摘 要：簡要分析了電動機保護與控制的特征及關鍵技術，介紹了一種集測量、診斷、保護、控制和總線通信于一體的智能型電動機保護裝置及其在智能變配電網絡中的應用
關鍵詞:電動機；保護與控制；智能
0 引言
計算機技術、通信技術和微電子技術的迅速發(fā)展、互相滲透與有機結合，使信息技術得到了高速發(fā)展，并將人類社會帶進信息社會。2003年，美國電科院首先提出《智能電網研究框架》后，隨之掀起了一股智能電網熱潮。2009年3月，國家電網公司提出了“建設堅強智能電網”，拉開了中國智能電網建設的序幕。
1 智能變配電系統(tǒng)介紹
1.1 智能電網
智能電網的研究依然處于起始階段，至今還沒有一個統(tǒng)一的定義。目前，初步形成的智能電網的基本概念是：以物理電網為基礎，將的傳感測量技術、通信技術、信息技術、計算機技術、控制技術和決策支持系統(tǒng)技術與物理電網高度集成而形成的新型電網，其目標在于使電網更加安全、可靠、經濟與環(huán)保。智能電網的總體特征如圖1所示。
圖1 智能電網總體特征
智能電網建設將帶動信息化平臺、調度自動化系統(tǒng)、電網穩(wěn)定控制系統(tǒng)、柔性交流輸電、變電站自動化系統(tǒng)、微機綜合繼電保護系統(tǒng)、配電自動化系統(tǒng)、用電管理采集系統(tǒng)和智能電器的市場需求。
1.2 智能變配電系統(tǒng)
80%以上的電能是通過用戶端配電網絡傳輸?shù)接脩舨⒃诮K端用電設備上消耗的，變配電網絡是構建堅強智能電網的重要組成部分，這就對配電系統(tǒng)運行的可靠性及其智能化管理提出了更高的要求。利用現(xiàn)代電子技術、傳感器技術、通信技術、計算機及網絡技術，將電力設備正常及事故情況下監(jiān)測、保護、控制、電力計量同工廠集散控制系統(tǒng)DCS、PLC、企業(yè)資源計劃管理融合一起，達到高層次、高透明度良好管理，已成為一種必然趨勢和發(fā)展方向。智能變配電系統(tǒng)的概念應運而生。
智能變配電系統(tǒng)由具有通信功能的智能化元件經數(shù)字通信與計算機系統(tǒng)網絡連接，實現(xiàn)變電站設備運行管理的自動化、智能化?？蓪崿F(xiàn)數(shù)據的實時采集、數(shù)字通信、遠程操作與程序控制、保護定值管理、事件記錄與告警、故障分析、各類報表及設備維護信息管理等功能。其基本構架如圖2所示。由于現(xiàn)場總線技術的應用，系統(tǒng)中智能化元件可不依賴計算機網絡而獨立運行，提高系統(tǒng)運行的實時性和可靠性，滿足電氣設備運行管理的需要及工廠生產過程控制的要求。
圖2 智能變配電網絡典型架構
2 電動機保護裝置概況及分析
在現(xiàn)代工業(yè)中，電動機作為一種拖動機械，成為所有動力機械的基礎。電機的廣泛應用，使電機（包括各種發(fā)電機和各類電機）保護控制裝置已滲透所有發(fā)電、供電、用電系統(tǒng)等領域，是智能電網用戶端的重要組成部分。近年來，我國電力建設正以超常速度發(fā)展，有資料顯示，從2005年至今，我國每年新增發(fā)電機裝機容量保持在9 000萬kW以上，至2008年我國發(fā)電機容量已達到7.925億kW。預測2015年為12.80億kW。然而，惡劣的使用環(huán)境和復雜的工況條件以及多變的供電狀態(tài)，使電動機容易發(fā)生故障。據不*統(tǒng)計全國每年僅因電動機燒毀所消耗的電量就達數(shù)千萬kW·h，電動機燒毀的數(shù)量達20萬臺次以上，容量約0.4億kW，因維修損耗的電磁線約5 000萬kg，修理費達20億元，而因停工停產所造成的損失更是一個無法估量的巨大數(shù)目。因此，超前、準確、及時地判斷電動機的故障，并對電動機進行相應的保護，具有節(jié)能顯著、提高生產效率和經濟效益及保證安全生產的重要意義。電動機保護裝置成為節(jié)能降耗和自動化保護控制系統(tǒng)*的重要裝置，在國民經濟和節(jié)約能源事業(yè)中有著不可替代的重要地位和作用。
