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1、掘进机综合保护装置的各种保护原理及故障判据随着我国煤炭事业的蓬勃发展，煤矿对掘进机电气系统的性能、质量、品种的要求也越来越高。由于矿井下环境比较恶劣，掘进机采掘的煤岩很硬，而且涉及防爆，恶劣的环境常常导致电机产生过流、短路、断相、绝缘老化等事故，这就给掘进机的综合保护技术提出了非常高的要求，它要求比其它的电机保护更先进、更快速和更全面的保护。因为掘进机的综合保护主要是对电机的保护，所以本章主要是分析电机的故障特征和保护原理，从分析电动机的各类故障入手，找出各种故障的故障判据，进而推出相应的保护算法。本文采用的电动机保护算法是在传统的检测三相电流经电流电压变换送监幅电路作为判据方法的基础上，采用
2、以检测过流幅值、零序电流和负序电流分量为基础的故障判据，并在这个基础上形成了各种保护的算法。掘进机综合保护装置常见保护形式掘进机的综合保护主要是对电动机的保护，矿用隔爆型三相异步电动机是掘进机电气系统的主要组成部分，它与液压系统配合操作，可自如的实现整机的各种生产作业。作为电气主设备，电动机的运行正常与否，直接关系整机的性能，所以要高度重视，除了对电机的保护外，掘进机还有很多极其重要的保护形式。现对掘进机常见故障和矿井下的实际需要投入的主要的保护形式介绍如下：1.瓦斯闭锁保护:当瓦斯检测仪测得的瓦斯含量达到1%时报警,达到 1.5%时，保护装置通过程序停前级电源。2.粘连保护:开机前和停机后保
3、护装置检测真空接触器的主触点是否断开。3.漏电闭锁:当掘进机电气系统主电路单相对地绝缘电阻值降到规定值以下时电机不能启动。（参考值AC1140V为40K， AC660V为22K）4.低压漏电保护：当AC220V、AC120V、AC24V低压线路对地绝缘降低到规定值时保护动作，显示220V漏电、120V漏电或24V漏电。（参考值AC220V为5K，AC120V为3K，AC24V为2K）5.电机温度保护: 由于冷却系统故障或环境温度过高，油泵和截割电机绕组温度达到155时，埋在电机定子绕组中的温度继电器动作，保护装置通过程序控制油泵或截割电机停止运转电机冷却后自动复位。对应热敏电阻阻值为1.8K
4、2K。 6.门闭锁保护:矿用掘进机的电气系统开关箱左右门上均有门闭锁行程开关,保证只有门关严后才能送电开机，防止井下的违章作业。 7.联锁保护:只有矿用掘进机的油泵电机起动后才能起动其他电机,油泵电机起动后,截割电机才能起动 “报警”,截割电机报警510秒后才能起动截割电机。8.对称故障保护:对称故障主要有对称过载、堵转、对称稳态短路等，这类故障对电动机的损害主要是由于电流增大所引起的热效应和机械应力，使绕组发热甚至损坏。 9.不对称故障保护: 电动机的不对称故障主要有断相、相间短路、匝间短路、不平衡运行、接地短路等。不对称故障对电动机的损害不仅仅是电流增加引起的发热，更重要的是不对称引起负序
5、效应给电动机运行带来的隐患。因此，电动机运行缺陷的早期诊断是非常重要的。以上掘进机的微机保护主要通过测量电量(电流、电压以及开关状态等)来监测机器的运行状况，其中瓦斯检测、粘连漏电检测、门锁检测属于闭锁保护，同时瓦斯保护又属于监测保护，即在机器运行的过程中发现瓦斯超限可以及时切断前级电源，具体的保护方法在第4章进行详细的介绍。下面主要集中阐述对电机的保护，引起矿用隔爆型三相异步电动机的常见故障可分为对称故障和不对称故障两大类9，10。对称故障的主要特征是发生故障时三相仍基本对称，只是电流幅值增大，所引起的热效应在散热条件差的情况下特别容易烧坏电机。因此，对称故障可以由电流过流程度来反映，所以仍
