基于MB9BF618S的高壓電機微機保護裝置設計

張天鵬， 翟亞芳， 張修太， 吳戰偉

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

?

基于MB9BF618S的高壓電機微機保護裝置設計

張天鵬1， 翟亞芳1， 張修太1， 吳戰偉2

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

針對高壓電動機運行過程中出現的各種電氣故障，結合高壓電動機保護的現狀，設計了一種高壓電機微機保護裝置.該保護裝置以ARM處理器MB9BF618S為控制核心，可以實時檢測電動機的工作狀態，對高壓電動機進行啟動超時保護、差動保護、兩段式電流保護、三段負序過流保護和過熱保護等.敘述了保護裝置的總體結構和工作原理，給出了交流插件、CPU插件和信號插件的部分設計方案，分析了差動保護、兩段式電流保護、三段負序過流保護的工作特點.該保護裝置具有結構簡單、操作方便、功能完善、可靠性高等特點，具有較高的應用價值.

高壓電機； 微機保護裝置； MB9BF618S； 電動機保護

0 引言

電動機是一種將電能轉換為機械能的設備，在礦業、冶金、化工、紡織、機械加工等行業得到了廣泛應用.高壓交流異步電動機具有結構牢固、機械特性較好、運行和控制方便等優點，常被用于工業生產中的重要場所.為了避免因過載、短路、缺相等故障造成高壓電機損壞，需要對高壓電機進行有效的保護[1].隨著微電子技術、計算機控制技術和網絡通信技術的發展，微機化、智能化、網絡化成為電動機保護裝置的發展方向.作者采用ARM微處理器設計了一種高壓電機微機保護裝置，其與常規繼電保護裝置相比，具有測量精度高、保護功能齊全、控制方式簡單、維護方便等特點，可以在高壓電機保護系統中廣泛應用.

1 保護裝置的總體結構

保護裝置采用插件式結構，主要包括交流插件、CPU插件、人機對話插件和信號插件，保護裝置的總體結構框圖如圖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、信號調理電路和模/數轉換電路構成.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換成弱電信號，并起強電和弱電隔離作用；磁平衡互感器的作用是采樣磁平衡電流；信號調理電路的作用是將弱電信號進行濾波處理，以便模/數轉換電路使用；模/數轉換電路的作用是對調理后的弱電信號進行采樣，并將采樣結果轉換成數字信號.CPU插件主要包括ARM處理器模塊、開關量輸入電路、通信接口電路和電源電路.ARM處理器模塊包括ARM處理器、數據存儲器、晶振電路和復位電路等，主要起數據處理、電氣量計算、保護判斷、開關量輸入信號狀態判斷、參數設置等作用；開關量輸入電路用于采集開關量信號的狀態；通信接口電路包括2路RS485總線接口和2路以太網接口，用于保護裝置與其他設備或監控中心進行數據通信；電源電路為整個保護裝置提供合適的工作電壓.人機對話插件由按鍵、液晶顯示和RS232電路構成.按鍵和液晶顯示是保護裝置與外界進行信息交互的接口；RS232電路是對保護裝置進行調試的接口[3].信號插件是保護裝置的輸出模塊，主要由繼電器接口電路構成，用于對斷路器進行合閘操作和跳閘操作.

2 保護裝置的硬件設計

2.1 交流插件電路設計

保護裝置設有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，當保護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.保護裝置內部對保護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變為幅值為-10～10 V的交流信號[4].

保護裝置交流插件電路設計的原理如圖2所示.圖中的AD7606是一款具有8通道同步采樣的16位模/數轉換器，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16.5 V.AD7606內部集成了低噪聲、高輸入阻抗的信號調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.在設計電路時，將互感器的輸出信號(圖2中的I/U)經過無源二階低通濾波器進行濾波調理，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，其內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，滿足設計要求.

圖1 保護裝置的總體結構Fig.1 Configuration of the protection device

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

2.2 CPU插件電路設計

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用領域得到了廣泛的應用，本設計選用富士通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144 MHz；片內集成有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；內部集成有2路以太網控制器[5].MB9BF618S具有足夠多的I/O接口和快速處理數據能力，能夠滿足對多參數系統的實時監控和報警要求.

2.2.2 開關量輸入電路 保護裝置設有11路開關量輸入接口電路，用于外接各種開關量輸入信號，其設計電路如圖3所示[6].圖中DI表示開關量輸入信號，當有開關量信號輸入時，DI閉合，+24 V電源經過DI流入回路，通過4.7 kΩ、680 Ω和4.7 kΩ組成的限流電路后，驅動光電耦合器TLP85GB導通，DIN變為低電平，經微處理器消抖處理后確認有外部開關量信號輸入.

2.2.3 通信接口電路 保護裝置設有2路以太網接口和2路RS485接口，可直接與微機監控管理系統聯網通信，實現對高壓電機的遠程控制.由于MB9BF618S內部集成有2路以太網控制器，因此只需外加PHY芯片及簡單外圍電路就可以組成以太網通信電路，在設計電路時，PHY芯片選用美國國家半導體公司生產的DP83849ID雙端收發器.

RS485接口電路使用ISO3082芯片實現，其設計電路如圖4所示[7].ISO3082是一種帶隔離功能的半雙工差分總線式收發器，其內部集成有隔離裝置，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送端，SCK為異步串口的收/發使能控制信號，SCK為高電平時允許發送，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，保護內部芯片.

圖3 開關量輸入電路Fig.3 Switch signal input circuit

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

2.3 信號插件電路設計

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

信號插件是保護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、跳合閘監視回路等;備用出口回路為繼電器控制回路，可以設置為瞬動或保持出口.

