电子式过载保护继电器.docx

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电子式过载保护继电器

1绪论

1.1电子式过载保护继电器的发展概况

二十一世纪以来，微处理器技术、通信技术以及电力电子技术的发展和应用，促进了智能化低压电器产品的研究与开发。

低压电器是机械工业的重要基础元件，其品种繁多、量大面广，几乎应用到所有用电领域，是国家安全用电的重要保证，是低压配电系统可靠运行的基础。

随着经济的发展，对电能的需求和依赖不断增大，承担电能的传输与分配、用电设备保护与控制任务的低压电器就显得更为重要。

世界各国十分重视低压电器的发展，每年投入大量的资金进行研究、开发。

随着科学技术发展的高度综合化，二十一世纪科学技术将进一步趋向整体化、交叉化及综合化，这为低压电器的发展提供了新思路；另一方面电气传动自动化控制系统及通信系统等自动化程度的大幅度提高，对于担负检测、变换、控制、保护和调节作用的低压电器提出了更高的要求。

因此，新技术突飞猛进、工业用电系统复杂性不断提高，促使低压电器向电子化、智能化、组合化、模块化、高性能和小型化方向发展。

微处理器技术、计算机技术、信息通信技术、电力电子技术、人工智能技术、可靠性技术以及新材料、新工艺的发展和应用，给传统的低压电器带来了新的活力，使越来越多的新型电器以机电一体化的面貌出现，为智能化低压电器的开发提供了良好的条件。

低压电器的智能化技术就是将上述有关的先进技术与低压电器相结合，一方面使其具有智能化功能，即能够根据运行状态，通过感知、推理、学习、决策手段自动地选择最佳模式进行控制与保护；另一方面使其能与中央控制计算机实现双向通信，提高配电控制系统的信息化、自动化程度[1]。

随着智能化低压电器的发展，一个系统中使用的低压电器元件越来越多，只要一个电器元件出现故障，就可能导致整个系统发生故障，从而造成重大的经济损失。

因此，低压电器的可靠性分析己成为了国内外电器企业及研究部门的一项重要工作。

过载保护继电器属于保护类电器，一般与接触器相配合，主要用于实现电动机的过载保护。

其工作特点是：

当电动机发生故障时，过载保护继电器能及时、可靠的动作，达到保护电动机的目的；当电动机正常工作时，过载保护继电器不动作。

电动机保护装置采用热继电器已有很长的历史。

国内生产的热继电器产品主要有JR9，JR10，JR15，JR16等。

还有引进生产的T系列和3UA系列热继电器产品等，其价格远高于国产的同规格产品。

热继电器采用双金属片受热弯曲而动作的原理，受环境温度的影响很大，而且反复加热与冷却使双金属片弯曲变形逐渐加大，从而使热继电器的准确性、灵敏性和可靠性受到影响。

随着自动化程度的不断提高，使用电动机的场合越来越多，对电动机的可靠保护越来越被人们所重视。

在某些场合，以双金属片为核心的传统的热继电器已不能满足现代工业对过载保护继电器在精度、速度和通信等方面的要求。

许多用户都在盼望着能有一种性能好、可靠性高的过载保护继电器来取代双金属片式热过载保护继电器，对电动机进行可靠保护。

随着电力电子技术和微电子技术的发展，电子式过载保护继电器应运而生。

1.2本设计研究内容

研究电子式过载保护继电器的保护原理。

本文对三相异步电动机的过载、短路、堵转、不平衡、断相、过压、欠压、失压等各种故障状态进行分析，采用电流幅值、电流负序分量、电流零序分量和电压幅值的不同排列组合作为电子式过载保护继电器的保护原理。

根据三相异步电动机的发热物理过程的数学模型，获得与实际温升过程更为吻合的累加定子电流的过载反时限保护特性方程，实现电动机过载能力的充分利用;针对常见的不同类型的断相故障，分别进行分析并建立不同类型的断相故障保护特性方程：

对于其他不同故障所表现出的不同状态，建立各种故障相应的保护特性方程。

设计智能化电子式过载保护继电器硬件系统与软件系统。

本文设计以PIC16F877单片微型计算机为核心的智能化电子式过载保护继电器，根据电子式过载保护继电器的保护原理，采用PIC汇编语言编写保护程序，利用PIC16F877单片微型计算机的运算能力、记忆能力和分析能力，电子式过载保护继电器能够根据电动机的运行状态自动选择最佳的保护模式进行电动机的控制与保护。