6、然以电流强度作为故障判据。不对称故障其实是电动机运行中比较常见的故障，故障之初并没有出现明显的电流增大，如果处理不及时会导致事故扩大，引发电动机机端过热、转子及起动力矩降低等问题，严重的损坏了电动机。不对称故障对电动机的损害主要是负序电流引起的负序效应，如果有过电流出现，还会使绕组发热，此类故障明显特征是电动机定子电流出现负序电流和零序电流。传统的电子型保护装置都是通过三相电流的过流程度来反映电机的故障特征的，但这类保护装置存在很多问题，原因是这类保护只能检测电机发生的对称故障，对于不出现明显的电流增加的不对称故障却不能够及时的作出判断30,31。本文针对传统的保护装置存在的问题，利用对称分量
7、法，增加了不对称故障的检测，即通过对各相电流的计算分解出负序电流分量和零序电流分量，用来作为发生不对称故障的故障判据，从而实现电动机全面的综合保护。掘进机用矿用隔爆型三相异步电动机故障特征分析1三相异步电动机的故障特征及保护类型三相异步电动机发生对称故障的主要特征是出现电流幅值增大，只产生正序电流分量，而负序电流和零序电流为不平衡电流，数值较小；发生不对称故障时的主要特征是负序和零序电流分量会显著增加。因此可以在检测电动机过流程度的同时，以序分量为基础，通过检测负序电流、零序电流的大小来判断电动机是否出现不对称故障。这样，不但能更好的反应电动机的运行状况，还可以大大提高保护的灵敏度和可靠性。异
8、步电动机常见故障特征分析情况如表2-1所示，表中单相故障设A相为故障相，两相设B、C为故障相，Ip表示故障前相电流的幅值，。故障类型负序零序故障特征过电流保护类型对称故障三相短路无无IaIbIc（8-10）Ip速断堵转无无IaIbIc（5-7）Ip定时限过载无无IaIbIc（1.2-5）Ip反时限不对称故障非接地断相Ib无Ia0，IbIc负序定时限逆相IP无IaIbIc无不平衡有无IaIbIc无相间短路与位置有关无IbIcIa与位置有关负序速断接地单相接地有IaIbIc与位置有关零序速断两相接地有Ib，IcIaIp与位置有关速断表2-1矿用隔爆型三相异步电动机常见故障特征72.基于过流、负序和
9、零序电流的故障判据分析三相异步电动机不对称故障的常用工具是对称分量法。应用对称分量法分析三相异步电动机不对称运行问题时，可使计算简化。采集来的三相电流通过计算分解为正序、负序和零序电流分量，根据是否出现负序、零序电流以及过流程度对所发生的故障类型作出诊断，根据诊断的结果对所发生的故障进行保护跳闸和故障显示。这种诊断不但灵敏、可靠，能够覆盖电动机所有常见故障，而且能够识别不同故障类型，实现故障自动诊断。其中过载保护采用拟合电动机温升曲线的反时限特性，并具有热记忆功能，其他故障根据诊断的类型进行定时限或速断保护，三相异步电动机故障诊断及保护的原理框图如图2.1所示。图2.1电动机故障诊断及保护的原
10、理框图3对称分量法在故障诊断中的应用由于掘进机工作在煤岩和半煤岩的巷道中，使其在掘进的过程中经常会发生矿石砸坏或刮断电缆的现象，所以经常会发生断相、单相接地、两相短路的故障，基于这方面的考虑，本文以这三种故障为例，应用对称分量法，分析这三种故障中电流各序分量的分布。(1)断相故障分析8在电网电压完全对称时，如果电动机正常运行，各相电流中没有负序电流分量；但当发生断相故障时，电动机的电源电压将不对称，各相电流中将会产生负序电流分量。设三相定子绕组为Y接，当C相断线时,其不对称边界条件为: ，根据对称分量法，代入不对称边界条件，且，则得到C相各序电流分量为： （2-1） 则得到：由对称分量法可知：
11、；且；将线电压分解为对称分量： （2-2）式中： 为三相感应电动机的正序阻抗；为三相感应电动机的负序阻抗。 对于旋转电动机来说，各序电流通过时引起不同的电磁过程，其相序阻抗也是不同的。根据电动机运行原理，可得正序、负序阻抗如下,其等值电路如图2.2所示1，2：正序阻抗 负序阻抗图2.2 异步电动机的等效电路 其大小分别为： 联系式（2-2），得出各相的正序电流分量、负序电流分量及B相和A相的相电流分别为： （2-3）（2-4）在忽略电动机的励磁电流的情况下，能够求出负序电流分量和未断相绕组的相电流的有效值为：（2-5）由式（2-1）、式（2-3）、式（2-5）可知，A相断线时，正序电流与负序电
