【摘要】文章結(jié)合火力發(fā)電廠低壓電動機的保護配置及原理，介紹了低壓電動機保護的3種方案，及其在火力發(fā)電廠中的應(yīng)用情況，指出了微機型智能電動機保護裝置的廣闊應(yīng)用前景。
【關(guān)鍵詞】低壓電動機；保護；熱繼電器；智能電動機保護裝置
據(jù)統(tǒng)計，我國發(fā)電總量的60%消耗在電動機上，而各類風機、水泵、空壓機又占電動機耗電的一半以上。作為機電行業(yè)中主要的動力之一，電動機廣泛應(yīng)用于火力發(fā)電廠、礦產(chǎn)、鋼鐵、冶金、石化等領(lǐng)域，而其中低壓電動機（690 V以下）的數(shù)量是高壓電動機的幾十倍。這些電動機大多數(shù)處于高溫、潮濕、多塵埃的工況下，容易發(fā)生堵轉(zhuǎn)、短路、斷相和長期過負荷運行等故障。因而，電動機的有效保護對其正常運行至關(guān)重要。本文以低壓電動機為例，介紹電動機保護在火力發(fā)電廠中的應(yīng)用。
1 保護配置及原理
根據(jù)《火力發(fā)電廠廠用電設(shè)計技術(shù)規(guī)定》（DUT 5153—2002）,低壓廠用電動機應(yīng)裝設(shè)相間短路保護、單相接地保護（或者單相接地短路保護）、過負荷保護、低電壓保護、斷相保護。
相間短路保護用于防范電動機繞組內(nèi)及引出線上的相間短路故障。發(fā)生相間短路時，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電流判據(jù)構(gòu)成三段式電流保護，包括瞬時電流速斷保護、帶時限電流速斷保護、定時限過電流保護。
單相接地保護用于防范電動機繞組內(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)的中性點接地方式有很大關(guān)系。當?shù)蛪簭S用電系統(tǒng)為中性點經(jīng)高電阻接地時，單相接地的故障電流不會太大，故一般采用零序電壓或者零序電流來實現(xiàn)接地保護。
當?shù)蛪簭S用電系統(tǒng)為中性點直接接地時，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。考慮到保護靈敏性要求，宜另外裝設(shè)一套單相接地短路保護，一般由零序電流保護構(gòu)成。對于55 kW以下的小功率電動機，若相間短路保護能夠滿足單相接地短路的靈敏性時，可由相間短路保護兼作單相接地短路保護。
易過負荷的電動機應(yīng)裝設(shè)過負荷保護。此處的過負荷保護不僅要考慮正常生產(chǎn)過程中是否易于過負荷，還要考慮啟動過程中是否易于過負荷，即那些啟動或自啟動困難、需要防止啟動或自啟動時間過長的電動機也需要裝設(shè)過負荷保護。過負荷保護一般由啟動過程中的啟動時間過長保護、啟動后的反時限過電流保護和堵轉(zhuǎn)保護構(gòu)成。
低電壓保護是為了限制電動機自啟動，而不是保護電動機本身。對于I類電動機，當裝有自動投入的備用機械時或為保證人身和設(shè)備安全，在電源電壓長時間消失后須自動切除時，應(yīng)裝設(shè)9~10s時限的低電壓保護；對于U、ID類電動機，一般為保證接于同段母線上的I類電動機自啟動，宜裝設(shè)0.5 s時限的低電壓保護。另外，對于操作電器為接觸器的電動機回路，由于接觸器的吸持線圈在低電壓時能自動釋放，故不需要另設(shè)低電壓保護。
當電動機由熔斷器作為短路保護時，為防止電動機斷相運行時發(fā)熱燒毀，應(yīng)裝設(shè)斷相保護，由帶斷相保護的熱繼電器或者帶觸點的熔斷器構(gòu)成。
2 保護裝置的選擇
在火力發(fā)電廠中，根據(jù)保護裝置的不同，低壓電動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機過負荷保護及斷相保護。熱繼電器利用負載電流流過經(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在電動機繞組燒壞以前動作。其動作特性為反時限過電流，與電動機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，故電動機的過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故障缺乏有效的保護。
功率在75 kW及以上的低壓電動機，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。框架斷路器可以配置各種智能控制器，實現(xiàn)過載長延時保護、短路短延時保護、短路瞬時保護、電流不平衡（斷相）保護、接地保護、漏電保護、欠壓保護、過壓保護、過頻保護、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(xiàn)場總線連接，實現(xiàn)遙測、遙調(diào)、遙控、遙信“四遙”功能，滿足控制自動化的要求。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)，不是電動機，過負荷曲線難以與電動機保持一致。
