基于MB9BF618S的高压电机微机保护装置设计

张天鹏， 翟亚芳， 张修太， 吴战伟

(1.安阳工学院 电子信息与电气工程学院 河南 安阳 455000；2.许继电气股份有限公司 河南 许昌 461000)



基于MB9BF618S的高压电机微机保护装置设计

张天鹏1， 翟亚芳1， 张修太1， 吴战伟2

(1.安阳工学院 电子信息与电气工程学院 河南 安阳 455000；2.许继电气股份有限公司 河南 许昌 461000)

针对高压电动机运行过程中出现的各种电气故障，结合高压电动机保护的现状，设计了一种高压电机微机保护装置.该保护装置以ARM处理器MB9BF618S为控制核心，可以实时检测电动机的工作状态，对高压电动机进行启动超时保护、差动保护、两段式电流保护、三段负序过流保护和过热保护等.叙述了保护装置的总体结构和工作原理，给出了交流插件、CPU插件和信号插件的部分设计方案，分析了差动保护、两段式电流保护、三段负序过流保护的工作特点.该保护装置具有结构简单、操作方便、功能完善、可靠性高等特点，具有较高的应用价值.

高压电机； 微机保护装置； MB9BF618S； 电动机保护

0 引言

电动机是一种将电能转换为机械能的设备，在矿业、冶金、化工、纺织、机械加工等行业得到了广泛应用.高压交流异步电动机具有结构牢固、机械特性较好、运行和控制方便等优点，常被用于工业生产中的重要场所.为了避免因过载、短路、缺相等故障造成高压电机损坏，需要对高压电机进行有效的保护[1].随着微电子技术、计算机控制技术和网络通信技术的发展，微机化、智能化、网络化成为电动机保护装置的发展方向.作者采用ARM微处理器设计了一种高压电机微机保护装置，其与常规继电保护装置相比，具有测量精度高、保护功能齐全、控制方式简单、维护方便等特点，可以在高压电机保护系统中广泛应用.

1 保护装置的总体结构

保护装置采用插件式结构，主要包括交流插件、CPU插件、人机对话插件和信号插件，保护装置的总体结构框图如图1所示[2].交流插件主要由电流互感器、电压互感器、磁平衡互感器、信号调理电路和模/数转换电路构成.电流互感器和电压互感器的作用是将输入的电流信号和电压信号转换成弱电信号，并起强电和弱电隔离作用；磁平衡互感器的作用是采样磁平衡电流；信号调理电路的作用是将弱电信号进行滤波处理，以便模/数转换电路使用；模/数转换电路的作用是对调理后的弱电信号进行采样，并将采样结果转换成数字信号.CPU插件主要包括ARM处理器模块、开关量输入电路、通信接口电路和电源电路.ARM处理器模块包括ARM处理器、数据存储器、晶振电路和复位电路等，主要起数据处理、电气量计算、保护判断、开关量输入信号状态判断、参数设置等作用；开关量输入电路用于采集开关量信号的状态；通信接口电路包括2路RS485总线接口和2路以太网接口，用于保护装置与其他设备或监控中心进行数据通信；电源电路为整个保护装置提供合适的工作电压.人机对话插件由按键、液晶显示和RS232电路构成.按键和液晶显示是保护装置与外界进行信息交互的接口；RS232电路是对保护装置进行调试的接口[3].信号插件是保护装置的输出模块，主要由继电器接口电路构成，用于对断路器进行合闸操作和跳闸操作.

2 保护装置的硬件设计

2.1 交流插件电路设计

保护装置设有3路磁平衡互感器、7路电流互感器和3路电压互感器.3路磁平衡互感器分别采样三相磁平衡电流，7路电流互感器分别采样三相测量电流、三相保护电流和零序电流，3路电压互感器分别采样三相电压，其中电流互感器的额定输入电流为100 A，电压互感器的额定输入电压为100 V，当保护装置的外接电流和电压超过额定值时，需要外接电流互感器和电压互感器配合使用.保护装置内部对保护电流输入使用变比为100 A/7.07 V(有效值)的电流互感器，对测量电流使用变比为5 A/7.07 V的电流互感器，对零序电流使用变比为20 A/7.07 V的电流互感器，对输入电压使用变比为120 V/7.07 V的电压互感器，这些互感器可以将输入的电流和电压信号转变为幅值为-10～10 V的交流信号[4].

