基于TMS320F2812的异步电动机相敏保护器设计

高 锋

GAO Feng

（淮安信息职业技术学院，淮安 223003）

0 引言

在煤矿供电系统中，由于井下环境恶劣，设备易受潮湿、绝缘自然老化、机械损坏及过电压击穿、人为的误操作等影响，极易引起供电线路或设备短路或断相。当发生短路或断相故障时，如果不及时切除故障线路或设备，极可能引发瓦斯或煤尘爆炸事故，危及井下工作人员的生命和财产安全。因此，在出现短路或断相事故时，应立即切除故障线路或设备，把危害降到最小，以防事故蔓延[1]。据统计表明，全国国有重点煤矿平均每年发生400～600次电缆着火事故，损坏电缆约500km，造成严重的经济损失。究其原因大部分是短路故障引起的，而目前井下供电系统存在的主要问题是短路保护不过关，开关拒动、误动现象时有发生。同时，随着矿井采掘工作面的不断延伸，矿井采掘工作面离供电变电所距离越来越远，以及机械化装备数目和功率的不断增大，供电负荷的不断加大，安全供电难度越来越大，传统短路保护方法单纯靠躲过电机正常启动电流来整定，已经不能满足保护可靠性、实时性等要求[2]。针对井下供电系统当前存在的问题，本文描述了相敏保护原理，并在此基础上设计基于TMS320F2812的异步电动机相敏保护器，该装置可大大提高电机保护的实时性和可靠性等性能，具有广阔的应用前景。

1 供电系统短路缺相故障仿真分析

图1 矿井供电系统仿真模型

首先利用Matlab/Simulink的强的仿真和计算功能，对煤矿井下供电系统进行可视化的仿真，用模块化的方法构建矿井供电系统仿真模型，如图1所示。该模型可模拟仿真供电线路三相短路、两相短路和断相故障状态[3,4]。

无短路和断相故障时，供电系统功率因数曲线如图2(a)所示，三相短路时系统功率因数如(b)所示，负序电流分量如(c)所示，两相短路负序电流分量如(d)所示，缺相时负序电流分量如图(e)所示。

图2(a) 功率因数cosφ曲线

图2(b) 三相短路时功率因数曲线

对比图(a)和(b)，可见无故障时供电系统功率因数为0.7，三相短路时接近于1，启动时为0.6。

图2(c) 三相短路负序电流

图2(d) 两相短路负序电流

图2(e) 缺相负序电流

对比图(c)、(d)和(e)，可见三相短路时无负序电流分量，两相短路和断相时都存在负序电流分量，但明显两相短路时负序电流分量大很多，可以通过比较两者大小可以区分两相短路和断相故障。

2 相敏保护原理

2.1 对称短路相敏保护

由于采煤机械单机功率的不断增大和矿井供电线路的不断延伸，导致井下供电系统中，大容量电动机的起动电流与最小短路电流十分接近，使得系统的正常峰值电流与短路电流难以区分，给短路保护整定带来了极大的困难。所以，仅以电流幅值的大小来区分起动电流和三相短路电流已经不能满足保护要求。

由于井下负荷绝大多数为感性负载，在大型电动机起动时，启动电流很大，但功率因数比较低（cosφ在0.3～0.5），电流滞后于电压的相位角超过60 ；而供电系统出现三相对称短路故障时，尤其在电缆末端发生三相对称短路故障，短路电流与启动电流幅值很接近，但发生三相对称短路时的功率因数则很高（cosφ可以达1），相位角为0～20 。所以，在保护中同时检测短路电流I和功率因数cosφ，可以很好的区分启动电流和短路电流，也能区分正常的工作电流和短路电流，这就是相敏保护的基本原理。它不但可提高对称短路保护的灵敏度，而且能够保证短路保护动作的可靠性。

当功率因数和短路电流的鉴别方式不同时，相敏保护的动作特性也不完全相同[5]。

式(1)为一般相敏保护特性。只要选择合适的常数c，相敏保护范围比单独鉴幅或鉴相时的保护范围更宽，短路保护可以躲过大型电动机的起动电流，且使保护在电机正常运行方式下不动作，发生短路故障时可靠动作。

式(2)中，根据供电系统负荷大小选择不同的c1、c2，可得到不同的动作区, 这样可以取得最佳的保护效果, 它不但有较宽的动作界限, 而且有很高的灵敏度和可靠性

2.2 不对称故障保护

据对称分量法，系统发生故障时，故障电流（电压）可分解为正序、负序和零序分量。当故障三相对称时，只有正序分量，负序和零序分量为零；当发生不对称故障，即两相短路或断相故障时，会出现负序或零序分量，因此在相敏保护器设计时，以序分量为基础，通过检测负序分量的大小，来区分两相短路和断相故障，实现两相短路和断相故障保护，拓展了相敏保护原理，可实现多故障保护[6]。

3 基于TMS320F2812的相敏保护器设计

由于井下供电系统向大机组、大系统、高电压发展，系统处理的数据量越来越大，对实时性和精度的要求也越来越高。数字信号处理器（DSP）设置了硬件乘法累加器和单独的总线及其控制器，它能够在单指令周期内完成各种复杂的运算，具有高速数据传输能力。随着DSP的出现，为采用各种复杂算法，集多种保护于一体的保护器的实现提供了可行性。

3.1 TMS320F2812芯片

TMS320F2812是美国TI公司最新研制的2000系列数字信号处理器，是面向电机控制、工业自动化的第一款带片内Flash、工作频率达到150 MHz的32位DSP。它具有强大的信号处理，又具有强大的事件管理器能力和嵌入式控制能力，能够实现复杂的控制算法。器件上集成了许多先进的外围设备，为测控领域应用提供了良好的硬件平台[7]。

