大容量电动机微机差动保护装置研究
1 引言
电动机差动保护主要用于大型电动机(2000kVA以上)的内部短路保护。在电动机运行中采用 的常规保护是电流速断保护，为了躲过电动机的起动电流，其速断整定值往往比额定电流大 很多，因而灵敏度较低，对电动机内部故障保护区很小。为了提高保护灵敏度，对于大容量 或重要电动机，均采用差动保护。以往差动保护主要采用电磁型差动继电器，不仅灵敏度低 、精度差，而且难以适应电力系统综合自动化的要求。进入90年代，随着微机在电力系统中 的不断普及和发展，国内外都在研究微机型电动机差动保护装置，以充分发挥微机监测精度 高、功能全等特点，同时也可满足电力系统发展的需要。
2 差动保护基本原理及动作判据
2.1 基本保护原理
所谓差动就是比较被保护元件各端电流的幅值和相位，对电动机来说，可在其一相绕组两端 分别装设特性和变比完全相同的电流互感器(见图1)，且规定一次侧电流I1和I′1的正方向为由线路流向电动机的方向，则二次侧电流为
2=1/n
′2=′1/n
′d=2-′2
式中 n——电流互感器变比
图1 电动机差动保护原理图
2、′2——两电流互感器二次侧电流
d——差动电流
当电动机正常运行或外部故障时，流入电动机一相绕组上的两个电流互感器的电流大小、相位均相同。在不考虑电流互感器励磁电流影响时有
1=′1
2=′2
d=2-′2=0
所以差动保护不起作用。
当保护范围内部故障时，假设图1中A相绕组在d点发生短路故障，则在d点两侧均有电流流向短路点，且幅值、相位均不相同，于是有
1≠′1
2≠′2
d=2-′2≠0
差动保护起作用。
由上述分析可得如下结论：
(1)差动保护对电动机外部故障不起作用，只保护内部故障。
(2)理想情况下差动保护动作判据为｜d｜≠0。
2.2 差动保护动作判据分析
在实际情况下，能否直接采用上述结论呢不能。因为保护所选用的电流互感器，即使型号相同，标称变比相等，其励磁特性也不可能完全相同，从而产生不平衡电流。
(1)稳态不平衡电流 当考虑电流互感器励磁电流时，有
2=(1-L)/n
′2=(′1-′L)/n
d=(′L-L)/n≠0
式中L，′L——两电流互感器励 磁电流
(2)暂态不平衡电流 差动保护是瞬时动作的，在外部短路暂态过程中，一次侧短路电流中包含有非周期分量，由于它对时间的变率远小于周期分量的变率，很难变换到二次侧，大部分成为电流互感器的励磁电流，这将使不平衡电流大为增加。
为此，欲使差动保护可靠、正确，差动起动电流必须躲过最大不平衡电流。本文采用比率差 动算法，动作判据为
｜d｜≥set｜d｜≥K.｜∑｜
式中
d=2-′2
∑=(2+′2)/2
set——差动保护起动电流
K——比率制动系数
当上述两判据同时满足时，差动保护动作。
3 微机差动保护装置硬件设计
根据上述差动保护原理及要求，采用两相式保护，硬件原理框图如图2所示。主要包括主控 模块、键控显示模块、数据采集模块、抗干扰模块及跳闸出口控制模块等。
图2 微机差动保护装置硬件框图
3.1 主控模块
主要采用MCS-51系列单片机系统，完成键盘中断响应，数据采集、运算、处理及结果显示 ，报警、保护信号输出等功能。当今国内十六位单片机(如8096、80196)已很普及，而本装置采用八位单片机(8751、8752) ，主要原因如下：
(1)目前国内十六位单片机中内置程序存储器的很少，若采用十六位单片机，必须外扩程序 存储器，不仅电路复杂，而且因程序地址线、数据线外露，抗干扰能力大大降低。而大容量 电动机工作环境为高压大电流，电网冲击、电磁干扰、粉尘污染等都很严重，尽管可以采取 软硬件Watch-dog等防护措施，但若程序频繁“跑飞”，装置仍将难以正常工作。而八位单 片机中程序存储器内置式芯片(8751、8752等)则很普遍，实践证明，程序内置后在CPU读取 指令时，因不和外部打交道，抗干扰能力大幅度提高。
(2)十六位单片机内置4路或8路十位A/D转换器，虽可以满足一般保护的精度要求，且电路简 单，但本装置不仅要起保护作用，而且要具有现场监测功能，所以对数据采集的精度要求较 高，必须外