2电子式过载保护继电器的保护原理

2.1电子式过载保护继电器的保护原理

故障信息及故障特征的提取和处理是电子式过载保护继电器实现电动机保护的关键所在。

由于三相异步电动机在三相对称状态下的过流与在不对称状态下的过流（存在反向旋转的负序磁场）烧损电动机存在不同的机理，从而造成不同程度的危害，因此传统的以电流幅值作为故障判据的保护方式在原理上存在一定的缺陷，它只能反应对称故障，对断相、接地、不平衡运行等不对称故障不能及时有效地进行保护。

因此，在研究电子式过载保护继电器的智能化技术的过程中，利用以单片机为核心的电子保护电路，采用的保护原理是基于对称分量法，以三相异步电动机的电流幅值、电流负序分量、电流零序分量以及电压幅值的不同排列组合作为电子式过载保护继电器的保护原理，除实现过载故障保护外，同时可以实现三相短路、起动时间过长、堵转、不平衡运行、断相、接地和电压故障等故障保护[2]。

本章将分别讨论上述各种故障的保护原理。

三相异步电动机对称故障的主要特征是三相电流基本对称但同时出现过电流，因此可通过检测电流幅值进行故障判断。

根据对称分量法分析，负序分量和零序分量在三相异步电动机正常运行时没有或很小，一旦出现必然表示发生了不对称故障。

不对称故障可分为非接地性不对称故障和接地性不对称故障[3]。

非接地性不对称故障会引起三相电流不对称，此时定子电流可分解为正序分量和负序分量（零序分量为零），因此采用负序电流分量及各线电流的情况作为此类故障的判据；接地性不对称故障会引发电流零序分量的出现，因此接地性不对称故障可用零序电流分量反映。

2.2过载故障的保护原理

过载保护是指电流超过电气设备限定范围，而有一定烧毁危险时，保护装置能在一定时间内切断线路，保护设备不受损坏。

过载保护是最基本和最有效的事前保护。

电动机的过电流大小与允许过电流时间之间的关系称为过载特性。

电动机的过载与输电线路或其它设备的过载不同，电动机过载将导致电动机过热，但其低倍过载又允许定时限，所以电动机的过载特性应具有反时限特性[4]。

另外，在电动机多次重复短时间过载，而每次过载时间均小于容许时间时，保护装置不会动作，但由于电动机自身的热积累可能使电动机烧毁，因此电动机的过载保护还应具有模拟和记忆电动机热积累的功能，当热量积累到使电动机绕组的实际温度达到会显著降低绝缘寿命的程度时，要求保护电器给予保护。

怎样充分利用电动机的过载能力，同时又可避免过热使绝缘破坏而损坏电动机，最困难的就在于如何处理电动机运行过程中的热积累问题。

电动机发热理论研究表明，电动机持续运行的容许负荷，主要取决于定子绕组的温升，即定子电流的大小作为电动机过载的主要依据。

电动机温度会由最初的温度（与周围空气温度相同）开始上升，经过一段时间后达到稳定温度。

合理模拟电动机的温度变化过程，才可以保护电动机既不能过热，又能充分利用电动机的过载能力。

因此，对于过载故障，我们利用异步电动机发热物理过程的数学模型，通过求解热微分方程，获得累加定子电流的热过载保护动作方程，从而实现过载故障的有效保护。

根据能量守恒定律，电动机定子绕组损耗和转子绕组损耗产生的热量应当等于被电动机吸收从而使电动机温度升高的热量与电动机向周围介质散发的热量之和。

在考虑发热的同时，也考虑了热量向周围介质的散失，因此真实地反映了电动机在过载状态下实际的温度变化过程。

当电动机温度变化时，定子绕组的电阻和转子绕组的电阻也随温度而变化。

根据焦耳定律，当每相绕组流过电流1℃时，当电动机温度增加时，导体自身的比热容需要吸收热量，并且随温度的变化而变化。

单位时间内电动机向周围空气散发的热量与下列因素有关：

电动机与周围空气温度之差，即电动机的温升：

温升越高，散到周围空气中的热量越多；电动机的散热面积越大，散到周围空气中的热量越多。

在不对称情况下，电流中会含有负序分量，幅值相同的正序电流和负序电流在电动机内产生的热量并不相同。

对定子绕组而言，正序电流和负序电流产生的旋转磁场为正、反同步转速，定子绕组的正序电阻与负序电阻阻值相同，定子发热损耗与其电阻成正比，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。