保護裝置的防跳、合閘和跳閘回路的設計原理如圖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：當進行合閘操作時，合閘脈沖信號有效，合閘開關閉合，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；當進行跳閘操作時，跳閘脈沖信號有效，跳閘開關閉合，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，而此時線路發生故障，保護裝置啟動保護功能，將跳閘回路接通，使斷路器跳閘，此時TBJ2接通，使FTJ線圈得電，FTJ1閉合，使防跳回路持續得電，同時FTJ2斷開，長期切斷合閘回路，使斷路器不能再次合閘，達到防跳的目的.

3 保護裝置的保護功能

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

3.1 差動保護

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

比率制動式差動保護的差動電流Id和制動電流Iz的計算公式分別為

(1)

(2)

(3)

在設計時，比率制動式差動保護設有電流互感器斷線閉鎖功能和諧波制動功能，當電流互感器斷線或者二次諧波分量大于15%時，自動閉鎖差動保護邏輯判斷，減少保護誤動作.

3.2 兩段式電流保護

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

兩段式電流保護中的Ⅱ段可當作定時限過流保護，用作過電流速斷保護的后備保護，為電機因機械故障或負載太重而發生堵轉時提供保護.Ⅱ段定時限過流保護為了躲避啟動電流，在電機啟動過程中自動退出，其保護時限一般整定1.0～3.0 s.

3.3 三段負序過流保護

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

(4)

式中：t為動作時間，I為負序電流，Ip為負序反時限保護整定值，Tp為負序反時限整定時間常數.

3.4 過熱保護

電機過熱對電機的危害是十分嚴重的，在負載不均衡或者長期過負荷的情況下，電機就會產生過熱使溫升超過允許數值，從而使電機絕緣迅速老化甚至引起電機燒壞等故障發生，因此過熱保護是電機的一種重要保護功能.為了能夠有效地防止電機過熱，保護裝置設計時利用軟件模擬電機的發熱過程，考慮定子繞組和轉子繞組的平均發熱情況，采用等效發熱電流Ieq來模擬正序電流和負序電流的發熱效應，Ieq的表達式為

(5)

式中：I1為正序電流，K1為正序電流發熱系數，I2為負序電流，K2為負序電流發熱系數.K1在電機在啟動過程中取值0.5，在電機啟動結束后取值1；K2取值為3～10，一般取值為6.

過熱保護的保護方程為

(6)

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

4 保護裝置的軟件設計

保護裝置的軟件設計采用模塊化設計思想，采用C語言編程，充分利用C語言的結構化特點，增強了軟件的可讀性和移植性，保證了軟件設計的可靠性.整個軟件系統由主程序循環和各種中斷處理構成，保護裝置上電復位后，微控制器將復位向量裝載到程序地址寄存器，然后從復位向量開始執行程序.主程序首先進行初始化，為各子程序的調用和系統各模塊的使用做好準備，然后程序進入主循環.主循環包括各種自檢、人機對話處理、存報告等，中斷處理包括采樣中斷、定時器中斷、保護中斷、通信中斷等.主程序設計流程圖如圖6所示.

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

5 系統測試數據

按照國家標準GB/T 7261—2008繼電保護和安全自動裝置基本試驗方法，對所設計的高壓電機微機保護裝置進行了測試，部分保護功能的測試數據如表1所示.從測試結果中可以看出，測試誤差不超過理論值的5%，能夠滿足相關技術要求.

表1 部分保護功能的測試數據Tab.1 Test results of some protection function

6 結論

所設計的高壓電機微機保護裝置采用ARM處理器MB9BF618S作為系統控制核心，充分利用了MB9BF618S工作頻率高、集成度高、系統資源豐富的特點.該保護裝置的硬件結構緊湊，軟件功能豐富，可對高壓電動機所產生的各種電氣故障進行全面保護，實現了高壓電動機保護的智能化和網絡化，提高了高壓電機運行的可靠性，可廣泛應用于礦業、冶金、化工等行業，具有較高的應用價值.

[1] 晏良俊,朱琥.智能型低壓電動機綜合保護器的研究與開發[J].自動化技術與應用,2010,29(9):113-116.

[2] 翟亞芳,張天鵬,楊云鵬,等.并網光伏電站升壓變壓器低壓側測控裝置[J].儀表技術與傳感器,2014(1):30-33.

[3] 郭強.智能型電動機保護器特性介紹及應用[J].電機與控制應用,2014,41(5):59-61.

[4] 翟亞芳,張天鵬,夏路甲,等.基于CAN總線的智能低壓斷路器控制器設計[J].鄭州大學學報:理學版,2013,45(1):105-109.

[5] 翟亞芳,吳戰偉,秦長海.風電場箱式升壓變壓器低壓側微機保護裝置的研制[J].電力系統保護與控制,2013,41(21):136-140.

[6] 賈建華,程志平.電動葫蘆運行機構專用變頻器設計[J].河南科技大學學報:自然科學版,2013,34(2):52-56.

[7] 羅浩,劉尚武,王書易,等.基于STC12C5A60S2多路溫度監控系統設計[J].信陽師范學院學報:自然科學版,2014,27(1):106-110.

[8] 言穆昀.智能型電動機保護器及其組網應用[J].電機與控制應用,2013,40(2):62-64.

(責任編輯：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

張天鵬(1980-)，男，河南南陽人，講師，主要從事電力系統繼電保護與控制及微控制器技術應用研究，E-mail:zhangtp80@163.com．

張天鵬，翟亞芳，張修太，等.基于MB9BF618S的高壓電機微機保護裝置設計[J].鄭州大學學報：理學版，2015，47(3)：110-115.

TM774

A

1671-6841(2015)03-0110-06

10.3969/j.issn.1671-6841.2015.03.021