起动时间过后电动机的运行电流仍保持较大值(一般为机械原因)。起动时间过长保护是由起动时间和堵转保护整定值配合来实现的。当正序电流大于0.1I n(In为电动机机端电流互感器二次侧的额定电流值)，一般认为电动机开始起动。经过起动时间后，电动机的电流如果仍然大于堵转电流整定值，则起动时间过长保护开始动作，发出跳闸命令；若电动机运行电流小于堵转电流的整定值，则认为电动机已进入正常运行状态。由于通常运行时的堵转电流整定值是小于电动机的起动电流的，因此在起动过程中堵转保护自动闭锁。起动时间过长保护可作为电动机起动过程中短路保护的后备保护。而且起动时间过长保护只针对于电动机的起动过程加以保护，如果电动机正常起动后，此保护应自动退出，而且只要电动机不停机，此保护应一直不予以投入。
（2）低电压保护
电动机可分为重要电动机和不重要电动机，前者是指那些短时将它们断开也会引起重要生产过程混乱、中断、造成严重后果的电动机。后者是将它们断开并不会造成严重后果和影响的电动机。电动机低电压保护装设的主要原则是：对于容许自起动的重要电动机，不装设低电压保护；当电源电压短时降低或中断后又恢复时，为保证I类重要电动机的自起动，在其他不重要的电动机上装设带0.5s时限的低电压保护，动作于断路器跳闸；当电源电压长期降低或消失时，对于根据生产过程和技术保安等要求，不允许自起动的电动机，应装设低电压保护，经10s时限动作于断路器跳闸。
保护原则是：当U ab、U bc有一项低于保护定值时，低电压保护经延时后动作发跳闸命令；当电动机从电网断开，电网电压恢复正常后，可使电动机随时重新起动。
3电动机微机保护的算法
在微机保护中，数学运算的基础是若干个离散的、量化了的数字采样序列，保护装置通过A江)转换把实时采样的模拟信号变为数字信号，然后滤除干扰，根据不同的算法，从若干采样值序列中计算出有关电压、电流的幅值，相位等基本电参数，然后根据不同的保护原理所对应的动作判剧，用有关不同的算法得出的电量参数进一步运算，从而实现保护功能。
目前以微处理器为核心的智能保护控制器对其核心关键技术—电流有效值的实时测量技术己研究出多种算法，如峰值采样法、三采样值积算法、积分法，导数算法，均方根值算法、富氏算法、沃尔什函数算法及最小二乘滤波算法等。它们按采样的速度和精度区分有快速算法和精度较高算法，而快速算法多用于继电保护系统。下面对一些常见的算法作一讨论。
3.1三采样法
三采样值积算法是利用三个连续等时间间隔为△T的采样值的两两乘积来计算电压、电流的幅值和相位等电气参数的方法。
设tk时刻采样值为i1，u1，
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经过一个△T为tk+1时，采样值为i2，u2，
，，
在tk+1后隔一个△T为时刻，此时采样值为：
，，
如果取二个采样值的乘机，并用三角积化和差公式化简得：
消去如时间tk有关的量得：
当 用 代替时，即令 代以，，则有;
同理有
及有
当取时，可简化为;
电动机微机保护故障分析保护原理保护算法软硬件设计
由上述四公式及有效值 和得：
三采样法优点是响应速度比较快、计算量小，但从精度上看，如果输入信号波形是纯正弦的，这种算法没有误差，但实际上如果信号发生畸变，比如干扰、噪声、非正弦分量信号，这样得到的计算结果将会有很大的变化。
3.2全周波傅氏算法
它是采用某一正交函数组作为样品函数，将这一正交样品函数组与待分析的时变函数进行相应的积分变换，以求出与样品函数频率相同分量的实部和虚部系数，进而可以求出待分析的时变函数中该频率的谐波分量的模值和相位。
设被采样电流i(t)和电压u(t)包含直流分量和各次谐波分量，则分解
为付氏级数:若图片无法显示请联系QQ3710167,电动机的三段保护软硬件设计系统免费,转发请注明源于www.lwfree.cn
其中
实部： (n=1,2,3．．．．．．)
（n=1,2,3．．．．．．)
虚部： （n＝1,2,3．．．．．．）
（n=1,2,3．．．．．．）
这种算法在计算机上实现时，是对离散的采样值进行运算，假设在一个周期采样N个点，11，12……In，ul，u2……un，可用N个采样值的总和代替上述积分运算。
