張?zhí)禊i， 翟亞芳， 張修太， 吳戰(zhàn)偉

(1.安陽工學(xué)院 電子信息與電氣工程學(xué)院 河南 安陽 455000；2.許繼電氣股份有限公司 河南 許昌 461000)

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基于MB9BF618S的高壓電機(jī)微機(jī)保護(hù)裝置設(shè)計

張?zhí)禊i1， 翟亞芳1， 張修太1， 吳戰(zhàn)偉2

(1.安陽工學(xué)院 電子信息與電氣工程學(xué)院 河南 安陽 455000；2.許繼電氣股份有限公司 河南 許昌 461000)

針對高壓電動機(jī)運行過程中出現(xiàn)的各種電氣故障，結(jié)合高壓電動機(jī)保護(hù)的現(xiàn)狀，設(shè)計了一種高壓電機(jī)微機(jī)保護(hù)裝置.該保護(hù)裝置以ARM處理器MB9BF618S為控制核心，可以實時檢測電動機(jī)的工作狀態(tài)，對高壓電動機(jī)進(jìn)行啟動超時保護(hù)、差動保護(hù)、兩段式電流保護(hù)、三段負(fù)序過流保護(hù)和過熱保護(hù)等.敘述了保護(hù)裝置的總體結(jié)構(gòu)和工作原理，給出了交流插件、CPU插件和信號插件的部分設(shè)計方案，分析了差動保護(hù)、兩段式電流保護(hù)、三段負(fù)序過流保護(hù)的工作特點.該保護(hù)裝置具有結(jié)構(gòu)簡單、操作方便、功能完善、可靠性高等特點，具有較高的應(yīng)用價值.

高壓電機(jī)； 微機(jī)保護(hù)裝置； MB9BF618S； 電動機(jī)保護(hù)

0 引言

電動機(jī)是一種將電能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能的設(shè)備，在礦業(yè)、冶金、化工、紡織、機(jī)械加工等行業(yè)得到了廣泛應(yīng)用.高壓交流異步電動機(jī)具有結(jié)構(gòu)牢固、機(jī)械特性較好、運行和控制方便等優(yōu)點，常被用于工業(yè)生產(chǎn)中的重要場所.為了避免因過載、短路、缺相等故障造成高壓電機(jī)損壞，需要對高壓電機(jī)進(jìn)行有效的保護(hù)[1].隨著微電子技術(shù)、計算機(jī)控制技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)的發(fā)展，微機(jī)化、智能化、網(wǎng)絡(luò)化成為電動機(jī)保護(hù)裝置的發(fā)展方向.作者采用ARM微處理器設(shè)計了一種高壓電機(jī)微機(jī)保護(hù)裝置，其與常規(guī)繼電保護(hù)裝置相比，具有測量精度高、保護(hù)功能齊全、控制方式簡單、維護(hù)方便等特點，可以在高壓電機(jī)保護(hù)系統(tǒng)中廣泛應(yīng)用.

1 保護(hù)裝置的總體結(jié)構(gòu)

保護(hù)裝置采用插件式結(jié)構(gòu)，主要包括交流插件、CPU插件、人機(jī)對話插件和信號插件，保護(hù)裝置的總體結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示[2].交流插件主要由電流互感器、電壓互感器、磁平衡互感器、信號調(diào)理電路和模/數(shù)轉(zhuǎn)換電路構(gòu)成.電流互感器和電壓互感器的作用是將輸入的電流信號和電壓信號轉(zhuǎn)換成弱電信號，并起強(qiáng)電和弱電隔離作用；磁平衡互感器的作用是采樣磁平衡電流；信號調(diào)理電路的作用是將弱電信號進(jìn)行濾波處理，以便模/數(shù)轉(zhuǎn)換電路使用；模/數(shù)轉(zhuǎn)換電路的作用是對調(diào)理后的弱電信號進(jìn)行采樣，并將采樣結(jié)果轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號.CPU插件主要包括ARM處理器模塊、開關(guān)量輸入電路、通信接口電路和電源電路.ARM處理器模塊包括ARM處理器、數(shù)據(jù)存儲器、晶振電路和復(fù)位電路等，主要起數(shù)據(jù)處理、電氣量計算、保護(hù)判斷、開關(guān)量輸入信號狀態(tài)判斷、參數(shù)設(shè)置等作用；開關(guān)量輸入電路用于采集開關(guān)量信號的狀態(tài)；通信接口電路包括2路RS485總線接口和2路以太網(wǎng)接口，用于保護(hù)裝置與其他設(shè)備或監(jiān)控中心進(jìn)行數(shù)據(jù)通信；電源電路為整個保護(hù)裝置提供合適的工作電壓.人機(jī)對話插件由按鍵、液晶顯示和RS232電路構(gòu)成.按鍵和液晶顯示是保護(hù)裝置與外界進(jìn)行信息交互的接口；RS232電路是對保護(hù)裝置進(jìn)行調(diào)試的接口[3].信號插件是保護(hù)裝置的輸出模塊，主要由繼電器接口電路構(gòu)成，用于對斷路器進(jìn)行合閘操作和跳閘操作.

