【摘要】文章結合火力發(fā)電廠(chǎng)低壓電動(dòng)機的保護配置及原理，介紹了低壓電動(dòng)機保護的3種方案，及其在火力發(fā)電廠(chǎng)中的應用情況，指出了微機型智能電動(dòng)機保護裝置的廣闊應用前景。
【關(guān)鍵詞】低壓電動(dòng)機；保護；熱繼電器；智能電動(dòng)機保護裝置
據統計，我國發(fā)電總量的60%消耗在電動(dòng)機上，而各類(lèi)風(fēng)機、水泵、空壓機又占電動(dòng)機耗電的一半以上。作為機電行業(yè)中主要的動(dòng)力之一，電動(dòng)機廣泛應用于火力發(fā)電廠(chǎng)、礦產(chǎn)、鋼鐵、冶金、石化等領(lǐng)域，而其中低壓電動(dòng)機（690 V以下）的數量是高壓電動(dòng)機的幾十倍。這些電動(dòng)機大多數處于高溫、潮濕、多塵埃的工況下，容易發(fā)生堵轉、短路、斷相和長(cháng)期過(guò)負荷運行等故障。因而，電動(dòng)機的有效保護對其正常運行至關(guān)重要。本文以低壓電動(dòng)機為例，介紹電動(dòng)機保護在火力發(fā)電廠(chǎng)中的應用。
1 保護配置及原理
根據《火力發(fā)電廠(chǎng)廠(chǎng)用電設計技術(shù)規定》（DUT 5153—2002）,低壓廠(chǎng)用電動(dòng)機應裝設相間短路保護、單相接地保護（或者單相接地短路保護）、過(guò)負荷保護、低電壓保護、斷相保護。
相間短路保護用于防范電動(dòng)機繞組內及引出線(xiàn)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，相間短路保護一般釆用過(guò)電流判據構成三段式電流保護，包括瞬時(shí)電流速斷保護、帶時(shí)限電流速斷保護、定時(shí)限過(guò)電流保護。
單相接地保護用于防范電動(dòng)機繞組內及引出線(xiàn)上的單相接地故障。發(fā)生單相接地故障跟系統的中性點(diǎn)接地方式有很大關(guān)系。當低壓廠(chǎng)用電系統為中性點(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(lái)實(shí)現接地保護。
當低壓廠(chǎng)用電系統為中性點(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?？紤]到保護靈敏性要求，宜另外裝設一套單相接地短路保護，一般由零序電流保護構成。對于55 kW以下的小功率電動(dòng)機，若相間短路保護能夠滿(mǎn)足單相接地短路的靈敏性時(shí)，可由相間短路保護兼作單相接地短路保護。
易過(guò)負荷的電動(dòng)機應裝設過(guò)負荷保護。此處的過(guò)負荷保護不僅要考慮正常生產(chǎn)過(guò)程中是否易于過(guò)負荷，還要考慮啟動(dòng)過(guò)程中是否易于過(guò)負荷，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(guò)長(cháng)的電動(dòng)機也需要裝設過(guò)負荷保護。過(guò)負荷保護一般由啟動(dòng)過(guò)程中的啟動(dòng)時(shí)間過(guò)長(cháng)保護、啟動(dòng)后的反時(shí)限過(guò)電流保護和堵轉保護構成。
低電壓保護是為了限制電動(dòng)機自啟動(dòng)，而不是保護電動(dòng)機本身。對于I類(lèi)電動(dòng)機，當裝有自動(dòng)投入的備用機械時(shí)或為保證人身和設備安全，在電源電壓長(cháng)時(shí)間消失后須自動(dòng)切除時(shí)，應裝設9~10s時(shí)限的低電壓保護；對于U、ID類(lèi)電動(dòng)機，一般為保證接于同段母線(xiàn)上的I類(lèi)電動(dòng)機自啟動(dòng)，宜裝設0.5 s時(shí)限的低電壓保護。另外，對于操作電器為接觸器的電動(dòng)機回路，由于接觸器的吸持線(xiàn)圈在低電壓時(shí)能自動(dòng)釋放，故不需要另設低電壓保護。
當電動(dòng)機由熔斷器作為短路保護時(shí)，為防止電動(dòng)機斷相運行時(shí)發(fā)熱燒毀，應裝設斷相保護，由帶斷相保護的熱繼電器或者帶觸點(diǎn)的熔斷器構成。
2 保護裝置的選擇