保护装置交流插件电路设计的原理如图2所示.图中的AD7606是一款具有8通道同步采样的16位模/数转换器，采用5 V单电源供电，可以直接处理±10 V或±5 V的双极性输入信号，最高耐压值可达16.5 V.AD7606内部集成了低噪声、高输入阻抗的信号调理电路和二阶抗混叠模拟滤波器，使得电压互感器和电流互感器的输出信号可以直接输入AD7606.在设计电路时，将互感器的输出信号(图2中的I/U)经过无源二阶低通滤波器进行滤波调理，然后送至AD7606的模拟量输入端(图2中的VIN1～ VIN7).由于AD7606在输入信号为±10 V范围内，其内部二阶抗混叠模拟滤波器-3 dB 带宽的典型值为23 kHz，所以无源二阶低通滤波器的电阻取值6 kΩ，电容取值1 nF，其截止频率约为26.5 kHz，满足设计要求.

图1 保护装置的总体结构Fig.1 Configuration of the protection device

图2 交流插件电路设计原理图Fig.2 Design schematic diagrams of AC module

2.2 CPU插件电路设计

2.2.1 微控制器选型 近年来，ARM系列微处理器凭借其高性能、低功耗、高性价比等特点在嵌入式应用领域得到了广泛的应用，本设计选用富士通Cortex-M3家族的32位处理器MB9BF618S.MB9BF618S具有如下特点：时钟频率最高可达144 MHz；片内集成有128 kB的SRAM和1 024 kB的FLASH ROM；含有8个多功能串行通信口，均支持UATR、I2C、SPI和LIN 4种功能；含有16个基本定时器和3个多功能定时器；内部集成有2路以太网控制器[5].MB9BF618S具有足够多的I/O接口和快速处理数据能力，能够满足对多参数系统的实时监控和报警要求.

2.2.2 开关量输入电路 保护装置设有11路开关量输入接口电路，用于外接各种开关量输入信号，其设计电路如图3所示[6].图中DI表示开关量输入信号，当有开关量信号输入时，DI闭合，+24 V电源经过DI流入回路，通过4.7 kΩ、680 Ω和4.7 kΩ组成的限流电路后，驱动光电耦合器TLP85GB导通，DIN变为低电平，经微处理器消抖处理后确认有外部开关量信号输入.

2.2.3 通信接口电路 保护装置设有2路以太网接口和2路RS485接口，可直接与微机监控管理系统联网通信，实现对高压电机的远程控制.由于MB9BF618S内部集成有2路以太网控制器，因此只需外加PHY芯片及简单外围电路就可以组成以太网通信电路，在设计电路时，PHY芯片选用美国国家半导体公司生产的DP83849ID双端收发器.

RS485接口电路使用ISO3082芯片实现，其设计电路如图4所示[7].ISO3082是一种带隔离功能的半双工差分总线式收发器，其内部集成有隔离装置，具有DC 2 500 V的隔离功能.SRX、STX分别为MB9BF618S异步串口的接收端和发送端，SCK为异步串口的收/发使能控制信号，SCK为高电平时允许发送，SCK为低电平时允许接收. 2个20 Ω电阻起阻抗匹配作用；2个3.3 kΩ电阻分别为下拉电阻和上拉电阻；3个TVS管(瞬变电压抑制二极管)的作用是防止总线外部电压过高，保护内部芯片.