2 保護(hù)裝置的硬件設(shè)計

2.1 交流插件電路設(shè)計

保護(hù)裝置設(shè)有3路磁平衡互感器、7路電流互感器和3路電壓互感器.3路磁平衡互感器分別采樣三相磁平衡電流，7路電流互感器分別采樣三相測量電流、三相保護(hù)電流和零序電流，3路電壓互感器分別采樣三相電壓，其中電流互感器的額定輸入電流為100 A，電壓互感器的額定輸入電壓為100 V，當(dāng)保護(hù)裝置的外接電流和電壓超過額定值時，需要外接電流互感器和電壓互感器配合使用.保護(hù)裝置內(nèi)部對保護(hù)電流輸入使用變比為100 A/7.07 V(有效值)的電流互感器，對測量電流使用變比為5 A/7.07 V的電流互感器，對零序電流使用變比為20 A/7.07 V的電流互感器，對輸入電壓使用變比為120 V/7.07 V的電壓互感器，這些互感器可以將輸入的電流和電壓信號轉(zhuǎn)變?yōu)榉禐?10～10 V的交流信號[4].

保護(hù)裝置交流插件電路設(shè)計的原理如圖2所示.圖中的AD7606是一款具有8通道同步采樣的16位模/數(shù)轉(zhuǎn)換器，采用5 V單電源供電，可以直接處理±10 V或±5 V的雙極性輸入信號，最高耐壓值可達(dá)16.5 V.AD7606內(nèi)部集成了低噪聲、高輸入阻抗的信號調(diào)理電路和二階抗混疊模擬濾波器，使得電壓互感器和電流互感器的輸出信號可以直接輸入AD7606.在設(shè)計電路時，將互感器的輸出信號(圖2中的I/U)經(jīng)過無源二階低通濾波器進(jìn)行濾波調(diào)理，然后送至AD7606的模擬量輸入端(圖2中的VIN1～ VIN7).由于AD7606在輸入信號為±10 V范圍內(nèi)，其內(nèi)部二階抗混疊模擬濾波器-3 dB 帶寬的典型值為23 kHz，所以無源二階低通濾波器的電阻取值6 kΩ，電容取值1 nF，其截止頻率約為26.5 kHz，滿足設(shè)計要求.

圖1 保護(hù)裝置的總體結(jié)構(gòu)Fig.1 Configuration of the protection device

圖2 交流插件電路設(shè)計原理圖Fig.2 Design schematic diagrams of AC module

2.2 CPU插件電路設(shè)計

2.2.1 微控制器選型 近年來，ARM系列微處理器憑借其高性能、低功耗、高性價比等特點在嵌入式應(yīng)用領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用，本設(shè)計選用富士通Cortex-M3家族的32位處理器MB9BF618S.MB9BF618S具有如下特點：時鐘頻率最高可達(dá)144 MHz；片內(nèi)集成有128 kB的SRAM和1 024 kB的FLASH ROM；含有8個多功能串行通信口，均支持UATR、I2C、SPI和LIN 4種功能；含有16個基本定時器和3個多功能定時器；內(nèi)部集成有2路以太網(wǎng)控制器[5].MB9BF618S具有足夠多的I/O接口和快速處理數(shù)據(jù)能力，能夠滿足對多參數(shù)系統(tǒng)的實時監(jiān)控和報警要求.

2.2.2 開關(guān)量輸入電路 保護(hù)裝置設(shè)有11路開關(guān)量輸入接口電路，用于外接各種開關(guān)量輸入信號，其設(shè)計電路如圖3所示[6].圖中DI表示開關(guān)量輸入信號，當(dāng)有開關(guān)量信號輸入時，DI閉合，+24 V電源經(jīng)過DI流入回路，通過4.7 kΩ、680 Ω和4.7 kΩ組成的限流電路后，驅(qū)動光電耦合器TLP85GB導(dǎo)通，DIN變?yōu)榈碗娖剑?jīng)微處理器消抖處理后確認(rèn)有外部開關(guān)量信號輸入.