3.2 相敏保护器硬件结构框图

基于TMS320F2812的相敏保护器结构框图如图3所示。

图3中，矿井下供电系统电压参数ua和电流参数ia、ib、ic，经电压电流互感器，输出幅值在±10V范围之内的参数信号，再由低通滤波器，滤除高次谐波和噪声，输入到开发板上A/D转换模块AD7675，TMS320F2812采样后进行算法处理，判断故障状态，执行相应跳闸命令。

图3 相敏保护器结构框图

3.1.1 电压和电流互感器

电压、电流互感器在改变电压和电流的同时，可能会改变电压、电流的相位，这主要取决于原副绕组的连接方式。本文采用Y，y12，如图4所示，相位不发生改变[8]。

图4 Y，y12连接组

3.1.2 低通滤波器

信号调理电路的输出信号通常包含一定的噪声和高次谐波，这些噪声和高次谐波的频率高于需要检测的信号的最高频率，如果按照采样定理的要求对信号进行采样，则往往会在采样时发生频率混叠，对信号中的有用信息造成不良影响，进而影响整个保护系统的可靠性。所以需要在A/D模块采样之前加入一个低通滤波器，滤除高于采样频率一半的频率分量，保证在采样过程中不发生频率混叠现象，该滤波器也称抗混叠滤波器。本文选择巴特沃思低通滤波器，其电路图如图5所示。

图5 巴特沃斯低通滤波器

利用EWB进行对该滤波器进行仿真得到图3.4的结果。图6中，该滤波器具有单调下降的幅频特性，通带内0～1kHz具有最大平坦度，从通带到阻带衰减较慢，增益为负值。从而使一定频率以下的信号分量都能通过，且衰减不超过3dB，而滤除一定频率以上的噪声信号和高次谐波信号。

图6 巴特沃斯滤波器的EWB仿真结果

3.3 软件流程图

基于TMS320F2812的相敏保护器可实现三相对称短路保护、两相短路及断相的负序电流保护、过载保护、零序过流保护和低电压保护等主要保护功能。本文给出三相对称短路保护、两相短路及断相的负序电流保护和过载保护的流程图。

首先，进行主程序设计，完成系统自检、初始化、A/D采样，再进入各具体保护程序，利用相敏保护原理实现三相对称短路保护，电机过载保护，检测负序电流大小实现两相短路、断相故障保护。

主程序流程图如图7所示。主程序完成保护器各部分功能的初始化，对采样、保护、报警等程序的调用，各种功能在时间上的总体分配，对单元的循环自检等功能。程序初始化包括系统的设置、一些专用寄存器的初始化及各功能模块的初始化，主要包括中断向量的设置、中断的各内部寄存器的设置、软件定时器的各寄存器设置、可复用口的初始化、时钟的初始化、SCI模块的初始化、存储单元的合理分配等。在系统上电的最初两秒内，进行系统的自检，保护器不进行保护判断，但定时器溢出中断，数据采集处理程序继续运行，为故障判断采集必要的前期数据。

图7 主程序流程图

三相对称短路保护流程图如图8所示，利用相敏保护原理和反时限保护特性完成三相对称短路保护和过载保护。

采集电流值i，先计算负序电流I2，若I2不等于0，说明发生不对称故障，进行不对称故障判断保护程序。若I2等于0，继续对称故障判断：当采样值大于10倍的电机额定工作电流值IN时，无论φ为多大，保护都速断。若电流位于3IN～10IN之间，则说明线路中可能发生短路故障，也可能有大型电机正在起动，此时检测功率因数cosφ，按照设定好的公式判断，如果是短路故障，DSP立即发出跳闸信号；如果是电动机起动，会自动起动延时电路，延时时间到后若电流还未减小，说明电动机堵转或严重过载，DSP发出跳闸信号。若电流位于1IN～3IN之间，则电机属于过载运行状态，DSP把采集到的数值与过载整定值相比较.根据反时限延时特性曲线公式，由软件确定延时时间，延时后，保护器动作。若延时未结束而检测到过载故障已消失，则取消延时，保护器不动作[9]。

图8 三相对称短路保护流程图

当系统发生不对称故障（两相短路、断相）时，将会出现负序电流，此处利用负序电流作为动作判据，实现系统的两相短路及断相保护。流程图如图9所示，发生不对称故障时，读取两相短路负序电流动作值I2'、断相负序电流动作值I22。

将先比较负序电流I2与I2'，如果前者大，则故障为两相短路，短路跳闸；如果前者小，则继续将I2与I22比较，若I2大，则故障为缺相，故障跳闸，否则返回主程序。

4 结论

图9 过载保护流程图

本文描述了三相对称短路相敏保护工作原理、两相短路及缺相的负序检测方法和过载反时限保护，给出了基于TMS320F2812的异步电动机相敏保护器硬件框图和软件流程图。该相敏保护器可实现矿井下供电系统的三相对称短路、两相短路、断相和过载故障时的保护功能，具有保护范围宽、实时性强、可靠性高、保护性能稳定等诸多优点。

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[3]王吉校,钱希森,王永民.基于Matlab仿真的功率因数测定方法研究[J].技术研究,2006(12)：34-37.

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[6]煤矿电工手册(修订版). 矿井供电(下)：942-952.

[7]张卫宁.TMS320F28x系列DSP的CPU与外设(上)、(下)[M].北京：清华大学出版社,2004.

[8]方荣惠,邓先明.电机原理及拖动基础[M].中国矿业大学出版社：158-166.

[9]董文,冯文斌.智能型低压相敏保护和过载保护[J].煤矿安全,1998,(9)：3-4.