大容量电动机微机差动保护装置研究
1 引言
电动机差动保护主要用于大型电动机(2000kVA以上)的内部短路保护。在电动机运行中采用 的常规保护是电流速断保护，为了躲过电动机的起动电流，其速断整定值往往比额定电流大 很多，因而灵敏度较低，对电动机内部故障保护区很小。为了提高保护灵敏度，对于大容量 或重要电动机，均采用差动保护。以往差动保护主要采用电磁型差动继电器，不仅灵敏度低 、精度差，而且难以适应电力系统综合自动化的要求。进入90年代，随着微机在电力系统中 的不断普及和发展，国内外都在研究微机型电动机差动保护装置，以充分发挥微机监测精度 高、功能全等特点，同时也可满足电力系统发展的需要。
2 差动保护基本原理及动作判据
2.1 基本保护原理
所谓差动就是比较被保护元件各端电流的幅值和相位，对电动机来说，可在其一相绕组两端 分别装设特性和变比完全相同的电流互感器(见图1)，且规定一次侧电流I1和I′1的正方向为由线路流向电动机的方向，则二次侧电流为
2=1/n
′2=′1/n
′d=2-′2
式中 n——电流互感器变比
图1 电动机差动保护原理图
2、′2——两电流互感器二次侧电流
d——差动电流
当电动机正常运行或外部故障时，流入电动机一相绕组上的两个电流互感器的电流大小、相位均相同。在不考虑电流互感器励磁电流影响时有
1=′1
2=′2
d=2-′2=0
所以差动保护不起作用。
当保护范围内部故障时，假设图1中A相绕组在d点发生短路故障，则在d点两侧均有电流流向短路点，且幅值、相位均不相同，于是有
1≠′1
2≠′2
d=2-′2≠0
差动保护起作用。
由上述分析可得如下结论：
(1)差动保护对电动机外部故障不起作用，只保护内部故障。
(2)理想情况下差动保护动作判据为｜d｜≠0。
2.2 差动保护动作判据分析
在实际情况下，能否直接采用上述结论呢不能。因为保护所选用的电流互感器，即使型号相同，标称变比相等，其励磁特性也不可能完全相同，从而产生不平衡电流。
(1)稳态不平衡电流 当考虑电流互感器励磁电流时，有
2=(1-L)/n
′2=(′1-′L)/n
d=(′L-L)/n≠0
式中L，′L——两电流互感器励 磁电流
(2)暂态不平衡电流 差动保护是瞬时动作的，在外部短路暂态过程中，一次侧短路电流中包含有非周期分量，由于它对时间的变率远小于周期分量的变率，很难变换到二次侧，大部分成为电流互感器的励磁电流，这将使不平衡电流大为增加。
为此，欲使差动保护可靠、正确，差动起动电流必须躲过最大不平衡电流。本文采用比率差 动算法，动作判据为
｜d｜≥set｜d｜≥K.｜∑｜
式中
d=2-′2
∑=(2+′2)/2
set——差动保护起动电流
K——比率制动系数
当上述两判据同时满足时，差动保护动作。
3 微机差动保护装置硬件设计
根据上述差动保护原理及要求，采用两相式保护，硬件原理框图如图2所示。主要包括主控 模块、键控显示模块、数据采集模块、抗干扰模块及跳闸出口控制模块等。
图2 微机差动保护装置硬件框图
3.1 主控模块
主要采用MCS-51系列单片机系统，完成键盘中断响应，数据采集、运算、处理及结果显示 ，报警、保护信号输出等功能。当今国内十六位单片机(如8096、80196)已很普及，而本装置采用八位单片机(8751、8752) ，主要原因如下：
(1)目前国内十六位单片机中内置程序存储器的很少，若采用十六位单片机，必须外扩程序 存储器，不仅电路复杂，而且因程序地址线、数据线外露，抗干扰能力大大降低。而大容量 电动机工作环境为高压大电流，电网冲击、电磁干扰、粉尘污染等都很严重，尽管可以采取 软硬件Watch-dog等防护措施，但若程序频繁“跑飞”，装置仍将难以正常工作。而八位单 片机中程序存储器内置式芯片(8751、8752等)则很普遍，实践证明，程序内置后在CPU读取 指令时，因不和外部打交道，抗干扰能力大幅度提高。
(2)十六位单片机内置4路或8路十位A/D转换器，虽可以满足一般保护的精度要求，且电路简 单，但本装置不仅要起保护作用，而且要具有现场监测功能，所以对数据采集的精度要求较 高，必须外