2.2.3 通信接口電路 保護(hù)裝置設(shè)有2路以太網(wǎng)接口和2路RS485接口，可直接與微機(jī)監(jiān)控管理系統(tǒng)聯(lián)網(wǎng)通信，實現(xiàn)對高壓電機(jī)的遠(yuǎn)程控制.由于MB9BF618S內(nèi)部集成有2路以太網(wǎng)控制器，因此只需外加PHY芯片及簡單外圍電路就可以組成以太網(wǎng)通信電路，在設(shè)計電路時，PHY芯片選用美國國家半導(dǎo)體公司生產(chǎn)的DP83849ID雙端收發(fā)器.

RS485接口電路使用ISO3082芯片實現(xiàn)，其設(shè)計電路如圖4所示[7].ISO3082是一種帶隔離功能的半雙工差分總線式收發(fā)器，其內(nèi)部集成有隔離裝置，具有DC 2 500 V的隔離功能.SRX、STX分別為MB9BF618S異步串口的接收端和發(fā)送端，SCK為異步串口的收/發(fā)使能控制信號，SCK為高電平時允許發(fā)送，SCK為低電平時允許接收. 2個20 Ω電阻起阻抗匹配作用；2個3.3 kΩ電阻分別為下拉電阻和上拉電阻；3個TVS管(瞬變電壓抑制二極管)的作用是防止總線外部電壓過高，保護(hù)內(nèi)部芯片.

圖3 開關(guān)量輸入電路Fig.3 Switch signal input circuit

圖4 RS485接口電路Fig.4 RS485 interface circuit

2.3 信號插件電路設(shè)計

圖5 防跳、合閘、跳閘回路設(shè)計原理圖Fig.5 Design schematic diagrams of tripping prevention, closing and tripping

信號插件是保護(hù)裝置與外部控制單元的接口電路，主要包括信號部分、跳合閘回路和備用出口回路.信號部分主要包括合閘信號、跳閘信號和失電告警信號；跳合閘回路主要完成跳閘操作、合閘操作，并具有保持、防跳和位置監(jiān)視等功能，主要包括防跳回路、合閘回路、跳閘回路、遙控分合閘回路、跳合閘監(jiān)視回路等;備用出口回路為繼電器控制回路，可以設(shè)置為瞬動或保持出口.

保護(hù)裝置的防跳、合閘和跳閘回路的設(shè)計原理如圖5所示，圖中的FTJ為防跳繼電器，HBJ為合閘保持繼電器，TBJ為跳閘保持繼電器，DL1和DL2為斷路器輔助觸點，HQ為合閘線圈，TQ為跳閘線圈.電路工作原理如下：當(dāng)進(jìn)行合閘操作時，合閘脈沖信號有效，合閘開關(guān)閉合，HBJ線圈得電，HBJ1閉合，合閘線圈HQ得電，完成合閘動作，然后DL1斷開、DL2閉合，切斷合閘回路；當(dāng)進(jìn)行跳閘操作時，跳閘脈沖信號有效，跳閘開關(guān)閉合，TBJ線圈得電，TBJ1閉合，跳閘線圈TQ得電(此時DL2閉合)，完成跳閘動作，然后DL2斷開、DL1閉合，切斷跳閘回路；當(dāng)合閘脈沖信號有效且完成合閘操作以后，若合閘觸點為斷開，而此時線路發(fā)生故障，保護(hù)裝置啟動保護(hù)功能，將跳閘回路接通，使斷路器跳閘，此時TBJ2接通，使FTJ線圈得電，F(xiàn)TJ1閉合，使防跳回路持續(xù)得電，同時FTJ2斷開，長期切斷合閘回路，使斷路器不能再次合閘，達(dá)到防跳的目的.

3 保護(hù)裝置的保護(hù)功能

高壓電機(jī)在運行中出現(xiàn)的故障基本可以分為電氣故障和機(jī)械故障兩大類.電氣故障主要由電機(jī)啟動過程的大電流、電機(jī)機(jī)械過負(fù)荷、電機(jī)堵轉(zhuǎn)、三相電流不平衡、絕緣老化或損壞、供電電壓不穩(wěn)定等原因引起，主要包括過載、堵轉(zhuǎn)、斷相、相間短路、匝間短路、三相短路、三相不平衡等.針對高壓電機(jī)可能出現(xiàn)的電氣故障，保護(hù)裝置設(shè)有啟動超時保護(hù)、差動保護(hù)、兩段式電流保護(hù)、過負(fù)荷保護(hù)、反時限過電流保護(hù)、三段負(fù)序過流保護(hù)、零序過流保護(hù)、過熱保護(hù)和低電壓保護(hù)等保護(hù)功能，并且每種保護(hù)功能都設(shè)置有保護(hù)控制字，可以通過對保護(hù)控制字的整定，投入或退出保護(hù)[8].