在火力發(fā)電廠(chǎng)中，根據保護裝置的不同，低壓電動(dòng)機回路的保護方案一般有3種：①以熱繼電器為主的組合保護方式；②采用框架斷路器自身所配保護；③釆用電動(dòng)機保護的微機型保護裝置——智能馬達控制器或者低壓綜合保護測控裝置。
功率小于75 kW的低壓電動(dòng)機，一般操作電器為接觸器，保護可采用以熱繼電器為主的組合保護方式,即保護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)機過(guò)負荷保護及斷相保護。熱繼電器利用負載電流流過(guò)經(jīng)校準的電阻元件，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)機繞組燒壞以前動(dòng)作。其動(dòng)作特性為反時(shí)限過(guò)電流，與電動(dòng)機繞組的允許過(guò)載特性接近，但是很難保證兩者特性曲線(xiàn)一致，故電動(dòng)機的過(guò)負荷能力不能得到充分利用.而且對于三相電流不平衡運行等不對稱(chēng)故障缺乏有效的保護。
功率在75 kW及以上的低壓電動(dòng)機，一般操作電器為框架斷路器，保護可釆用框架斷路器自身所配保護?？蚣軘嗦菲骺梢耘渲酶鞣N智能控制器，實(shí)現過(guò)載長(cháng)延時(shí)保護、短路短延時(shí)保護、短路瞬時(shí)保護、電流不平衡（斷相）保護、接地保護、漏電保護、欠壓保護、過(guò)壓保護、過(guò)頻保護、欠頻保護、相序保護、逆功率保護、MCR接通分斷及越限跳閘保護等，而且還可以選擇通信功能與現場(chǎng)總線(xiàn)連接，實(shí)現遙測、遙調、遙控、遙信“四遙”功能，滿(mǎn)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，而且其保護功能是針對配電網(wǎng)絡(luò )，不是電動(dòng)機，過(guò)負荷曲線(xiàn)難以與電動(dòng)機保持一致。
電動(dòng)機保護的微機型保護裝置可以用于以上2種情況。通常功率小于75 kW的低壓電動(dòng)機，釆用智能馬達控制器；功率在75 kW及以上的低壓電動(dòng)機.采用低壓綜合保護測控裝置。兩者并沒(méi)有實(shí)質(zhì)差別，都是基于微處理器和現場(chǎng)總線(xiàn)技術(shù)，采用模塊化設計，內置保護功能。通過(guò)數學(xué)方法建立電動(dòng)機發(fā)熱模型構成的過(guò)負荷保護可以提供多達16種反時(shí)限保護特性曲線(xiàn).可實(shí)現重載啟動(dòng)，而且還可以通過(guò)檢測電動(dòng)機預埋的PTC/NTC熱電阻的阻值實(shí)現電動(dòng)機的溫度保護。同時(shí)，還提供多種測控功能，包括開(kāi)入量遙信釆集，電流、電壓、有功/無(wú)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等多種現場(chǎng)總線(xiàn)協(xié)議，而且還支持電動(dòng)機直接啟動(dòng)、雙向可逆啟動(dòng)、雙速啟動(dòng)、星/角啟動(dòng)等多種電動(dòng)機控制模式。
但是，微機型智能電動(dòng)機保護裝置在應用中也出現了一些問(wèn)題，值得注意。一是智能電動(dòng)機保護裝置的4-20 mA模擬量輸岀也會(huì )隨著(zhù)裝置電源消失而消失，因此參與機組DCS控制邏輯的模擬量由變送器來(lái)實(shí)現，不能使用裝置的模擬量輸出，否則DCS控制邏輯出錯引發(fā)事故。二是接觸器線(xiàn)圈控制回路中的裝置輸出接點(diǎn)多為電平式，但有些廠(chǎng)家的裝置軟件不完善，結果有的在控制電源消失或者母線(xiàn)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)機自啟動(dòng)；有的在控制電源消失或者母線(xiàn)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(kāi)，造成電動(dòng)機無(wú)法自啟動(dòng)。實(shí)際上，應該讓裝置能夠自由設定所保護的電動(dòng)機是否需要自啟動(dòng)，因為大量非重要電動(dòng)機同時(shí)自啟動(dòng)，將會(huì )使廠(chǎng)用電母線(xiàn)電壓嚴重降低，從而導致同段母線(xiàn)的重要電動(dòng)機無(wú)法自啟動(dòng)，而對于I類(lèi)電動(dòng)機等重要電動(dòng)機恰恰需要自啟動(dòng)，以爭取不停機，避免影響生產(chǎn)。