则实部：
同理得：
同样有虚部：
式中N—一个周期T中的采样次数
uk—第k个采样值。
当n=1时，为基波情况，实部和虚部为:
由此可得：
傅氏算法优点是能够有效地抑制各次谐波，有数据滤波作用。但由于用离散值累加代替连续积分，所以结果受频率的影响，此外，由于此种算法得出结果时间长，所以响应速度较慢。现在己有快速付氏算法等用以克服这些缺点。
3.3均方根值算法
定义采样电流和电压i(t)，u(t)的有效值为:对交流电压和交流电流是采用离散化处理方法求取，由周期连续函数的有效值定义，将连续函数离散化，根据一个周期内采样瞬时值及每周期采样点数，采用矩形法可得出电流、电压有效值的表达式为:
式中:N一一每个周期均匀采样点数;
ik—第k点电流采样值;
uk-第k点电压采样值。
同样由连续周期函数的功率定义可得离散表达式：
均方根法不仅适用于正弦电量的测量，而且可准确测量波形畸变的电量，通过与软、硬件滤波配合可准确测量正弦与非正弦信号，并可剔除瞬时干扰，根据测试表明当N>20采样点时，在精度上完全达到要求。
如上所述的三采样法虽然响应速度快，但它前提是要求输入信号波形是纯正弦的，但实际现场运行时信号波形是发生畸变的，除非另外采用一定的措施，否则计算结果有误差。
而全周波付压算法，尽管计算精确，并能抑制各种谐波，但如不对其改进，提高计算速度，由于响应慢而应用有限。根据实践本人认为均方根值法是用于电机保护的较好算法，能够满足电机保护要求。在本文保护装置中，选取均方根值算法作为系统的采样算法。它可测量畸变波形，计算量也不是太复杂。在辅助措施配合下，软件滤波、数据处理，在速度和准确性方面能够满足电动机保护的要求。
4 电动机保护装置的硬件设计
4.1对硬件的技术要求
对硬件的基本技术要求有：
1、抗强电磁干扰能力。在变电站中，各种电磁干扰能通过各种途径影响弱电设备的正常运行，甚至导致设备失效;
2、抗高、低温能力;
3、转换精度高。由于本保护装置还带有测量功能用于监控系统中，为满足测量的精度要求，对A/D转换器的精度要求高;
4、运算速度快。由于本装置要完成的功能甚多，某些保护的算法甚为复杂，因此需要运算速度快的微处理系统;
5、国际标准的模块化结构，互换能力强。设计灵活，既可以集中组屏，也可以分散安装于开关柜上。
5电动机保护装置的软件设计
系统中的信号采集、控制决策确定及控制量输出等各项功能都要通过软、硬件共同来实现。
控制系统中的应用软件是根据系统的各项功能要求而设计的，它首先应该可靠地实现系统的各项功能。为此本装置软件设计的主要原则是:
①软件的设计与硬件电路的设计综合进行。在软件设计时尽量发挥单片机高性能的潜力，进行硬件的软化，以减不控制系统硬件电路无器件的数量，降低控制系统的造价和提高系统的可靠性。
②各功能程序实现模式化、子程序化，这样便于程序的测试、移植和修改，同时程序设计尽量考虑模块的通用性，这样模块的反复利用率高，可以节省大量的程序存储单元。
③对程序存储区和数据存储区进行合理规划，为功能的扩展预留空间，以提高程序运行的速度，使软件升级更为容易与简单。
④在系统软件设计中，同时要进行抗干扰设计。软件抗干扰是微机控制系统中提高可靠性和抗干扰能力。
⑤在程序中尽量避免使用浮点数运算，因为执行这些子程序会占用较多的时
间，而工业控制对是动机保护动作实时性要求较高，例如当电动机发生短路故障后，要求保护动作时间必须小于0.2s，这就使单睛机没有足够的时间去反复调用这些子程序。
5.1系统软件工作原理
由于系统的主控部件为单片微型计算机，它的工作完全靠软件支持，即单片机怎样接收控制指令和故障输人电信号;怎样对这些信号进行判断;怎样输出控制信号等等，都离不开程序.该系统的程序设计采用模块化结构，即将具有特定任务的一部分作为一个单元，编制一段程序，在必要时可多次调用，成为一个功能模块，如漏电保护模块(LD );短路保护模块(DL);断相保护模块(DX);过载延时模块等等.系统主程序如图2所
电动机的三段保护软硬件设计