3.1 差動保護(hù)

保護(hù)裝置設(shè)置有比率制動式和磁平衡式兩種差動保護(hù)方式.由于電機(jī)啟動過程中的瞬時電流比較大，差動保護(hù)應(yīng)能躲避電機(jī)的啟動電流，在電機(jī)啟動過程中，差動保護(hù)不立即動作，而是增加了120 ms的延時時間，以確保在發(fā)生外部故障時保護(hù)裝置不誤動，提高差動保護(hù)的靈敏度.

比率制動式差動保護(hù)的差動電流Id和制動電流Iz的計算公式分別為

(1)

(2)

(3)

在設(shè)計時，比率制動式差動保護(hù)設(shè)有電流互感器斷線閉鎖功能和諧波制動功能，當(dāng)電流互感器斷線或者二次諧波分量大于15%時，自動閉鎖差動保護(hù)邏輯判斷，減少保護(hù)誤動作.

3.2 兩段式電流保護(hù)

兩段式電流保護(hù)中的I段可當(dāng)作過電流速斷保護(hù)，主要保護(hù)電機(jī)定子繞組或引線的相間金屬性短路.由于電機(jī)直接啟動電流一般超過電機(jī)額定電流的6倍，為了躲過啟動電流，在電機(jī)啟動時將過電流速斷保護(hù)的整定值由軟件提升1.5～2倍，可確保過電流速斷保護(hù)在電機(jī)啟動過程中不誤動.當(dāng)電機(jī)啟動結(jié)束后，過電流速斷保護(hù)的整定值恢復(fù)到設(shè)定值.過電流速斷保護(hù)的保護(hù)時限一般整定為0 s 或整定為極短的時限(100 ms).

兩段式電流保護(hù)中的Ⅱ段可當(dāng)作定時限過流保護(hù)，用作過電流速斷保護(hù)的后備保護(hù)，為電機(jī)因機(jī)械故障或負(fù)載太重而發(fā)生堵轉(zhuǎn)時提供保護(hù).Ⅱ段定時限過流保護(hù)為了躲避啟動電流，在電機(jī)啟動過程中自動退出，其保護(hù)時限一般整定1.0～3.0 s.

3.3 三段負(fù)序過流保護(hù)

當(dāng)電機(jī)運行中出現(xiàn)線圈匝間短路、反相、斷相等不對稱故障時，會產(chǎn)生比較大的負(fù)序電流，負(fù)序電流產(chǎn)生的熱量是工頻電流所產(chǎn)生熱量的2 倍，對電機(jī)的運行造成嚴(yán)重危害.保護(hù)裝置設(shè)置有三段負(fù)序過流保護(hù)，負(fù)序電流Ⅰ段保護(hù)為零時限速斷保護(hù)，用作不平衡保護(hù)的主保護(hù)，只動作于跳閘；負(fù)序電流Ⅱ段保護(hù)為不平衡保護(hù)的后備保護(hù)，由控制字來選擇跳閘或告警；負(fù)序電流Ⅲ段保護(hù)采用極端反時限，計算公式為

(4)

式中：t為動作時間，I為負(fù)序電流，Ip為負(fù)序反時限保護(hù)整定值，Tp為負(fù)序反時限整定時間常數(shù).

3.4 過熱保護(hù)

電機(jī)過熱對電機(jī)的危害是十分嚴(yán)重的，在負(fù)載不均衡或者長期過負(fù)荷的情況下，電機(jī)就會產(chǎn)生過熱使溫升超過允許數(shù)值，從而使電機(jī)絕緣迅速老化甚至引起電機(jī)燒壞等故障發(fā)生，因此過熱保護(hù)是電機(jī)的一種重要保護(hù)功能.為了能夠有效地防止電機(jī)過熱，保護(hù)裝置設(shè)計時利用軟件模擬電機(jī)的發(fā)熱過程，考慮定子繞組和轉(zhuǎn)子繞組的平均發(fā)熱情況，采用等效發(fā)熱電流Ieq來模擬正序電流和負(fù)序電流的發(fā)熱效應(yīng)，Ieq的表達(dá)式為

(5)

式中：I1為正序電流，K1為正序電流發(fā)熱系數(shù)，I2為負(fù)序電流，K2為負(fù)序電流發(fā)熱系數(shù).K1在電機(jī)在啟動過程中取值0.5，在電機(jī)啟動結(jié)束后取值1；K2取值為3～10，一般取值為6.