而对于转子绕组而言，转子对正序电流产生的旋转磁场的转差率为s，额定转速时，s≈0，感生电流频率很低，而转子对负序电流产生的旋转磁场的转差率为2－s，所以电动机在额定转速时，（2－s）≈2，转子感生电流的频率近似为100Hz，对鼠笼型电动机而言，转子对负序电流和正序电流所表现出的电阻之比可达1.25～6倍，所以数值相同的负序电流产生的损耗接近于正序电流损耗的倍数。

因此在设计过载保护发热模型时，应充分考虑负序电流的热效应。

为了方便反映定子绕组的正序电流和负序电流的不同发热效应，英国GEC公司提出了反映发热效应的“等效电流”。

当电动机工作在额定工况时，绕组的温度处于平衡状态，绕组电阻产生的热量全部散失在周围介质中。

模拟的温度变化曲线是一条类似指数变化的上升曲线，与实际温度变化过程相吻合。

显然该曲线若用集成电路型等模拟式保护很难实现，而用微机数字式保护较易实施。

通常情况下，电动机的寿命取决于绕组绝缘材料的寿命，而绝缘材料的寿命取决于所受的最高温度及其作用时间。

根据GB755-81《电机基本技术要求》，表2-1列出了各种绝缘等级材料长期使用的极限温度。

国家标准规定的极限温度是在环境温度为40℃时做出的。

表2-1各种绝缘等级材料的极限温度绝缘等级

绝缘等级

A级

E级

B级

F级

H级

极限温度（℃）

105

120

130

155

180

电动机在额定电压、额定负载及额定频率下运转，绕组温度不会达到表2-1中规定的数值。

绝缘材料在规定的极限温度下工作能够获得合理的使用寿命。

若绝缘材料的工作温度超过极限温度，一般认为，温度每上升7～10℃，绝缘材料的寿命将减少一半。

过载故障保护的核心部分是累加值Ak+1的计算，递推基值为A0，为A0环境温度θ0下电动机所具有的热常数，的取值并不影响Ak+1的最终结果，但会因变化过程不同而可能影响保护性能，故不宜随便更改。

在Ak+1每个时间内计算1次。

累加值不会无限增大，当

时，保护动作跳闸，并且置位保护动作标志和起动闭锁；累加Ak+1值不会无限减小，当Ak+1=A0时，即当电动机温度下降到与周围环境温度相同时，将稳定在A0上，此时清除起动闭锁，合闸后可重新起动电动机。

由以上分析可知，过载故障保护采用的是反时限保护原理，即实现了在不同过电流情况下的不同的时间延时，因为电动机的温度变化是一个持续过程，脉冲干扰不会再使保护器出现误动作，从而可提高保护器的抗干扰能力。

2.3起动时间过长故障的保护原理

电动机作为一种单独的电器元件，有其特殊的运行情况，即存在起动问题。

准确而可靠地对电动机起动过程进行判断，直接关系到电动机保护的性能。

在电动机起动瞬同，转于转速n=0，转差率s=1，因向电动机的等效阻抗很小，此时起动电流很大，一般电动机起动电流可达到电动机额定电流的4～7倍。

但随着电动机的转速增大，电流逐步减小，在额定负荷下，转差率、很小（一般约为0.01～0.05），从而限制了定子和转子的电流。

在电动机起动时，电动机会从停运状态的小电流突增到起动时的大电流，然后再下降至稳定运行时的工作电流[5]，因此利用微机的记忆功能，根据电动机电流的初始状态，可判断电动机处于起动过程还是正常运行过程。

