基于TMS320F2812的異步電動機相敏保護器設計

高 鋒

GAO Feng

（淮安信息職業技術學院，淮安 223003）

0 引言

在煤礦供電系統中，由于井下環境惡劣，設備易受潮濕、絕緣自然老化、機械損壞及過電壓擊穿、人為的誤操作等影響，極易引起供電線路或設備短路或斷相。當發生短路或斷相故障時，如果不及時切除故障線路或設備，極可能引發瓦斯或煤塵爆炸事故，危及井下工作人員的生命和財產安全。因此，在出現短路或斷相事故時，應立即切除故障線路或設備，把危害降到最小，以防事故蔓延[1]。據統計表明，全國國有重點煤礦平均每年發生400～600次電纜著火事故，損壞電纜約500km，造成嚴重的經濟損失。究其原因大部分是短路故障引起的，而目前井下供電系統存在的主要問題是短路保護不過關，開關拒動、誤動現象時有發生。同時，隨著礦井采掘工作面的不斷延伸，礦井采掘工作面離供電變電所距離越來越遠，以及機械化裝備數目和功率的不斷增大，供電負荷的不斷加大，安全供電難度越來越大，傳統短路保護方法單純靠躲過電機正常啟動電流來整定，已經不能滿足保護可靠性、實時性等要求[2]。針對井下供電系統當前存在的問題，本文描述了相敏保護原理，并在此基礎上設計基于TMS320F2812的異步電動機相敏保護器，該裝置可大大提高電機保護的實時性和可靠性等性能，具有廣闊的應用前景。

1 供電系統短路缺相故障仿真分析

圖1 礦井供電系統仿真模型

首先利用Matlab/Simulink的強的仿真和計算功能，對煤礦井下供電系統進行可視化的仿真，用模塊化的方法構建礦井供電系統仿真模型，如圖1所示。該模型可模擬仿真供電線路三相短路、兩相短路和斷相故障狀態[3,4]。

無短路和斷相故障時，供電系統功率因數曲線如圖2(a)所示，三相短路時系統功率因數如(b)所示，負序電流分量如(c)所示，兩相短路負序電流分量如(d)所示，缺相時負序電流分量如圖(e)所示。

圖2(a) 功率因數cosφ曲線

圖2(b) 三相短路時功率因數曲線

對比圖(a)和(b)，可見無故障時供電系統功率因數為0.7，三相短路時接近于1，啟動時為0.6。

圖2(c) 三相短路負序電流

圖2(d) 兩相短路負序電流

圖2(e) 缺相負序電流

對比圖(c)、(d)和(e)，可見三相短路時無負序電流分量，兩相短路和斷相時都存在負序電流分量，但明顯兩相短路時負序電流分量大很多，可以通過比較兩者大小可以區分兩相短路和斷相故障。

2 相敏保護原理

2.1 對稱短路相敏保護

由于采煤機械單機功率的不斷增大和礦井供電線路的不斷延伸，導致井下供電系統中，大容量電動機的起動電流與最小短路電流十分接近，使得系統的正常峰值電流與短路電流難以區分，給短路保護整定帶來了極大的困難。所以，僅以電流幅值的大小來區分起動電流和三相短路電流已經不能滿足保護要求。

由于井下負荷絕大多數為感性負載，在大型電動機起動時，啟動電流很大，但功率因數比較低（cosφ在0.3～0.5），電流滯后于電壓的相位角超過60 ；而供電系統出現三相對稱短路故障時，尤其在電纜末端發生三相對稱短路故障，短路電流與啟動電流幅值很接近，但發生三相對稱短路時的功率因數則很高（cosφ可以達1），相位角為0～20 。所以，在保護中同時檢測短路電流I和功率因數cosφ，可以很好的區分啟動電流和短路電流，也能區分正常的工作電流和短路電流，這就是相敏保護的基本原理。它不但可提高對稱短路保護的靈敏度，而且能夠保證短路保護動作的可靠性。