12、流相等；且健全相B相和C相的电流与负序电流的关系为；（2-6）同时健全相B相和C相的电流可以表示为32：（2-7）式中：电动机最大转矩倍数； 负载率，满载时为1；由式（2-6）和（2-7）可以对不同负载率下的正序、负序电流和健全相的电流进行分析，当时的分析结果如表2-2所示。表2-2 不同负载率下的断相电流分析1.00.90.80.70.60.50.40.31.671.261.060.890.750.610.480.360.970.730.610.520.430.350.280.21由表2-2可见，当负载率接近0.8时，断相故障才会引起健全相过电流。这正是常规过流保护经常不能有效保护不对称故障
13、的原因。同时，当负载率在0.7时，就会出现较大的负序电流分量。由以上分析可见：正在运行的三相感应电动机，其转差率S约为0.05，当发生一相断线时，未断相绕组的电流急剧增大，并出现较大的负序电流。当发生这种现象又未能及时保护时，电机绕组将因过热而烧毁。同样，对于相间不对称短路等故障，也将会在各相电流中出现较大的负序电流。（2）单相接地故障分析12由于电动机的外壳是安全接地的，在矿井下尘埃重、湿度比较大，所以这种环境极易发生电机转子刮壳、受潮、绝缘破坏等接地故障。对单相接地短路，设电动机的A相经电阻r接地，其等值分析电路和对应的相量图如图2.3和图2.4所示。 图2.3 单相接地短路 图2.4 单
14、相接地短路相量图由等值电路可以得到电动机的各相电流为： （2-8）式中：三相等值阻抗；、三相对称电压。根据对称分量法可知：；则各序电流分量为：（2-9）由上述分析可知，当发生单相接地短路时会出现负序电流和零序电流，故障相的相电流也同时增大。若r值越大，负序和零序电流越小，同时故障相中的电流增量就越小；若r值越小，负序和零序电流越大，同时故障相中的电流增量就越大。负序和零序电流值的大小主要决定于故障的程度，即取决于故障的位置，这正是反映相电流分量的电动机保护无法检测漏电及接地故障的原因。（3）两相短路故障分析13假设三相异步电动机定子绕组Y接，在运行过程中发生B、C两相短路，此时电压不再对称。假
15、设电源没有切断，电动机仍然在电网中，如图2.5所示。图2.5 异步电动机Y接两相短路此时电动机的端点的边界条件为：，分解为对称分量： （2-10）由此可得： （2-11）定子电流的正序、负序分量为：（2-12）定子三相电流为： （2-13）矿用隔爆三相异步电动机的综合保护由于矿井下工作环境比较恶劣，电动机发生故障的几率也比较大，针对这种情况和用户的实际需要投入了以下几种保护: 过载保护、短路保护、负序过流保护、单相接地保护、欠电压和过电压保护等保护形式。下面对几种主要保护的原理和实现方法分别加以详细的阐述。1过载故障分析及保护判据14，16电动机正常运行中因负荷过大所引起的过热现象称为电动机过
16、载。过载运行时电动机的工作电流大于额定电流，温升高于额定值，如果电动机过载运行时间过长则会引起电动机绕组过热而烧损。在发生过载时，电动机往往是多次连续性的短时过载，每次过载时间又都小于允许时间，这样保护就不会动作，然而电动机本身热积累很可能造成电动机烧毁，基于这种考虑所以电动机保护应具备模拟式记忆电动机热积累的功能。另外电动机常常是过载后又自动消除，根据这种实际情况电动机保护中不但要建立热积累模型，而且还要有热发散的模型，所以在设计过程中要从热积累和热发散两个方面综合考虑电动机的热过载情况。在建立过负荷保护发热模型时，应充分考虑负序电流的热效应。因为负序电流产生的旋转磁场使转子感生电流的频率近