在电动机起动过程中若发生短路故障，短路电流将大于起动电流，速断保护动作，从而使电动机得到保护。

当检测到线电流从0A增加到0.1A以上时，则认为电动机开始起动。

在起动过程中实时检测电动机的线电流与线电压，通过运算和比较，随时监测短路、断相及不平衡和电压故障的出现，这样将会大大提高电动机的保护能力。

这是微机控制电动机保护器得天独厚的优势，是传统老式保护器无法比拟的。

当达到起动时间后，根据检测到的线电流值进行电动机是否存在起动时间过长故障的判断。

起动时间过长故障的保护特性方程为：

（2-1）

式中：

—起动时间过长故障保护的整定电流A

—起动时间过长故障保护的整定时间s

2.4不平衡故障和断相故障的保护原理

三相异步电动机烧坏以不平衡故障率最高，占整个电动机烧坏故障的70%以上。

根据对称分量法，当不平衡故障发生时，将使三相电流和三相电压的大小、相位不再对称，电流、电压中会出现负序分量，不会出现零序分量。

三相异步电动机的正序等效电路和负序等效电路如图2-1所示。

（a）正序等效电路（b）负序等效电路

图2-1正序等效电路和负序等效电路

图中：

—每相定子电压正序分量，单位为V

—每相定子电压负序分量，单位为V

电动机正序阻抗和负序阻抗与转差率有关，忽略励磁阻抗，正序阻抗为

（2-2）

负序阻抗为

（2-3）

正序电流为

（2-4）

负序电流为

（2-5）

三相异步电动机在正常运转时存在两个主要力矩：

一个是使电动机转动的电磁力矩，由电动机定子绕组中流过的电流产生；另一个是阻碍电动机转动的阻力力矩，由电动机所带的机械负荷产生。

当三相电动机发生不平衡故障时，转子上将作用两个电磁力矩：

一个是在正序电压、正序电流作用下产生的正序电磁力矩，使电动机继续转动，另外一个是在负序电压、负序电流作用下产生的负序电磁力矩，起制动作用。

正序电磁力矩和负序电磁力矩可分别表示为：

（2-6）

（2-7）

式中：

p—极对数

—角速度

合成电磁力矩可表示为

（2-8）

从式（2-9）可以看出，当不平衡故障发生时，减小，为了克服，电动机吸收的功率将变为损耗，从而使电动机严重发热，严重程度不随平衡度的增加而增加。

因此设置不平衡故障的保护特性方程为：

当

且

时，

（2-9）

式中：

—三个线电流中的最大值A

—三个线电流中的平均值A

—不平衡度的整定值

—不平衡故障保护的整定时间，单位为s

在不平衡故障中，断相故障是危害性最大的故障。

因此断相故障的保护特别重要。

常见的断相故障有：

（1）供电电源线一线断开：

供电电源线一线直接断开是电动机断相运行中最为常见的故障；

（2）一相定子绕组断开：

电动机绕组接法有Y型和△型两种，其定子绕组为一相断相的表现有所不同。

无论何种断相故障形式，断相运行时，由于负序转矩的存在，合成转矩都会减小，从而使铜耗增加，电流增大，例如Y型连接的电动机在供电电源一线断开或电源一线绕组断相的情况下，断相后电流约增大到断相前电流的万倍以上，三角型连接的电动机在供电电源一线断开的情况下，断相后电流约增大到断相前电流的2倍以上。

电流的增大将使电动机温升加剧，严重时甚至烧毁电动机。

因此必须建立有效的断相保护特性方程，以保证断相时及时切断电源[6]。

2.5电压故障的保护原理

电压故障包括过压故障与欠压故障、失压故障。

过压故障有两种：

系统的操作与某些不正常运行状态使电动机发生电磁能量的转换而产生的内部过电压和大气过电压。

无论何种过压，电压的增加都将造成电动机的电流增大，从而破坏绝缘而损坏电动机。

电动机电磁转矩与电流的平方成正比，即与外加电压的平方成正比。

当电动机端电压降低时，若电动机处于起动过程，起动转矩会成平方倍数的减少，严重时会造成电动机不能起动，使电动机长时间承受相当大的起动电流作用，从而导致电动机绝缘过热甚至损坏；若电动机处于运行状态，电动机转矩的下降会使电动机的过载能力降低，机械特性变软，运行的稳定性变差，若负载转矩大于电动机的最大转矩，电动机将被迫停车，铁心损耗的减少小于铜耗的增加，从而也会使电流增大而烧坏电动机。