當功率因數和短路電流的鑒別方式不同時，相敏保護的動作特性也不完全相同[5]。

式(1)為一般相敏保護特性。只要選擇合適的常數c，相敏保護范圍比單獨鑒幅或鑒相時的保護范圍更寬，短路保護可以躲過大型電動機的起動電流，且使保護在電機正常運行方式下不動作，發生短路故障時可靠動作。

式(2)中，根據供電系統負荷大小選擇不同的c1、c2，可得到不同的動作區, 這樣可以取得最佳的保護效果, 它不但有較寬的動作界限, 而且有很高的靈敏度和可靠性

2.2 不對稱故障保護

據對稱分量法，系統發生故障時，故障電流（電壓）可分解為正序、負序和零序分量。當故障三相對稱時，只有正序分量，負序和零序分量為零；當發生不對稱故障，即兩相短路或斷相故障時，會出現負序或零序分量，因此在相敏保護器設計時，以序分量為基礎，通過檢測負序分量的大小，來區分兩相短路和斷相故障，實現兩相短路和斷相故障保護，拓展了相敏保護原理，可實現多故障保護[6]。

3 基于TMS320F2812的相敏保護器設計

由于井下供電系統向大機組、大系統、高電壓發展，系統處理的數據量越來越大，對實時性和精度的要求也越來越高。數字信號處理器（DSP）設置了硬件乘法累加器和單獨的總線及其控制器，它能夠在單指令周期內完成各種復雜的運算，具有高速數據傳輸能力。隨著DSP的出現，為采用各種復雜算法，集多種保護于一體的保護器的實現提供了可行性。

3.1 TMS320F2812芯片

TMS320F2812是美國TI公司最新研制的2000系列數字信號處理器，是面向電機控制、工業自動化的第一款帶片內Flash、工作頻率達到150 MHz的32位DSP。它具有強大的信號處理，又具有強大的事件管理器能力和嵌入式控制能力，能夠實現復雜的控制算法。器件上集成了許多先進的外圍設備，為測控領域應用提供了良好的硬件平臺[7]。

3.2 相敏保護器硬件結構框圖

基于TMS320F2812的相敏保護器結構框圖如圖3所示。

圖3中，礦井下供電系統電壓參數ua和電流參數ia、ib、ic，經電壓電流互感器，輸出幅值在±10V范圍之內的參數信號，再由低通濾波器，濾除高次諧波和噪聲，輸入到開發板上A/D轉換模塊AD7675，TMS320F2812采樣后進行算法處理，判斷故障狀態，執行相應跳閘命令。

圖3 相敏保護器結構框圖

3.1.1 電壓和電流互感器

電壓、電流互感器在改變電壓和電流的同時，可能會改變電壓、電流的相位，這主要取決于原副繞組的連接方式。本文采用Y，y12，如圖4所示，相位不發生改變[8]。

圖4 Y，y12連接組

3.1.2 低通濾波器

信號調理電路的輸出信號通常包含一定的噪聲和高次諧波，這些噪聲和高次諧波的頻率高于需要檢測的信號的最高頻率，如果按照采樣定理的要求對信號進行采樣，則往往會在采樣時發生頻率混疊，對信號中的有用信息造成不良影響，進而影響整個保護系統的可靠性。所以需要在A/D模塊采樣之前加入一個低通濾波器，濾除高于采樣頻率一半的頻率分量，保證在采樣過程中不發生頻率混疊現象，該濾波器也稱抗混疊濾波器。本文選擇巴特沃思低通濾波器，其電路圖如圖5所示。

圖5 巴特沃斯低通濾波器

利用EWB進行對該濾波器進行仿真得到圖3.4的結果。圖6中，該濾波器具有單調下降的幅頻特性，通帶內0～1kHz具有最大平坦度，從通帶到阻帶衰減較慢，增益為負值。從而使一定頻率以下的信號分量都能通過，且衰減不超過3dB，而濾除一定頻率以上的噪聲信號和高次諧波信號。