从图2可看出各功能模块的层次及调用情况.系统接通电源后，首先对单片机各口线、内RAM,外设、以及启动时间等作必要的预置工作，然后进人信号检测.电机启动处理从检测到电机电流信号开始，为避过启动瞬间的冲击电流设置了启动过程延时处理，在此期间只对短路和断相故障作检测处理(图中略).电机启动过程结束后正常运行时，单片机循环对故障进行连续不断的检测，一旦故障发生，则首先判别故障的优先级，然后分别对各种故障进行处理.在对某种故障进行处理的延时期间，还不断地对高于其优先级的故障进行交叉检测(例如:在过载反时限延时期间要对漏电和短路进行检测识别)，以实现电机的可霏保护。
各种故障的处理原则是:有故障则故障立即被显示，具休何时切断电机电源对电机实现保护则根据故障性质而定，各种故障从发生到保护有不同的延时时间。
5.2系统初始化及主程序设计
主程序主要作用是对系统进行初始化以及主要部件的自检，初始化主要完成
80C196KC单片机多功能引脚的定义、堆栈(SP)地址设置、I/0接口芯片8255A工作方式的设置以及液晶模块显示设置。自检对象主要有外部扩展随机存储器(RAM)。主程序流程图如图5-l所示。
图5-1 主程序流程图若图片无法显示请联系QQ3710167,电动机的三段保护软硬件设计系统免费,转发请注明源于www.lwfree.cn
系统上电或复位后，首先是RESET引脚上电平由低到高，而后芯片内部将执行10个状态周期的复位序列，该复位序列将使一些寄存器初始化，清PSW，将208OH赋值给程序计数器(PC)，以便从2080H单元开始执行指令，芯片配置字节(CCB)从2018H单元读出并写入芯片配置寄存器(CCR)，以确定系统有关总线工作方式等。本系统对芯片配置字节的设置为 CCR=n11n01，其意义是:无内部ROM保护，禁止内部就绪控制，选择标准总线方式(ALE/WR/BHE)，8位总线宽度。
程序开始执行后，首先运行初始化模块，初始化的主要任务是完成SOC196Kc有关UO控制寄存器(Ioco， IOCI，loC3等)的设置、多功能引脚定义、串行口设置、堆栈地址设置、8255A工作方式设置、液晶显示模块设置以及保护装置自身的一些系统变量初始化等功能。
自检程序主要检测RAM存储器是否损坏，自检方法是先向整个RAM地址区写入数据，然后再一一读出比较，若不一样，则出错。出错后，由用户自己决定处理，程序不进行出错处理。
自检之后，显示系统主菜单，开键盘及串口通讯中断，等待中断。
5.3测量主程序
测量主程序主要完成电动机数据的采集、存储、数据处理以及故障判断和处理等功能，程序流程图如图5-2所示。进入测量主程序之后，首先开启软件定时器中断，并立即执行一次软件定时器0的中断服务程序，在其中断服务程序中，设置下一次软件定时器0中断的时间间隔，由于本系统一周波内采样12个数据点，故相邻两次采样间隔为 20ms/12=1.67ms(20ms为被采样信号的周期)。这个时间也就是软件定时器0中断的时间间隔，即每隔1.67ms产生一次软件定时器中断，在其中断服务程序中完成电动机数据的采集、存储、数据处理以及故障判断和处理等功能，中断返回后，等待下一次中断。需要注意的是，由于在中断服务程序中需要进行大量的数据运算以及外部存储器读写操作，要占用相当多的
CPU时间，所以采样间隔不能太短，若太短，可能会导致在还没有完成对本次采样数据进行相关处理之前启动了下一次采样，这会导致数据混乱。
5.4 A/D采样子程序
A/D采样子程序是测量主程序的重要组成部分，它的主要任务是依次采集A/D转换六路模拟输入通道的实时数据，并将其存入预定存储单元，以供后续程序取用。
采样子程序的流程图如图5-3所示。
5.5数据处理子程序
数据处理子程序也是测量主程序的组成部分，它的主要任务是在A/D采样子程序的采样结束之后，从预定的RAM单元中取出各路通道最近一个周波内采集的12个数据点，并根据有关算法计算各路电压或电流的有效值和正负序分量，然后将其存入预定单元，并发送至液晶显示模块显示。须注意的是，显示之前应将显示数据转换为十进制数的BCD码表示，然后查表得各位数字的显示码，并发送置液晶显示模块显示。
5.6键盘中断响应模块