因此，有必要进行电动机的电压故障保护。

电动机的过压、欠压保护是通过电压幅值来进行判断的。

在阻力转矩一定的情况下，当电压降低到足以引起电动机制动的电压U时，欠压保护应能反应并将电动机断开；若电压下降得过低时，欠压保护应能迅速切断电动机。

为了保证不因短时出现低电压而停转，电动机一般具有一定的转矩过载倍数。

电动机转矩过载倍数一般为1.8～2.2，由此可确定欠压保护的动作相电压。

由于采样电压为线电压，根据不同连接型式电动机的线电压与相电压的关系，可以获得额定线电压值，电动机欠压保护的动作线电压一般取0.5倍额定线电压值。

过压、欠压保护采用定时限保护，欠压保护采用速断保护，故障保护特性方程分别为：

过压保护特性方程：

（2-10）

欠压保护特性方程：

（2-11）

失压保护特性方程：

（2-12）

式中：

—过压保护的整定电压，单位为V，一般取1.2UN

—过压保护的整定时间，单位为s

—失压保护的整定电压，单位为V，一般取0.35UN

—欠压保护的整定时间，单位为s

3电子式过载保护继电器的硬件设计

以微处理器为核心的电子式过载保护继电器的设计包括硬件设计和软件设计两大部分。

硬件设计是实现电子式过载保护继电器预定功能的基础，是电子式过载保护继电器的“肢体”；软件设计是完成电子式过载保护继电器设计任务的关键，是电子式过载保护继电器的“灵魂”。

结合前章所述的保护原理，本章将设计电子式过载保护继电器的硬件部分，实现三相异步电动机故障的有效保护。

3.1电子式过载保护继电器的硬件总体结构

电子式过载保护继电器的硬件设计主要包括信号采集变换单元、信号预处理单元、单片机系统单元、键盘显示单元、输出控制单元等[7]。

电子式过载保护继电器的硬件结构框图如图3-1所示。

图3-1电子式过载保护继电器的硬件结构框图

单片机系统以一定的时间间隔通过电流互感器和电压互感器对三相异步电动机进行电流和电压采样，采样信号经处理后，送入单片机端口，经片内A/D变换器转换成数字信号，由单片机进行运算、分析和判断后，再输出相应的信号显示在显示器上，并通过执行机构进行控制与保护。

3.2电子式过载保护继电器的硬件电路设计

单片机是硬件电路的核心部件，在设计时选用了低功耗、高性能、性价比较高的PiC16F877单片机。

此单片机由美国Microchip公司推出，采用RISC结构，具有高驱动能力I/O端口（可直接驱动数码管LED显示），片内含4K字节程序存储器FLASH3个定时器/计数器，8通道10位高速A/D变换器；另外PIC16F8T7单片机还具有片内WDT和掉电保护功能，因而PIC16F877单片机具有很好的抗干扰能力，非常适用于工业现场控制。

单片机的复位电路是易受噪声干扰的敏感部位，当复位端口串入干扰时，一般不会导致系统的错误复位，但会引起CPU内部的某些寄存器和接口电路的状态发生变化，造成系统工作失常。

复位电路具有自动复位和手动复位两种形式。

复位电路中的二极管能在电源掉电时使电容迅速放电，待电源恢复正常时实现可靠复位，避免了由于电源瞬时掉电而电容不能迅速放电而引起单片机不能可靠复位，导致程序运行失控，造成“程序乱飞”和“死循环”[8]。

在控制系统中，时钟电路非常关键。

外时钟是高频噪声源，除能引起对系统的干扰，还可能产生对外界的干扰，因此选用时钟频率低的单片机可以降低系统噪声，在本设计中，选择的外时钟频率为4MHz，PIC16F877单片机的最短指令周期可达到1us，可以满足系统的要求，此外，设计了双余度时钟来提高系统时钟电路的可靠性。