3 安科瑞電動(dòng)機保護器介紹
安科瑞ARD3T智能型電動(dòng)機保護器是一種電機保護與控制的設備，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。產(chǎn)品體積小，結構緊湊，安裝方便，在低壓控制終端柜和1/4模數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)品結構形式，包括主體控制模塊、互感器模塊和顯示模塊，并可根據需要選配其他功能模塊，與接觸器、電動(dòng)機起動(dòng)器等電器元件一起構成電動(dòng)機控制保護單元，保護器具有遠程自動(dòng)控制、現場(chǎng)直接控制、面板指示、信號報警、現場(chǎng)總線(xiàn)通信等功能。用戶(hù)在現場(chǎng)安裝時(shí)，主體控制模塊采用標準導軌方式安裝，顯示模塊采用嵌入式安裝。
ARD3T智能型電動(dòng)機保護器集成了電流互感器，測量功能分為基本測量（電流參數）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(guò)載、堵轉、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(guò)壓、欠壓、欠功率、過(guò)功率、tE時(shí)間等電動(dòng)機綜合保護功能。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(wú)源干節點(diǎn)輸入，信號電源采用內置DC24V電源。5路DO輸出，滿(mǎn)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(guò)通訊總線(xiàn)可實(shí)現遠程主站對電動(dòng)機進(jìn)行實(shí)時(shí)遙控“起/停”操作?？够坞姶_保電動(dòng)機運行不間斷，重起動(dòng)功能在短時(shí)欠壓、失壓時(shí)用于電動(dòng)機分批重起。具有標準的RS-485通訊接口，采用Modbus_RTU、Profibus_DP通訊協(xié)議，保證了上位機通訊的快速可靠。具有DC4-20mA模擬量輸出接口，直接與DCS系統相接，可實(shí)現對現場(chǎng)設備的監控。具有系統時(shí)鐘和20次故障記錄功能，系統時(shí)鐘記錄當前時(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、信號燈、熱繼電器、電量變送器等常規元件，減少了柜內電纜連接及現場(chǎng)施工量，其運行可靠性以及功能綜合性的性?xún)r(jià)比也遠高于傳統方案，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 設備選型
5 總結
從以上分析不難看出，單從功能上講，微機型智能電動(dòng)機 保護裝置是完善的，在簡(jiǎn)化一次回路的基礎上（省 去了傳統的熱繼電器等保護元件，取消了時(shí)間繼電器、中間繼 電器、互感器、電流表、變送器、轉換開(kāi)關(guān)、指示燈等多種二 次分立元件），完成了二次回路的保護、控制、測量、通信等 功能，使二次控制回路變得簡(jiǎn)潔、標準，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(hù)現場(chǎng)調試及維護工作 量。綜合造價(jià)來(lái)考慮，小型發(fā)電廠(chǎng)或者輔助廠(chǎng)房MCC電動(dòng)機， 可以釆用前2種保護方案，而新建的大中型發(fā)電廠(chǎng)釆用微機型 智能電動(dòng)機保護裝置，綜合效益還是可觀(guān)的。并且，隨著(zhù)技術(shù) 的發(fā)展，微機型智能電動(dòng)機保護裝置的功能將更加完善，成本 將更加低廉，應用將更加廣泛。
【參考文獻】
上一篇 : 淺談微機保護在城市泵站改造中的應用
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