键盘中断服务程序由外部中断输入引脚EXINT触发，当有按键按下时，CPU响应EXINT外部中断，转入键盘中断服务程序。在中断服务程序中首先关闭键盘中断，并延时10ms进行消抖动，然后读8255A芯片PA口，若以口低4位中有某位由高电平变为低电平，则确有键按下，接着进行按键识别，计算键值，最后根据按键键值以及系统运行状态去执行相应的键盘解释程序，开键盘中断，返回等待下一次中断。键盘中断
服务程序流程图如图5-6所示。
电动机微机保护故障分析保护原理保护算法软硬件设计
5.7故障处理子程序
故障处理子程序主要任务是根据最近采集到的数据按下列顺序依次进行故障判断。故障判断顺序依次为短路、堵转、断相、过压、欠压、过载。图5一5为故障处理子程序流程图，开始时从预定RAM中读取最近采样的特征参数，然后短路故障判断，若有故障，则进行故障处理，若无短路故障，则转下一故障处理模块，当全部故障判断完成后无故障发生，则重新开启软件定时器中断，等待下一个周波的采样。每一故障处理模块都应有读取特征参数、故障判断以及故障处理三部分组成。各个保护模块计时器的选用视动作时限的长短而定，如对短路和堵转故障动作时限较短，可用80C196KC内部定时器1计时，对过载倍数较小的过载保护可以以外部时钟芯片 DS12C887的走时时间作为动作时限计时。
6系统抗干扰设计
电动机保护装置承担着保护电动机以及电力系统安全、可靠运行的重要任务，因而对可靠性和稳定性的要求较高。解决可靠性和稳定性的措施是多方面的，而提高保护装置的抗干扰能力是其重要的一方面。
对于微机控制系统，大量干扰的存在会导致系统硬件的损坏，即使不造成系统硬件的损坏，也可能会便控制系统运行不正常，或运行失灵。
在一个测控系统中，抗干扰措施采取得不好，干扰会对测控系统产生一些不良的影响，它表现在:
①数据采集误差加大。干扰侵入微机的前向通道中，叠加在信号上，造成数据采集误差加大。
②控制状态失灵。一般控制状态的输出多半是通过微机的后向通道来进行的，由于控制信号较大，它不易直接受到外界干扰。但在微机控制系统中其控制状态的输出常常是根据某些条件状态的输人和条件状态的逻辑处理结果来进行的。在这些环节中，由于干扰的侵入，会造成条件状态的偏差，致使输出控制误差加大，甚至使控制失常?
③数据受干扰而发生变化。微机系统中，由于RAM是可以读写的，因此，在干扰的侵害下，RAM中的数据会发生改变失真。在单片机系统中，程序、常数都存放在ROM申，虽然避免了程序指令及常数受干扰而被破坏，但片内RAM、外部扩展RAM以及片内各种特殊功能寄存器等状态都有可能受外来干扰而变化，干扰窜入渠道和受干扰数据性质不同，系统受破坏的状况也就不同，有的造成数值误差，有的控制失灵，有的改变某些部件的工作状态等。
④程序运行失常。微机系统中的强干扰会造成程序计数器PC值的改变，破坏程序的正常运行。
由此可见，干扰的存在是值得注意的事情，对一个微机控制系统，良好的抗干扰能力是实现控制功能的前提条件。
电动机保护的可靠性要求体现在两个方面:不误动、不拒动。一般地，由于微机保护装置工作在不停的以极高速度和极短周期循环执行程序状态，即处在一种动态工作过程中，所以只要这个过程不终止，干扰就不会产生拒动，至多是增加一点动作延时。保护的防拒动措施主要是万一干扰引起程序执行停顿或进入死循环状态时能立即使保护重新自动启动，”看门〕狗”即能满足这一要求。
如何防止干扰和元器损坏引起装置误动，这是保护抗干扰的重点。主要有以下措施:
①防止可能的干扰迸人装置内部;
②增加对程序代码、关键硬件的实时检测功能，在于扰引起程序代码的
错误和关键元器件故障后能及时采取相应的措施;
③容错设计。若图片无法显示请联系QQ3710167,电动机的三段保护软硬件设计系统免费,转发请注明源于www.lwfree.cn
6.1硬件抗干扰措施
在系统硬件设计过程中,可采取如下的措施,以提高系统的可靠性,增强系统的抗干扰能力。
1.从选用元器件、设计电路板入手
(1)所有选用的元器件应经过老化、高、低温测试合格后方可使用;
(2)尽量使用各种可编程逻辑器件,以减少元器件的数量,提高系统工作的可靠性;
(3)线路板上除CPU、存储器等可能需更换的芯片外,其余元件最好直接焊接,以减少由于接触不良而留下隐患;
(4)印刷电路板在设计过程中,从尺寸的选择到元器件和线路的布局等都应充分考虑系统可靠性的要求;