17、似为100，负序电流对异步电动机转子槽所产生的显著的集肤效应使转子电阻表现为较大的交流电阻。而正序电流的旋转磁场使转子感生电流频率很低，转子电阻表现为直流电阻。在鼠笼式异步电动机中，转子对负序电流和正序电流表现的电阻之比6，这样一来数值相同的负序电流产生的损耗近于正序电流损耗的倍11。对于定子绕组来说，由于正序电阻与负序电阻相同，故数值相同的正序电流和负序电流产生的定子发热损耗相同。根据以上分析，考虑负序电流的热效应，在某些故障情况下，可能有时定子过流不是很大，但转子温度却已达到危险值。为了更为全面而准确的对电动机提供保护，保护中综合考虑了电动机和所产生的热效应，为电动机提供各种过负荷引起的过
18、热保护，目前广泛采用等效电流的方法。此种方法考虑到和对电动机的发热有不同的影响，因此采用等效电流来准确地提供过热保护28，29。 （2-14）式中：正序电流；负序电流；正序电流发热系数，在起动过程中取0.250.5；正常运行后取为1；负序电流发热系数，取310。 电动机允许的运行时间与电流的关系如下：（2-15）式中：电动机的发热时间常数，整定的范围是1502400S； 电动机额定电流（一次侧）。这种综合性的保护从原理上看是十分完善的。因为它综合地考虑了和对发热的不同影响，以及在起动状态和正常状态下热积累的效应，从而将电动机所允许的发热特性转化为与的反时限特性予以表示。如果电动机厂家能够提供出
19、、和的数据，那么这种保护的特性就能很好地与发热的特性相匹配，达到预期的良好的效果。例如选的较大或选的较小，就会造成动作时间过长，可能使电动机损坏。反之，如果选择较小或选择较大，就会使保护动作的时间短于发热允许的时间，造成不必要的切除。现就国内对的选择来看，有的建议选择4，有的建议选择6，究竟选多大为好目前尚未有一个统一的说法。鉴于此，本文在等效电流基础上重新考虑了热积累和热发散模型。1）热积累模型当电动机由于过负荷运行而有一定的热积累，但每次过载时间又都小于允许时间时，这时还未达到使保护动作的程度，则应考虑模拟电动机的热积累。如图2.7所示为过负荷反时限特性曲线示意图。图2.6 电流反时限特性
20、示意图当前时刻等效电流为，为了充分考虑了电动机冷态发热温升的裕度，等效系数在电动机在启动时取0.5，正常运行时取1。 （2-16）式中：当前时刻等效电流：当前时刻实测电流；等效系数。发热模型的热积累动作特性通常离散化，表达式为：（2-17）式中：当前时刻热积累值；热积累设定值；计算周期，在装置中为常数；热积累门槛电流；热积累基准电流；过载保护动作条件为：时，保护动作于出口跳闸。为了减小计算误差，提高灵敏度，整定时热积累基准电流和热积累门槛电流可以取。2）热发散模型当电动机由于过负荷运行而有一定的热积累，但还未达到使保护动作的程度时，如果此时过负荷消除，则应考虑模拟电动机的热发散。如图2.7所示
21、为发电机转子发热和散热特性曲线示意图。图2.7 电动机发热和散热特性曲线散热特性采用的是二次曲线规律进行衰减，当电流小于时，判断为是电动机的散热过程；当电流大于时，判断为是电动机的发热过程。的表达式如下： （2-18）过载动作后，电动机温升逐渐下降，经过一定的时限，保护自动复位，复位时间根据电动机动作时记录的热积累值自动调整。2短路故障分析及保护判据15电动机的短路故障是比较常见的一种故障，它能引起电动机的严重损坏，使供电网络的电压显著下降，影响其它用电设备的正常工作，所以短路保护是电动机的主保护。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保护可靠的
22、不动作，整定值在起动和运行过程中采用了不同的算法。(l)异步电动机起动过程中的速断保护:欲使电动机能满载地起动，要求必须大于电动机满载起动电流，即: （2-19）式中：保证电动机满载启动系数，取1.21.4。 电动机起动电流系数，一般取47。 电动机的额定线电流。(2)异步电动机运行中的速断保护在电动机运行过程中，的整定可不必考虑要躲过电动机的起动电流，短路保护可以按电动机的额定电流的倍数整定，即: （2-20）式中的值一般取为8-10，这样可以保证三相异步电动机在起动结束后的运行过程中不会频繁跳闸，保证掘进机的正常工作。在电动机的实际运行过程中，通过程序中语句检测出电动机A，B，C三相线电流