過熱保護(hù)的保護(hù)方程為

(6)

式中：td為過熱保護(hù)動作時限，τ為發(fā)熱時間常數(shù)，Ieq為等效發(fā)熱電流，Ie為額定工作電流.

4 保護(hù)裝置的軟件設(shè)計

保護(hù)裝置的軟件設(shè)計采用模塊化設(shè)計思想，采用C語言編程，充分利用C語言的結(jié)構(gòu)化特點，增強(qiáng)了軟件的可讀性和移植性，保證了軟件設(shè)計的可靠性.整個軟件系統(tǒng)由主程序循環(huán)和各種中斷處理構(gòu)成，保護(hù)裝置上電復(fù)位后，微控制器將復(fù)位向量裝載到程序地址寄存器，然后從復(fù)位向量開始執(zhí)行程序.主程序首先進(jìn)行初始化，為各子程序的調(diào)用和系統(tǒng)各模塊的使用做好準(zhǔn)備，然后程序進(jìn)入主循環(huán).主循環(huán)包括各種自檢、人機(jī)對話處理、存報告等，中斷處理包括采樣中斷、定時器中斷、保護(hù)中斷、通信中斷等.主程序設(shè)計流程圖如圖6所示.

圖6 主程序流程圖Fig.6 Main program flow diagram

5 系統(tǒng)測試數(shù)據(jù)

按照國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 7261—2008繼電保護(hù)和安全自動裝置基本試驗方法，對所設(shè)計的高壓電機(jī)微機(jī)保護(hù)裝置進(jìn)行了測試，部分保護(hù)功能的測試數(shù)據(jù)如表1所示.從測試結(jié)果中可以看出，測試誤差不超過理論值的5%，能夠滿足相關(guān)技術(shù)要求.

表1 部分保護(hù)功能的測試數(shù)據(jù)Tab.1 Test results of some protection function

6 結(jié)論

所設(shè)計的高壓電機(jī)微機(jī)保護(hù)裝置采用ARM處理器MB9BF618S作為系統(tǒng)控制核心，充分利用了MB9BF618S工作頻率高、集成度高、系統(tǒng)資源豐富的特點.該保護(hù)裝置的硬件結(jié)構(gòu)緊湊，軟件功能豐富，可對高壓電動機(jī)所產(chǎn)生的各種電氣故障進(jìn)行全面保護(hù)，實現(xiàn)了高壓電動機(jī)保護(hù)的智能化和網(wǎng)絡(luò)化，提高了高壓電機(jī)運行的可靠性，可廣泛應(yīng)用于礦業(yè)、冶金、化工等行業(yè)，具有較高的應(yīng)用價值.

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(責(zé)任編輯：孔 薇)

The Design of Microcomputer Protection Device for High Voltage Motor Based on MB9BF618S

ZHANG Tian-peng1, ZHAI Ya-fang1, ZHANG Xiu-tai1, WU Zhan-wei2

(1.SchoolofElectronicInformation&ElectricalEngineering,AnyangInstituteofTechnology,Anyang455000,China; 2.XJElectricCo.,Ltd，Xuchang461000,China)

A microcomputer protection device for high voltage motor was designed by using the ARM processor MB9BF618S as the core component which allowed this device to monitor the motor’s operation status and to provide several kinds of protection services including start-up out-time protection, differential protection, two phase current protection, three phase negative current protection, and overheating protection, etc. The overall structure and operation principle of the device were discussed. Moreover, the design scheme of alternating current (AC) module, central processing unit (CPU) module and signal module and the analysis on the working characteristic of differential protection, two phase current protection and three phase negative current protection were also included. With the characteristics of simple structure, easy operation, fully functioned and high reliability, this protection device also had a high application value.

high voltage motor; microcomputer protection device; MB9BF618S; motor protection

2015-03-01

張?zhí)禊i(1980-)，男，河南南陽人，講師，主要從事電力系統(tǒng)繼電保護(hù)與控制及微控制器技術(shù)應(yīng)用研究，E-mail:zhangtp80@163.com．

張?zhí)禊i，翟亞芳，張修太，等.基于MB9BF618S的高壓電機(jī)微機(jī)保護(hù)裝置設(shè)計[J].鄭州大學(xué)學(xué)報：理學(xué)版，2015，47(3)：110-115.

TM774

A

1671-6841(2015)03-0110-06

10.3969/j.issn.1671-6841.2015.03.021