图3 开关量输入电路Fig.3 Switch signal input circuit

图4 RS485接口电路Fig.4 RS485 interface circuit

2.3 信号插件电路设计

图5 防跳、合闸、跳闸回路设计原理图Fig.5 Design schematic diagrams of tripping prevention, closing and tripping

信号插件是保护装置与外部控制单元的接口电路，主要包括信号部分、跳合闸回路和备用出口回路.信号部分主要包括合闸信号、跳闸信号和失电告警信号；跳合闸回路主要完成跳闸操作、合闸操作，并具有保持、防跳和位置监视等功能，主要包括防跳回路、合闸回路、跳闸回路、遥控分合闸回路、跳合闸监视回路等;备用出口回路为继电器控制回路，可以设置为瞬动或保持出口.

保护装置的防跳、合闸和跳闸回路的设计原理如图5所示，图中的FTJ为防跳继电器，HBJ为合闸保持继电器，TBJ为跳闸保持继电器，DL1和DL2为断路器辅助触点，HQ为合闸线圈，TQ为跳闸线圈.电路工作原理如下：当进行合闸操作时，合闸脉冲信号有效，合闸开关闭合，HBJ线圈得电，HBJ1闭合，合闸线圈HQ得电，完成合闸动作，然后DL1断开、DL2闭合，切断合闸回路；当进行跳闸操作时，跳闸脉冲信号有效，跳闸开关闭合，TBJ线圈得电，TBJ1闭合，跳闸线圈TQ得电(此时DL2闭合)，完成跳闸动作，然后DL2断开、DL1闭合，切断跳闸回路；当合闸脉冲信号有效且完成合闸操作以后，若合闸触点为断开，而此时线路发生故障，保护装置启动保护功能，将跳闸回路接通，使断路器跳闸，此时TBJ2接通，使FTJ线圈得电，FTJ1闭合，使防跳回路持续得电，同时FTJ2断开，长期切断合闸回路，使断路器不能再次合闸，达到防跳的目的.

3 保护装置的保护功能

高压电机在运行中出现的故障基本可以分为电气故障和机械故障两大类.电气故障主要由电机启动过程的大电流、电机机械过负荷、电机堵转、三相电流不平衡、绝缘老化或损坏、供电电压不稳定等原因引起，主要包括过载、堵转、断相、相间短路、匝间短路、三相短路、三相不平衡等.针对高压电机可能出现的电气故障，保护装置设有启动超时保护、差动保护、两段式电流保护、过负荷保护、反时限过电流保护、三段负序过流保护、零序过流保护、过热保护和低电压保护等保护功能，并且每种保护功能都设置有保护控制字，可以通过对保护控制字的整定，投入或退出保护[8].

3.1 差动保护

保护装置设置有比率制动式和磁平衡式两种差动保护方式.由于电机启动过程中的瞬时电流比较大，差动保护应能躲避电机的启动电流，在电机启动过程中，差动保护不立即动作，而是增加了120 ms的延时时间，以确保在发生外部故障时保护装置不误动，提高差动保护的灵敏度.

比率制动式差动保护的差动电流Id和制动电流Iz的计算公式分别为

(1)

(2)

(3)

在设计时，比率制动式差动保护设有电流互感器断线闭锁功能和谐波制动功能，当电流互感器断线或者二次谐波分量大于15%时，自动闭锁差动保护逻辑判断，减少保护误动作.

3.2 两段式电流保护

两段式电流保护中的I段可当作过电流速断保护，主要保护电机定子绕组或引线的相间金属性短路.由于电机直接启动电流一般超过电机额定电流的6倍，为了躲过启动电流，在电机启动时将过电流速断保护的整定值由软件提升1.5～2倍，可确保过电流速断保护在电机启动过程中不误动.当电机启动结束后，过电流速断保护的整定值恢复到设定值.过电流速断保护的保护时限一般整定为0 s 或整定为极短的时限(100 ms).

两段式电流保护中的Ⅱ段可当作定时限过流保护，用作过电流速断保护的后备保护，为电机因机械故障或负载太重而发生堵转时提供保护.Ⅱ段定时限过流保护为了躲避启动电流，在电机启动过程中自动退出，其保护时限一般整定1.0～3.0 s.