23、中的最大值，当三相电流的最大值大于整定值、时，保护装置便无时限的动作出口跳闸，使电动机不至于被损坏。3两段式负序过流保护负序过流保护主要是针对电动机的各类非接地性不对称故障提供的保护。负序过流保护通常采用两段式定时限保护，当负序电流超过了整定值，且故障时间超过了时间整定值时，保护动作。第一段具有高整定值，延时，时间较短；第二段具有低整定值，延时，时间较长。(1)第一段整定:在系统最小运行方式下电动机端两相短路时，最小的短路电流负序分量应使负序电流保护第一段可靠地动作，其灵敏度至少为1.25，按此原则得:（2-21）应保证大于第二段整定值，使得电动机在起动过程中负序电流保护第一段可靠地不动作。负
24、序电流保护第一段的固定为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的影响。(2)第二段整定:在电动机正常运行及起动过程中，运行三相电压之间有持续的5%以内的误差，此时会出现较长时间的负序电流，应保证负序电流第二段可靠地不动作，为此: =(0.30.4) (2-22)按式整定的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，但因为有长时限，则能保证第二段不误跳,由用户整定。4单相接地故障分析及保护判据在变压器中性点不接地的供电系统中，当一相（如A相）发生直接接地故障，便有单相接地电流在接地点流过，并经其它两相的绝缘电阻和电容流回电源。此时，A相导线对地电压为零，B、C两
25、相对地变成了线电压。但电源线电压仍然平衡，并不影响负荷继续工作。不过，从矿井的安全出发，为了防止瓦斯煤尘爆炸，要求立即切断供电电源。由于三相电网对地电压不再平衡，三相电压之和不为零，因而出现了零序电压和零序电流。由于我国大中型电动机一般采用小电流接地方式，当发生一点接地时，故障电流很小。因此为提高接地保护的灵敏度，可采用一次零序电流互感器检测零序电流，其运作电流按大于倍保护回路的电容电流整定，即: （2-23）式中： 可靠系数，取45； 当外部发生接地故障时，过流被保护回路的最大接地电容电流。5欠压和过压故障分析及保护判据17，18根据(2-24)式三相异步电动机的电磁转矩公式可知，电动机的电
26、磁转矩与电网供电电压有关。当电网电压上下波动时，电动机的电转矩相应发生变化，进而影响到定子电流的变化，从而影响到电动机正常运行，所以必须有欠电压和过电压保护。 （2-24）式中： 电磁转矩； 常数；定子电压； 转差率；电动机转子电阻； 电动机启动感抗。（1）欠压保护当电源电压由于某种原因降低到额定电压75或长时间低于额定电压85时，称为系统欠电压。电动机的转矩和定子电流与电压密切相关，在电网电压降低，电磁转矩下降时，电动机转速也下降，因此转子绕组中感应出的电动势和产生的转子电流都将增大。转子电流增大，定子电流必然相应增大，温升增高，致使电动机过热甚至烧坏，严重时还会造成堵转。低电压也会使电动机
27、起动转矩下降，当电压降低到能使起动转矩小于负载转矩时，电动机就无法启动。如果电网电压暂时中断，随后又自行恢复，则电动机停机后又会自行起动，这对正在检查电动机故障的人员构成人身威胁；如果电动机的起动转矩较小，不能直接带负载自起动，则可能继续处于堵转或低速爬行状态，同样电动机将承受大起动电流的作用而过热甚至烧毁。因此，电动机应有欠压保护，以保证一旦发生欠压故障它就能够自行脱离电源。欠压保护的整定原则是:若在一定时限内采样到的线电压有效值均低于保护整定值，则认为有故障产生，应进行断电保护。（2）过压保护当电源电压由于某种原因超过额定电压15时,称为系统过电压。过电压通常是由电网电压波动造成的，当然有
