【摘要】文章結(jié)合火力發(fā)電廠低壓電動(dòng)機(jī)的保護(hù)配置及原理，介紹了低壓電動(dòng)機(jī)保護(hù)的3種方案，及其在火力發(fā)電廠中的應(yīng)用情況，指出了微機(jī)型智能電動(dòng)機(jī)保護(hù)裝置的廣闊應(yīng)用前景。
【關(guān)鍵詞】低壓電動(dòng)機(jī)；保護(hù)；熱繼電器；智能電動(dòng)機(jī)保護(hù)裝置
據(jù)統(tǒng)計(jì)，我國發(fā)電總量的60%消耗在電動(dòng)機(jī)上，而各類風(fēng)機(jī)、水泵、空壓機(jī)又占電動(dòng)機(jī)耗電的一半以上。作為機(jī)電行業(yè)中主要的動(dòng)力之一，電動(dòng)機(jī)廣泛應(yīng)用于火力發(fā)電廠、礦產(chǎn)、鋼鐵、冶金、石化等領(lǐng)域，而其中低壓電動(dòng)機(jī)（690 V以下）的數(shù)量是高壓電動(dòng)機(jī)的幾十倍。這些電動(dòng)機(jī)大多數(shù)處于高溫、潮濕、多塵埃的工況下，容易發(fā)生堵轉(zhuǎn)、短路、斷相和長期過負(fù)荷運(yùn)行等故障。因而，電動(dòng)機(jī)的有效保護(hù)對其正常運(yùn)行至關(guān)重要。本文以低壓電動(dòng)機(jī)為例，介紹電動(dòng)機(jī)保護(hù)在火力發(fā)電廠中的應(yīng)用。
1 保護(hù)配置及原理
根據(jù)《火力發(fā)電廠廠用電設(shè)計(jì)技術(shù)規(guī)定》（DUT 5153—2002）,低壓廠用電動(dòng)機(jī)應(yīng)裝設(shè)相間短路保護(hù)、單相接地保護(hù)（或者單相接地短路保護(hù)）、過負(fù)荷保護(hù)、低電壓保護(hù)、斷相保護(hù)。
相間短路保護(hù)用于防范電動(dòng)機(jī)繞組內(nèi)及引出線上的相間短路故障。發(fā)生相間短路時(shí)，短路電流為正常工作電流的十幾倍甚至幾十倍，因此，相間短路保護(hù)一般釆用過電流判據(jù)構(gòu)成三段式電流保護(hù)，包括瞬時(shí)電流速斷保護(hù)、帶時(shí)限電流速斷保護(hù)、定時(shí)限過電流保護(hù)。
單相接地保護(hù)用于防范電動(dòng)機(jī)繞組內(nèi)及引出線上的單相接地故障。發(fā)生單相接地故障跟系統(tǒng)的中性點(diǎn)接地方式有很大關(guān)系。當(dāng)?shù)蛪簭S用電系統(tǒng)為中性點(diǎn)經(jīng)高電阻接地時(shí)，單相接地的故障電流不會(huì)太大，故一般采用零序電壓或者零序電流來實(shí)現(xiàn)接地保護(hù)。
當(dāng)?shù)蛪簭S用電系統(tǒng)為中性點(diǎn)直接接地時(shí)，單相接地發(fā)展成為單相接地短路，短路電流比單相接地的故障電流大得多，卻又比相間短路電流小得多。考慮到保護(hù)靈敏性要求，宜另外裝設(shè)一套單相接地短路保護(hù)，一般由零序電流保護(hù)構(gòu)成。對于55 kW以下的小功率電動(dòng)機(jī)，若相間短路保護(hù)能夠滿足單相接地短路的靈敏性時(shí)，可由相間短路保護(hù)兼作單相接地短路保護(hù)。
易過負(fù)荷的電動(dòng)機(jī)應(yīng)裝設(shè)過負(fù)荷保護(hù)。此處的過負(fù)荷保護(hù)不僅要考慮正常生產(chǎn)過程中是否易于過負(fù)荷，還要考慮啟動(dòng)過程中是否易于過負(fù)荷，即那些啟動(dòng)或自啟動(dòng)困難、需要防止啟動(dòng)或自啟動(dòng)時(shí)間過長的電動(dòng)機(jī)也需要裝設(shè)過負(fù)荷保護(hù)。過負(fù)荷保護(hù)一般由啟動(dòng)過程中的啟動(dòng)時(shí)間過長保護(hù)、啟動(dòng)后的反時(shí)限過電流保護(hù)和堵轉(zhuǎn)保護(hù)構(gòu)成。