74LS123芯片为双单稳触发器，在此作为故障诊断电路。

74LS123芯片的两个输出端1Q，2Q的脉冲波由1B端和2B端输入时钟的上升沿触发。

1Q和2Q获得的脉冲宽度分别由时间常数

和

。

决定。

如果正确地选择时间常数，使脉宽T，稍大于时钟周期T，那么将可得到一个恒定的高电平输出。

在本设计中，振荡脉冲周期T约为250ns，选择电阻

，电容

，

约为300ns，大于T，满足需要。

当113，2B端输入4MHz的振荡脉冲时，1Q端、2Q端输出高电平；1B，2B端无振荡信号输入时，1Q端、2Q端输出低电平：

113，2B端输入不规则信号时，1Q，2Q端输出的信号亦不规则，并会有下降沿和低电平出现。

根据这些信息可对时钟电路的控制逻辑进行设计。

74LS74芯片是双D触发器，在本设计中，只用到其中的1个D触发器。

74LS125芯片是四总线缓冲器，在此作为开关使用。

当选通端为低电平时，输出与输入相同；当选通端为高电平时，输出为高阻态。

当时钟1和时钟2均正常工作时，74LS123的IQ端和2Q端均输出高电平，即74LS74芯片的CLR1端和PRl端均为高电平，此时74LS74芯片的

和

的电平保持初始的电平状态，从而选定晶振1或晶振2接至单片机的时钟输入端XTALl和XTAL2；当晶振1出现故障时，74LS123芯片的

端输出低电平，从而使74LS74芯片的

端输出高电平，

输出的低电平，从而选通74LS125芯片的3和4缓冲器，将晶振2接至单片机的时钟输入端XTALl和XTAL2；同理，当晶振2出现故障时，74LS123芯片的2Q端输出低电平，从而使74LS74芯片的

端输出低电平，

输出高电平，从而选通74LS125芯片的1和2缓冲器，将晶振1接至单片机的时钟输入端XTAL1和XTAL2。

由以上分析可知，两个时钟互为备份，即一个工作，另一个则作为工作时钟的备份时钟。

因此，双余度时钟能容忍一个时钟发生故障，从而可提高系统的可靠性。

信号预处理电路包括三路电流信号预处理电路和三路电压信号预处理电路，共用一个调压电路进行调节。

根据前章所述的电子式过载保护继电器的保护原理，涉及计算线电流各分量时同时采集三相线电流的问题。

由于采集三相线电流的采样通道只有三个，而且PIC16F877单片机的命令执行速度比较快，依次分时选通进行采样所需总时间较少，因此采样保持器LF398基本能满足电流同时采样的要求，LF398的捕捉时间约为6us。

设计时选择的互感器的输出电压

限定在－5～5V，而PIC16F877单片机内部A/D端口的输入电压

为0～5V，因此需要将电压进行变换。

根据运算放大器原理可得

（3-1）

为将－5～5V变为0～5V，令

（3-2）

根据上式可得V=1.67V，其中V由调压电路获得，并选用

。

在采样期间，采样顺序为先采集三个线电流，再采集三个线电压。

单片机输出高电平使三个电流通道的采样保持器闭合进行采样，输入信号通过采样保持器内部高增益放大器对电容充电，经1延时后，单片机输出低电平，使三个采样保持器进入保持状态，输入信号可以保持到下一次采样开始，单片机依次选通三相线电流的A/D通路，读入线电流采样值。

在完成线电流10us采样后，按照与线电流采样同样的过程进行线电压采样。

根据互感器的衰减倍数及提升电路的数值，通过软件可得出实际的异步电动机的线电流和线电压采样值。

在单片机应用系统中，键盘显示接口电路一般是必备的人机交互的主要设备。

LED数码管显示器具有成本低、驱动简易等特点，因此在本设计中采用LED数码管作为显示装置。

键盘的接口有两种方式：

并行方式和串行方式。

并行方式以单片机的并行口通过一定的驱动装置连接LED数码管的段、位驱动器和矩阵式键盘，进行动态显示和扫描键盘。

其电路简单，但占用的I/O口位较多。

串行方式采用单片机的串行口连接移位寄存器，再驱动LED的段、位和矩阵式键盘。

这种电路虽然所占的I/O口位较少，但接口芯片的数量将随LED数码管数量的增加而增加，电路比较复杂。

因此在设计时，采用了并行方式键盘接口电路，并选用了合适的芯片进行硬件译码和驱动。

在单片机接口电路中，所有整定参数