28、时也是伴随其它故障而产生的，如果负载星形连接且无中性线的电动机定子绕组一相短路，则会造成其它两相负载的电压增大。电动机在过电压状态下运行，容易对电动机的绝缘造成破坏，从而缩短电动机使用寿命，因此电动机应装设过电压保护。过压保护的整定原则是:若在一定时限内采样到的线电压有效值均高于保护整定值，则认为有故障产生，应进行断电保护。微机保护的数据采集和数字滤波以及特征量算法掘进机综合保护装置采集的信号分为数字量和模拟量信号两类。其中数字量信号包括断路器、隔离开关等设备的辅助接点以及其他继电器接点的开关量信号，或者来自别的微机保护或数字设备的数字量信号。这些信号经过干扰隔离环节，由输入、输出接口和保护装
29、置相连。而当被采集的物理量是连续的模拟信号时，必须依据采样定理对模拟信号进行离散化，以保证原始数据不失真。模拟量输入电路的主要作用是隔离、规范输入电压及完成模数转换，以便与CPU接口，完成数据采集任务，因此这部分电路又称数据采集电路。数据采集电路内部参与运算的信号是二进制的离散数字信号，模拟量输入电路是掘进机综合保护装置中很重要的电路。保护装置的动作速度和测量精确度等性能都与该电路有关。3.1保护装置的数据采集电路3.1.1电压形成回路综合保护装置要从被保护的线路或设备上的电流互感器、电压互感器或其他电压变送设备上取得信息，通常根据模数转换器输入范围的要求，将互感器的二次侧数值变换为420mA
30、的电流信号或15V范围内的电压信号，对于电流信号可以采用串联一定阻值的电阻的方法变换为相应的电压信号。在互感器的选择上有铁芯电流互感器和空芯电流互感器。其中铁芯电流互感器受其铁磁性能的影响，即使在设计时确定的工作很理想，在小电流时测量线性度很好，但在大电流时铁芯易于饱和，线性度差，测量范围小。采用空芯电流互感器准确度高线性误差在1以内，测量范围广绝缘水平高，用于高压大电流电动机具有明显的优点，但是在小电流时，信号较小测量误差大。转换信号不失真这点对微机保护是很重要的，因为只有在这种条件下作精确的运算或定量的分析才是有意义的。至于移相、提取某一分量等，在微机保护中，根据实际需要可以容易地通过软件
31、来实现。3.1.2采样电路采样电路由传感器、电压调理电路和A/D转换部分组成。电动机的电流、电压信号用电流传感器和电压变送器拾取，并进行适当的放大和调理后送入单片机内部集成的A/D转换模块的模拟输入口。列如要检测截割电机的三相电流信号，因截割电机的额定电流比较大，选用时要考虑过流的影响，所以应选用通过电流较大的电流传感器，一般选CT30-1400A/5V型电流传感器检测电流信号，如要检测系统电压，因系统电压额定为1140V，选用时考虑过压等因素，所以一般采用CSP2-1500Va.c/5V型交流电压变送器检测系统电压。电压调理电路包括跟随、比例调整和硬件滤波三部分，作用是为了保证电机在额定电流
32、以及当电机启动和过载时出现过电流情况下的检测精度(l%)，模块硬件结构如图3.1所示。图3.1模拟信号处理硬件流程图A/D转换器采用的是C8051FO20单片机内部集成的12位分辨率的逐次逼近型A/D转换器（ADC0）和8位分辨率的逐次逼近型A/D转换器（ADC1）。其中ADC0转换器硬件原理如图3.2所示。图3.2 C8051F020单片机A/D硬件原理图C8051F020片内有一个12位SAR ADC（ADC0）和一个9通道输入多路选择开关，另外还有一个可编程增益放大器。ADC0的电压基准有DAC0输出和外部VREF引脚两种选择方式，片内15ppm/C的电压基准通过VREF输出引脚为其它系