低電壓保護(hù)是為了限制電動(dòng)機(jī)自啟動(dòng)，而不是保護(hù)電動(dòng)機(jī)本身。對于I類電動(dòng)機(jī)，當(dāng)裝有自動(dòng)投入的備用機(jī)械時(shí)或?yàn)楸ＷC人身和設(shè)備安全，在電源電壓長時(shí)間消失后須自動(dòng)切除時(shí)，應(yīng)裝設(shè)9~10s時(shí)限的低電壓保護(hù)；對于U、ID類電動(dòng)機(jī)，一般為保證接于同段母線上的I類電動(dòng)機(jī)自啟動(dòng)，宜裝設(shè)0.5 s時(shí)限的低電壓保護(hù)。另外，對于操作電器為接觸器的電動(dòng)機(jī)回路，由于接觸器的吸持線圈在低電壓時(shí)能自動(dòng)釋放，故不需要另設(shè)低電壓保護(hù)。
當(dāng)電動(dòng)機(jī)由熔斷器作為短路保護(hù)時(shí)，為防止電動(dòng)機(jī)斷相運(yùn)行時(shí)發(fā)熱燒毀，應(yīng)裝設(shè)斷相保護(hù)，由帶斷相保護(hù)的熱繼電器或者帶觸點(diǎn)的熔斷器構(gòu)成。
2 保護(hù)裝置的選擇
在火力發(fā)電廠中，根據(jù)保護(hù)裝置的不同，低壓電動(dòng)機(jī)回路的保護(hù)方案一般有3種：①以熱繼電器為主的組合保護(hù)方式；②采用框架斷路器自身所配保護(hù)；③釆用電動(dòng)機(jī)保護(hù)的微機(jī)型保護(hù)裝置——智能馬達(dá)控制器或者低壓綜合保護(hù)測控裝置。
功率小于75 kW的低壓電動(dòng)機(jī)，一般操作電器為接觸器，保護(hù)可采用以熱繼電器為主的組合保護(hù)方式,即保護(hù)電器采用塑殼斷路器（或熔斷器），用于切斷短路電流，而熱繼電器主要用于電動(dòng)機(jī)過負(fù)荷保護(hù)及斷相保護(hù)。熱繼電器利用負(fù)載電流流過經(jīng)校準(zhǔn)的電阻元件，使雙金屬熱元件加熱后產(chǎn)生彎曲,從而使繼電器的觸點(diǎn)在電動(dòng)機(jī)繞組燒壞以前動(dòng)作。其動(dòng)作特性為反時(shí)限過電流，與電動(dòng)機(jī)繞組的允許過載特性接近，但是很難保證兩者特性曲線一致，故電動(dòng)機(jī)的過負(fù)荷能力不能得到充分利用.而且對于三相電流不平衡運(yùn)行等不對稱故障缺乏有效的保護(hù)。
功率在75 kW及以上的低壓電動(dòng)機(jī)，一般操作電器為框架斷路器，保護(hù)可釆用框架斷路器自身所配保護(hù)?？蚣軘嗦菲骺梢耘渲酶鞣N智能控制器，實(shí)現(xiàn)過載長延時(shí)保護(hù)、短路短延時(shí)保護(hù)、短路瞬時(shí)保護(hù)、電流不平衡（斷相）保護(hù)、接地保護(hù)、漏電保護(hù)、欠壓保護(hù)、過壓保護(hù)、過頻保護(hù)、欠頻保護(hù)、相序保護(hù)、逆功率保護(hù)、MCR接通分?jǐn)嗉霸较尢l保護(hù)等，而且還可以選擇通信功能與現(xiàn)場總線連接，實(shí)現(xiàn)遙測、遙調(diào)、遙控、遙信“四遙”功能，滿足控制自動(dòng)化的要求。但是.目前框架斷路器的通信功能不夠靈活，通信協(xié)議和接口有一定的限制，而且其保護(hù)功能是針對配電網(wǎng)絡(luò)，不是電動(dòng)機(jī)，過負(fù)荷曲線難以與電動(dòng)機(jī)保持一致。