(5)各逻辑电路芯片未使用的输入端,根据逻辑关系接至已使用门的输入端或者接地,或者接高电平,以减少外部干扰信号对系统的影响。
2.抑制来自电源的干扰
(1)系统中电源地线、主板地线、信号地线采用单点接地的方法可靠接地,以减少不等位电势的干扰;
(2)加设抗瞬变电压抑制二极管,可以有效地抑制电网内浪涌冲击电压引起的干扰;
(3)在线路板上所有电源回路内,并接10μF的钽电解电容进行滤波;
(4)系统供电电源选用相对稳定的照明电源。
3.防止来自各种通道和电磁波辐射的干扰
电动机的三段保护软硬件设计
(1)模拟或开关量输入尽量采用光电隔离,而开关量输出可采用继电器隔离,以消除输入或输出通道串入的干扰;
(2)尽量减小布线长度,并对各种输入/输出线分类打捆,以减少寄生电容的干扰;
(3)单片机系统的关键部位应采用铁壳封闭,以防止外部电磁干扰。
6.2软件的抗干扰措施
软件抗干扰技术是当系统受干扰后使系统恢复正常运行或输入信号受干扰后去伪求真的一种辅助方法。它是一种被动抗干扰措施，而硬件抗干扰是主动措施。但由于软件设计灵活，又节省硬件资源，所以软件抗干扰技术越来越引起人们的重视。
1. 指令冗余技术
CPU复位后的指令执行顺序完全由程序计数器PC控制。当干扰破坏程序计数器PC的状态时，程序便脱离正常运行轨道，出现“乱飞”，“乱飞”会出现指令操作数数值改变或操作数当作操作码的错误。
为了使“乱飞”程序在程序区迅速纳入正轨，应该多用单字节指令，并在关键地方人为地加入一些单字节指令NOP，或将有效单字节指令重写，称为指令冗余。采用指令冗余技术使PC机纳入正轨的条件是:“乱飞”的PC必须指向程序运行区，并且必须执行到冗余指令。
2.采用软件陷阱法
单片机最容易受干扰的是内部程序计数器(PC)的值。在受到强干扰时,PC的值被改变,造成程序“跑飞”到非程序区,可在非程序区设置拦截措施,使程序进入陷阱,强迫程序进入一个指定的地址,执行一段专门对程序出错进行处理的程序。软件陷阱就是用引导指令强行扑获的“乱飞”程序引向复位入口地址2080H，使程序纳入正轨。
软件陷阱的主要形式有：
程序
形式
软件陷阱形式
对应入口形式
形式一
NOP
NOP
LJMP 2080H
2080H:LJMP MAIN
形式二
LJMP 5080H
LJMP 2080H
2080H:LJMP MAIN
.
.
5080H:LJMP MAIN
软件陷阱一般安排在以下位置:
(1)未使用的中断向量区
当未使用的中断因干扰而开放时，在对应的中断服务程序中设置软件陷阱，就能及时扑捉到错误的中断。
(2)未使用的EPROM
未使用的EPR伽属于非程序区，在这些非程序区可用软件陷阱形式填满，当“乱飞”程序进入此区后，便会迅速纳入正轨。
(3)运行程序区
“乱飞”程序在用户程序内部跳转时可用指令冗余技术加以解决，也可以设置一些软件陷阱。这时可将软件陷阱指令组分散放置在用户程序个模块之间的空余单元里。正常程序不执行这些陷阱指令，一旦“乱飞”程序落入这些陷阱区，程序马上便会纳入正轨。
3.“着门狗”(WATCHDOG)技术
如果“乱飞”程序落到一个临时构成的死循环中时，冗余指令和软件陷阱都将无能为力，这时可用人工复位的方法使系统恢复正常，实际上可以设计一种模仿人工监测的“程序运行监视器”，俗称“看门狗”(WATCHDOG)。“看门狗”(WATCHDOG)技术可由硬件、软件以及软硬结合来实现。下面结合80C196KC内置监视定时器(WDT)的特点来说明软件“看门狗”技术原理。
WDT是一个16位的计数器，计数脉冲来自80C196Kc内部时钟产生电路，工作启动后每一状态周期加一。WDT溢出时(需64K个状态周期，若晶振采用12MHz，约为10.9ms)会迫使芯片复位。
WDT开始工作后，经过64K个状态周期(约10.9ms)的时间便产生溢出使系统复位，若每隔不到64K个状态周期的时间就使其清零，则它永不会溢出，系统也就不会复位。因此，在程序中启动WDT后，采用定时使WDT清零的方法，WDT不会溢出，系统正常工作。一旦由于干扰导致程序“跑飞”时，可能会使某次对WDT的清零指令得不到执行而致使WDT溢出，系统复位，即程序纳入正轨。