33、统部件或片内ADC产生基准电压，该ADC在100ksps工作时能够达到真正的12位精度采样速率，INL为1LSB。ADC完全由CIP-51通过特殊功能寄存器控制，9个通道中有一个连接内部温度传感器，另外8个接外部输入，8个外部输入单端输入也可配置为4对差分输入。可编程增益放大器接在模拟多路选择器之后，增益可以用软件设置，从0.5到16以2的整数次幂递增。当不同ADC输入通道之间输入的电压信号范围差距较大或需要放大一个具有较大直流偏移的信号时（在差分方式DAC可用于提供直流偏移），经常要利用增益放大器。例如用电流传感器监测电流，输出的020mA电流经过采样电阻转换为C8051FO20单片机所能接
34、受的02.4V电压，为了保证电机在空载和严重过载情况下的测量精度，通常就要用到C8051F020内部的可编程放大器。当时，放大器的放大倍数编程为8倍，当电流时，放大器的放大倍数为1倍。采样时先将放大倍数设为8，若采样值为满量程则将放大倍数设为1，重新采样。交流电压变送器CSP2-1500Va.c/5V的额定电压是1500V，输出为5V，工作电源是24V。电压采样电路的工作原理与电流测量电路相同，只是单片机内部放大器的放大倍数固定为1，所以这里就部不对电压采样电路进行详细介绍。A/D转换有软件命令、定时器2溢出、定时器3溢出和外部信号输入4种启动方式，一次转换的完成可以用软件查询一个状态位来判断
35、，也可以产生一个中断。转换完成后，12位转换结果数据字被锁存到两个特殊功能寄存器中，这些数据字可以用软件控制为左对齐或右对齐。窗口比较寄存器可被配置为当ADC数据位于一个规定的范围之内或之外时向控制器申请中断。ADC还可以用后台方式监视一个关键电压，当转换数据位于规定的窗口之内时才向控制器申请中断。3.2保护装置的数字滤波滤波是微机保护的一个必要环节，用以滤去各种不必要的谐波，模拟低通滤波器的作用主要是滤掉以上的高频分量，以防止混叠现象产生，而数字滤波器的用途是滤去各种特定次数的谐波，特别是接近工频的谐波21。数字滤波器不同于模拟滤波器，它不是纯硬件构成的滤波器，而是由软件编程去实现，改变算法
36、或某些系数即可改变滤波性能。从数字滤波器的运算结构来看，主要有递归和非递归型两种基本形式，这里仅对非递归型滤波器进行介绍。在非递归型滤波器中，最简单的一种常用滤波器是差分(相减)滤波器，它的滤波方程为：(3-1)式中：，称为差分步长，可根据不同的滤波要求进行选择。通常根据传递函数来求取数字滤波器的滤波特性和幅频特性，传递函数表征滤波器输入和输出之间关系，这就涉及到很多有关离散时间系统的基础知识。假设是连续型正弦函数信号的采样值，则有：（3-2） （3-3）式中：、输入信号的幅值、相位和频率。前后两个采样点之间的时间间隔，称为采样周期。若每基频周期内点数为，则，其中为基频频率。经过差分滤波计算后
37、，输出信号序列为：两个比vyiwei 可以表示为： (3-4)其中： 因此，差分滤波器的幅频特性为： 幅频特性曲线如图3.3所示，图中。由幅频特性不难看出，经差分滤波后，输入信号中的直流分量以及频率为和的整次倍谐波分量将完全滤除。 图3.3 差分滤波器的幅频特性在微机保护中，差分滤波器主要用于：抑制故障信号中的衰减直流分量的影响和提取故障信号中的故障分量。差分滤波器的结构非常简单，计算量很小但各自独立使用时，滤波特性难以满足要求。为了提高滤波性能，实际应用中，通常把具有不同特性的滤波器进行组合，即把数字滤波器相串联，前一个滤波单元的输出作为后一个滤波单元的输入，这种做法被称为级联，如图3.4所
38、示。图3.4 滤波器的级联采用级联组合滤波后，整个滤波系统的幅频特性等于各滤波单元幅频特性的乘积，即： 另外还有一种常用滤波器是积分滤波器，滤波方程为，其中的。若需提取故障信号中的基频分量，可将差分滤波单元与积分滤波单元相级联，利用差分滤波器减少非周期分量的影响，而借助积分滤波器来抑制高频分量作用。这种通过合理选择和配合具有不同滤波特性的滤波单元，可使整个滤波系统的滤波特性得到显著改善。例如采样频率为每周波24点()，要求完全滤除直流分量及第3、4、6、8、9、12次谐波分量，并且具有良好得高频衰减特性。就可以选用一个差分滤波单元和两个积分单元组成三单元级联滤波器，如图3.5所示。各滤波单元的