電動(dòng)機(jī)保護(hù)的微機(jī)型保護(hù)裝置可以用于以上2種情況。通常功率小于75 kW的低壓電動(dòng)機(jī)，釆用智能馬達(dá)控制器；功率在75 kW及以上的低壓電動(dòng)機(jī).采用低壓綜合保護(hù)測控裝置。兩者并沒有實(shí)質(zhì)差別，都是基于微處理器和現(xiàn)場總線技術(shù)，采用模塊化設(shè)計(jì)，內(nèi)置保護(hù)功能。通過數(shù)學(xué)方法建立電動(dòng)機(jī)發(fā)熱模型構(gòu)成的過負(fù)荷保護(hù)可以提供多達(dá)16種反時(shí)限保護(hù)特性曲線.可實(shí)現(xiàn)重載啟動(dòng)，而且還可以通過檢測電動(dòng)機(jī)預(yù)埋的PTC/NTC熱電阻的阻值實(shí)現(xiàn)電動(dòng)機(jī)的溫度保護(hù)。同時(shí)，還提供多種測控功能，包括開入量遙信釆集，電流、電壓、有功/無功功率、電能、頻率等模擬量的遙測，4~20mA模擬量輸出，故障和事件記錄，多種通信接口支持Modbus、CAN,Profibus-DP或DeviceNet等多種現(xiàn)場總線協(xié)議，而且還支持電動(dòng)機(jī)直接啟動(dòng)、雙向可逆啟動(dòng)、雙速啟動(dòng)、星/角啟動(dòng)等多種電動(dòng)機(jī)控制模式。
但是，微機(jī)型智能電動(dòng)機(jī)保護(hù)裝置在應(yīng)用中也出現(xiàn)了一些問題，值得注意。一是智能電動(dòng)機(jī)保護(hù)裝置的4-20 mA模擬量輸岀也會(huì)隨著裝置電源消失而消失，因此參與機(jī)組DCS控制邏輯的模擬量由變送器來實(shí)現(xiàn)，不能使用裝置的模擬量輸出，否則DCS控制邏輯出錯(cuò)引發(fā)事故。二是接觸器線圈控制回路中的裝置輸出接點(diǎn)多為電平式，但有些廠家的裝置軟件不完善，結(jié)果有的在控制電源消失或者母線失壓之后重新供電時(shí)，由于裝置輸出接點(diǎn)一直接通，造成電動(dòng)機(jī)自啟動(dòng)；有的在控制電源消失或者母線失壓之后重新供電時(shí)，由于裝置先自檢一遍把輸出接點(diǎn)斷開，造成電動(dòng)機(jī)無法自啟動(dòng)。實(shí)際上，應(yīng)該讓裝置能夠自由設(shè)定所保護(hù)的電動(dòng)機(jī)是否需要自啟動(dòng)，因?yàn)榇罅糠侵匾妱?dòng)機(jī)同時(shí)自啟動(dòng)，將會(huì)使廠用電母線電壓嚴(yán)重降低，從而導(dǎo)致同段母線的重要電動(dòng)機(jī)無法自啟動(dòng)，而對于I類電動(dòng)機(jī)等重要電動(dòng)機(jī)恰恰需要自啟動(dòng)，以爭取不停機(jī)，避免影響生產(chǎn)。
3 安科瑞電動(dòng)機(jī)保護(hù)器介紹
安科瑞ARD3T智能型電動(dòng)機(jī)保護(hù)器是一種電機(jī)保護(hù)與控制的設(shè)備，適用于額定電壓至AC690V、額定電流至AC800A、額定頻率為50/60Hz的電動(dòng)機(jī)。產(chǎn)品體積小，結(jié)構(gòu)緊湊，安裝方便，在低壓控制終端柜和1/4模數(shù)及以上各種抽屜柜中可直接安裝使用，提高了控制回路的可靠性和自動(dòng)化水平。