電動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的低壓電動機，釆用智能馬達控制器；功率在75 kW及以上的低壓電動機.采用低壓綜合保護測控裝置。兩者并沒有實質(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，內(nèi)置保護功能。通過數(shù)學方法建立電動機發(fā)熱模型構(gòu)成的過負荷保護可以提供多達16種反時限保護特性曲線.可實現(xiàn)重載啟動，而且還可以通過檢測電動機預(yù)埋的PTC/NTC熱電阻的阻值實現(xiàn)電動機的溫度保護。同時，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，而且還支持電動機直接啟動、雙向可逆啟動、雙速啟動、星/角啟動等多種電動機控制模式。
但是，微機型智能電動機保護裝置在應(yīng)用中也出現(xiàn)了一些問題，值得注意。一是智能電動機保護裝置的4-20 mA模擬量輸岀也會隨著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實現(xiàn)，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。二是接觸器線圈控制回路中的裝置輸出接點多為電平式，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，由于裝置輸出接點一直接通，造成電動機自啟動；有的在控制電源消失或者母線失壓之后重新供電時，由于裝置先自檢一遍把輸出接點斷開，造成電動機無法自啟動。實際上，應(yīng)該讓裝置能夠自由設(shè)定所保護的電動機是否需要自啟動，因為大量非重要電動機同時自啟動，將會使廠用電母線電壓嚴重降低，從而導致同段母線的重要電動機無法自啟動，而對于I類電動機等重要電動機恰恰需要自啟動，以爭取不停機，避免影響生產(chǎn)。
3 安科瑞電動機保護器介紹
安科瑞ARD3T智能型電動機保護器是一種電機保護與控制的設(shè)備，適用于額定電壓至AC690V、額定電流至AC800A、額定頻率為50/60Hz的電動機。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、電動機起動器等電器元件一起構(gòu)成電動機控制保護單元，保護器具有遠程自動控制、現(xiàn)場直接控制、面板指示、信號報警、現(xiàn)場總線通信等功能。用戶在現(xiàn)場安裝時，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(shù)）和增選測量（電壓、功率、相序、剩余電流（漏電流）），同時具有起動超時、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時間等電動機綜合保護功能。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無源干節(jié)點輸入，信號電源采用內(nèi)置DC24V電源。5路DO輸出，滿足直接起動，星—三角起動，自耦變壓器起動，軟起動等多種起動方式，通過通訊總線可實現(xiàn)遠程主站對電動機進行實時遙控“起/停”操作。抗晃電確保電動機運行不間斷，重起動功能在短時欠壓、失壓時用于電動機分批重起。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(tǒng)相接，可實現(xiàn)對現(xiàn)場設(shè)備的監(jiān)控。具有系統(tǒng)時鐘和20次故障記錄功能，系統(tǒng)時鐘記錄當前時間（日、時、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(guī)元件，減少了柜內(nèi)電纜連接及現(xiàn)場施工量，其運行可靠性以及功能綜合性的性價比也遠高于傳統(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，微機型智能電動機 保護裝置是完善的，在簡化一次回路的基礎(chǔ)上（省 去了傳統(tǒng)的熱繼電器等保護元件，取消了時間繼電器、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、控制、測量、通信等 功能，使二次控制回路變得簡潔、標準，同時也提高了控制回 路的可靠性和自動化水平，降低了用戶現(xiàn)場調(diào)試及維護工作 量。綜合造價來考慮，小型發(fā)電廠或者輔助廠房MCC電動機， 可以釆用前2種保護方案，而新建的大中型發(fā)電廠釆用微機型 智能電動機保護裝置，綜合效益還是可觀的。并且，隨著技術(shù) 的發(fā)展，微機型智能電動機保護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】