圖6 巴特沃斯濾波器的EWB仿真結果

3.3 軟件流程圖

基于TMS320F2812的相敏保護器可實現三相對稱短路保護、兩相短路及斷相的負序電流保護、過載保護、零序過流保護和低電壓保護等主要保護功能。本文給出三相對稱短路保護、兩相短路及斷相的負序電流保護和過載保護的流程圖。

首先，進行主程序設計，完成系統自檢、初始化、A/D采樣，再進入各具體保護程序，利用相敏保護原理實現三相對稱短路保護，電機過載保護，檢測負序電流大小實現兩相短路、斷相故障保護。

主程序流程圖如圖7所示。主程序完成保護器各部分功能的初始化，對采樣、保護、報警等程序的調用，各種功能在時間上的總體分配，對單元的循環自檢等功能。程序初始化包括系統的設置、一些專用寄存器的初始化及各功能模塊的初始化，主要包括中斷向量的設置、中斷的各內部寄存器的設置、軟件定時器的各寄存器設置、可復用口的初始化、時鐘的初始化、SCI模塊的初始化、存儲單元的合理分配等。在系統上電的最初兩秒內，進行系統的自檢，保護器不進行保護判斷，但定時器溢出中斷，數據采集處理程序繼續運行，為故障判斷采集必要的前期數據。

圖7 主程序流程圖

三相對稱短路保護流程圖如圖8所示，利用相敏保護原理和反時限保護特性完成三相對稱短路保護和過載保護。

采集電流值i，先計算負序電流I2，若I2不等于0，說明發生不對稱故障，進行不對稱故障判斷保護程序。若I2等于0，繼續對稱故障判斷：當采樣值大于10倍的電機額定工作電流值IN時，無論φ為多大，保護都速斷。若電流位于3IN～10IN之間，則說明線路中可能發生短路故障，也可能有大型電機正在起動，此時檢測功率因數cosφ，按照設定好的公式判斷，如果是短路故障，DSP立即發出跳閘信號；如果是電動機起動，會自動起動延時電路，延時時間到后若電流還未減小，說明電動機堵轉或嚴重過載，DSP發出跳閘信號。若電流位于1IN～3IN之間，則電機屬于過載運行狀態，DSP把采集到的數值與過載整定值相比較.根據反時限延時特性曲線公式，由軟件確定延時時間，延時后，保護器動作。若延時未結束而檢測到過載故障已消失，則取消延時，保護器不動作[9]。

圖8 三相對稱短路保護流程圖

當系統發生不對稱故障（兩相短路、斷相）時，將會出現負序電流，此處利用負序電流作為動作判據，實現系統的兩相短路及斷相保護。流程圖如圖9所示，發生不對稱故障時，讀取兩相短路負序電流動作值I2'、斷相負序電流動作值I22。

將先比較負序電流I2與I2'，如果前者大，則故障為兩相短路，短路跳閘；如果前者小，則繼續將I2與I22比較，若I2大，則故障為缺相，故障跳閘，否則返回主程序。

4 結論

圖9 過載保護流程圖

本文描述了三相對稱短路相敏保護工作原理、兩相短路及缺相的負序檢測方法和過載反時限保護，給出了基于TMS320F2812的異步電動機相敏保護器硬件框圖和軟件流程圖。該相敏保護器可實現礦井下供電系統的三相對稱短路、兩相短路、斷相和過載故障時的保護功能，具有保護范圍寬、實時性強、可靠性高、保護性能穩定等諸多優點。

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[6]煤礦電工手冊(修訂版). 礦井供電(下)：942-952.

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[9]董文,馮文斌.智能型低壓相敏保護和過載保護[J].煤礦安全,1998,(9)：3-4.