39、滤波方程选择为：(1) 差分滤波(2) 积分滤波，图3.5 级联滤波器示例非递归型滤波器的设计方法除组合滤波之外，其他常用方法还包括窗函数法、零点配执法、频率抽样法和等滤波动逼近法等。对于非递归型数字滤波器而言，其突出的优点是由于采用有限输入信号的采样值进行滤波计算，不存在滤波器的不稳定问题，也不存在因计算过程中的舍入误差的积累造成滤波特性恶化。此外，由于滤波器的数据窗明确，便于确定它的滤波速度，因此，易于在滤波特性与滤波速度之间进行协调。非递归型滤波器存在的主要问题是，要获得较理想的滤波特性，通常要求滤波算法的数据窗较长，所以在某些场合可考虑采用递归型滤波器。3.3微机保护的特征量算法微机保
40、护是利用数学运算的方法实现故障量的测量、分析和判断的。综合保护装置根据模数转换器提供的输入量的采样数据进行分析、运算和判断，以实现各种继电保护的功能的方法称为算法。算法按目标可以分为两类：一类是根据输入量的若干点采样值通过数学式或方程式计算出保护所反映的量值，然后与给定值进行比较；另一类是直接模仿模拟型保护的实现方法，根据动作方程来判断是否在动作区内，而不计算出具体的阻抗值。不论是哪一类保护的算法，其核心归根结底都是算出可表征被保护对象运行特点的物理量，如电流、电压等的有效值和相位以及复阻抗等，利用这些基本的电量的计算值，就可以很容易地构成各种不同原理的保护。算法有精度和速度的要求，还要考虑数
41、字滤波，有的算法本身就具有数字滤波功能33。3.3.1正弦函数模型的算法 理想状态下被采样的电压、电流信号都是纯正弦特性，即不含有非周期分量，又不含有高频分量。但实际故障后电流、电压都含有各种暂态分量，而且数据采集系统还会引入各种误差，所以这一类算法要获得精确的结果，必须和数字滤波器配合使用。采样值积算法导数算法的优点是计算速度快，缺点是当采样频率较低时，计算误差较大。采样值积算法是利用采样值的乘积来计算电流、电压、阻抗幅值等参数的方法，特点是计算的判定时间较短，下面介绍三采样值积算法。三采样值积算法是利用三个连续的等时间间隔的采样值中两两相乘，通过适当组合消去项求出信号幅值和其他电气参数的方
42、法。组合的方式有多种，下面介绍的是其中的一种。设、为采样时刻，每个采样间隔为，电压过零后时刻的采样值和落后于一个角电流的采样值为： (3-5)时刻的采样值为： (3-6)时刻的采样值为： (3-7)取的乘积，得： (3-8)将与相加，得：(3-9)将式（3-8）与式（3-9）经过适当组合便可消去项，得：（3-10）当同时取电压或电流信号的采样值时，则,此时可得： (3-11) (3-12)当取，则上式变为：(3-13)(3-14)同样可求得和的值：三采样值积算法的数据窗是二倍的采样周期，从精度角度看，若输入信号波形是纯正弦的，则这种算法没有误差，因为该算法的基础是考虑了采样值在正弦信号中的实际
43、值3。3.3.2傅里叶算法正弦函数模型算法只是对理想情况的电流和电压波形进行了粗略的计算，而故障时的电流和电压波形畸变较大，通常假设包含各种分量的周期函数。在微机保护装置中，针对这种模型，提出了傅里叶算法。傅里叶算法是一个被广泛应用的算法，它本身具有滤波作用。设被采样的模拟信号是一个周期性时间函数，可表示为：(3-15)式中： 、分别为直流、基波和各次谐波分量的正弦项和余弦项系数；基波角频率； 谐波次数。对于基波分量，取，则可得：(3-16)式中： (3-17) (3-18)也可将正弦基波信号表示为另一种形式，即：(3-19)由此可得：，。因此，可根据、，求出基波分量的有效值和相角。在用微机处理时，取一周期的采样数据进行离散傅里叶变换得： (3-20)(3-21)式中：N工频每周采样点数。、经过离散傅里叶变换后基波分量的虚部和实部。式(3-20)