3.3 三段负序过流保护

当电机运行中出现线圈匝间短路、反相、断相等不对称故障时，会产生比较大的负序电流，负序电流产生的热量是工频电流所产生热量的2 倍，对电机的运行造成严重危害.保护装置设置有三段负序过流保护，负序电流Ⅰ段保护为零时限速断保护，用作不平衡保护的主保护，只动作于跳闸；负序电流Ⅱ段保护为不平衡保护的后备保护，由控制字来选择跳闸或告警；负序电流Ⅲ段保护采用极端反时限，计算公式为

(4)

式中：t为动作时间，I为负序电流，Ip为负序反时限保护整定值，Tp为负序反时限整定时间常数.

3.4 过热保护

电机过热对电机的危害是十分严重的，在负载不均衡或者长期过负荷的情况下，电机就会产生过热使温升超过允许数值，从而使电机绝缘迅速老化甚至引起电机烧坏等故障发生，因此过热保护是电机的一种重要保护功能.为了能够有效地防止电机过热，保护装置设计时利用软件模拟电机的发热过程，考虑定子绕组和转子绕组的平均发热情况，采用等效发热电流Ieq来模拟正序电流和负序电流的发热效应，Ieq的表达式为

(5)

式中：I1为正序电流，K1为正序电流发热系数，I2为负序电流，K2为负序电流发热系数.K1在电机在启动过程中取值0.5，在电机启动结束后取值1；K2取值为3～10，一般取值为6.

过热保护的保护方程为

(6)

式中：td为过热保护动作时限，τ为发热时间常数，Ieq为等效发热电流，Ie为额定工作电流.

4 保护装置的软件设计

保护装置的软件设计采用模块化设计思想，采用C语言编程，充分利用C语言的结构化特点，增强了软件的可读性和移植性，保证了软件设计的可靠性.整个软件系统由主程序循环和各种中断处理构成，保护装置上电复位后，微控制器将复位向量装载到程序地址寄存器，然后从复位向量开始执行程序.主程序首先进行初始化，为各子程序的调用和系统各模块的使用做好准备，然后程序进入主循环.主循环包括各种自检、人机对话处理、存报告等，中断处理包括采样中断、定时器中断、保护中断、通信中断等.主程序设计流程图如图6所示.

图6 主程序流程图Fig.6 Main program flow diagram

5 系统测试数据

按照国家标准GB/T 7261—2008继电保护和安全自动装置基本试验方法，对所设计的高压电机微机保护装置进行了测试，部分保护功能的测试数据如表1所示.从测试结果中可以看出，测试误差不超过理论值的5%，能够满足相关技术要求.

表1 部分保护功能的测试数据Tab.1 Test results of some protection function

6 结论

所设计的高压电机微机保护装置采用ARM处理器MB9BF618S作为系统控制核心，充分利用了MB9BF618S工作频率高、集成度高、系统资源丰富的特点.该保护装置的硬件结构紧凑，软件功能丰富，可对高压电动机所产生的各种电气故障进行全面保护，实现了高压电动机保护的智能化和网络化，提高了高压电机运行的可靠性，可广泛应用于矿业、冶金、化工等行业，具有较高的应用价值.

[1] 晏良俊,朱琥.智能型低压电动机综合保护器的研究与开发[J].自动化技术与应用,2010,29(9):113-116.

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[3] 郭强.智能型电动机保护器特性介绍及应用[J].电机与控制应用,2014,41(5):59-61.

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(责任编辑：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

张天鹏(1980-)，男，河南南阳人，讲师，主要从事电力系统继电保护与控制及微控制器技术应用研究，E-mail:zhangtp80@163.com．

张天鹏，翟亚芳，张修太，等.基于MB9BF618S的高压电机微机保护装置设计[J].郑州大学学报：理学版，2015，47(3)：110-115.

TM774

A

1671-6841(2015)03-0110-06

10.3969/j.issn.1671-6841.2015.03.021