ARD3T采用模塊化的產(chǎn)品結(jié)構(gòu)形式，包括主體控制模塊、互感器模塊和顯示模塊，并可根據(jù)需要選配其他功能模塊，與接觸器、電動(dòng)機(jī)起動(dòng)器等電器元件一起構(gòu)成電動(dòng)機(jī)控制保護(hù)單元，保護(hù)器具有遠(yuǎn)程自動(dòng)控制、現(xiàn)場直接控制、面板指示、信號(hào)報(bào)警、現(xiàn)場總線通信等功能。用戶在現(xiàn)場安裝時(shí)，主體控制模塊采用標(biāo)準(zhǔn)導(dǎo)軌方式安裝，顯示模塊采用嵌入式安裝。
ARD3T智能型電動(dòng)機(jī)保護(hù)器集成了電流互感器，測量功能分為基本測量（電流參數(shù)）和增選測量（電壓、功率、相序、剩余電流（漏電流）），同時(shí)具有起動(dòng)超時(shí)、過載、堵轉(zhuǎn)、阻塞、欠載、斷相、不平衡、剩余電流（接地/漏電）、溫度、外部故障、相序、過壓、欠壓、欠功率、過功率、tE時(shí)間等電動(dòng)機(jī)綜合保護(hù)功能。輔助電源支持AC 85V～265V/DC 110V～350或AC 380V±10%（需另配380V電源模塊）。9路DI無源干節(jié)點(diǎn)輸入，信號(hào)電源采用內(nèi)置DC24V電源。5路DO輸出，滿足直接起動(dòng)，星—三角起動(dòng)，自耦變壓器起動(dòng)，軟起動(dòng)等多種起動(dòng)方式，通過通訊總線可實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程主站對電動(dòng)機(jī)進(jìn)行實(shí)時(shí)遙控“起/停”操作?？够坞姶_保電動(dòng)機(jī)運(yùn)行不間斷，重起動(dòng)功能在短時(shí)欠壓、失壓時(shí)用于電動(dòng)機(jī)分批重起。具有標(biāo)準(zhǔn)的RS-485通訊接口，采用Modbus_RTU、Profibus_DP通訊協(xié)議，保證了上位機(jī)通訊的快速可靠。具有DC4-20mA模擬量輸出接口，直接與DCS系統(tǒng)相接，可實(shí)現(xiàn)對現(xiàn)場設(shè)備的監(jiān)控。具有系統(tǒng)時(shí)鐘和20次故障記錄功能，系統(tǒng)時(shí)鐘記錄當(dāng)前時(shí)間（日、時(shí)、分、秒），故障記錄功能記錄故障原因。顯示部分采用全中文液晶顯示。AED3可以替代各種電量表、信號(hào)燈、熱繼電器、電量變送器等常規(guī)元件，減少了柜內(nèi)電纜連接及現(xiàn)場施工量，其運(yùn)行可靠性以及功能綜合性的性價(jià)比也遠(yuǎn)高于傳統(tǒng)方案，該產(chǎn)品可適用于煤礦、石化、冶煉、電力、船舶、以及民用建筑等各領(lǐng)域。
4 設(shè)備選型
5 總結(jié)
從以上分析不難看出，單從功能上講，微機(jī)型智能電動(dòng)機(jī) 保護(hù)裝置是完善的，在簡化一次回路的基礎(chǔ)上（省 去了傳統(tǒng)的熱繼電器等保護(hù)元件，取消了時(shí)間繼電器、中間繼 電器、互感器、電流表、變送器、轉(zhuǎn)換開關(guān)、指示燈等多種二 次分立元件），完成了二次回路的保護(hù)、控制、測量、通信等 功能，使二次控制回路變得簡潔、標(biāo)準(zhǔn)，同時(shí)也提高了控制回 路的可靠性和自動(dòng)化水平，降低了用戶現(xiàn)場調(diào)試及維護(hù)工作 量。綜合造價(jià)來考慮，小型發(fā)電廠或者輔助廠房MCC電動(dòng)機(jī)， 可以釆用前2種保護(hù)方案，而新建的大中型發(fā)電廠釆用微機(jī)型 智能電動(dòng)機(jī)保護(hù)裝置，綜合效益還是可觀的。并且，隨著技術(shù) 的發(fā)展，微機(jī)型智能電動(dòng)機(jī)保護(hù)裝置的功能將更加完善，成本 將更加低廉，應(yīng)用將更加廣泛。
【參考文獻(xiàn)】