2.1 電動機保護現(xiàn)狀
目前，我國電機保護控制技術水平與國家相比還有一定差距，主要體現(xiàn)在技術含量低、品種和功能少、參數(shù)精度低、生產工藝落后、產品未形成系列化，普及應用程度低等方面。因此，盡快提高我國電機保護控制科技水平已刻不容緩。隨著微電子技術與微處理器技術的發(fā)展以及現(xiàn)代控制理論的應用，電動機保護器正朝著智能化、綜合化、高精度、高可靠性方向發(fā)展。
我國的電動機保護裝置經歷了仿蘇、自行設計、更新?lián)Q代、引進技術、智能化發(fā)展等幾個階段。從機械式的雙金屬熱繼電器發(fā)展到雙金屬溫度開關和電子式保護控制等。值得一提的是近年來微處理器技術的發(fā)展，給電動機保護器向智能化、多功能化方向發(fā)展提供了硬件平臺，使得電機保護進入了一個飛速發(fā)展的階段。
2.2 電動機保護裝置的發(fā)展
傳統(tǒng)電動機保護裝置的檢測和保護功能多由熱繼電器和電磁元件完成，其保護靈敏度低、動作時間誤差大、保護精度低、整定困難，已經難以滿足人們對電動機保護可靠性越來越高的要求。隨著科學技術的不斷進步和工藝控制的不斷完善，尤其是自動化生產的要求，迫切需要開發(fā)和完善電動機的調速、控制和保護設備，從而實現(xiàn)對生產過程和大型機械的遙控、遙測、遙調、故障診斷以及集中控制等功能。近年來，電動機保護控制理論研究和新技術應用等方面都取得了突破。
新理論的研究：通過故障建模和仿真計算，并引入序分量、諧波分量、阻抗量、相位量、突破量等多種對電機故障敏感的檢測量作判據和小波分析、神經網絡等技術進入電機保護控制領域，不但大大提高了保護控制裝置的靈感度和精度，而且對輕微故障的監(jiān)測和保護方面的理論研究都取得了突破性進展。新技術的應用：利用新的理論和各種傳感器（包括紅外線、高頻電磁波、振動、位移、電、熱、機械、光聲等）對電動機運行進行實時監(jiān)測，通過計算機進行判斷、分類、確定故障類型和嚴重程度，實現(xiàn)各種電動機的保護控制功能。
3 電動機保護原理
電動機保護器是為了防止非正常情況損壞電動機而設計的電動機保護裝置。主要用于操作電動機控制回路中的接觸器，通過輸出繼電器控制交流接觸器以起動電動機和將電動機加速到額定轉速，保證電動機連續(xù)運行，對電動機及其有關電路的過載等多種非正常運行情況引起的危害予以保護，以及切斷電動機的電源。
3.1 電動機故障分析
電動機的故障種類可分為外部故障和內部故障，其故障形式主要為繞組損壞和軸承損壞兩方面。常規(guī)的外部故障保護無論從理論上還是從診斷與保護的實現(xiàn)方法上都相對完善。對稱故障主要包括過載、堵轉等，這類故障對電動機的影響主要是電流變大而引起的熱效應的積聚。電動機發(fā)生不對稱故障時，通常不會發(fā)生顯著的過流現(xiàn)象，過負荷保護不能及時動作。這類故障包括斷相、不平衡運行、接地故障等。會導致電動機端部發(fā)熱、轉子振動、減小起動力矩等一系列問題。
3.2 電動機常規(guī)保護
國內關于電動機保護一般采用熱繼電器或電磁式的過電流保護，大型電動機會配置零序電流保護，個別的還會采用差動保護。過電流保護的原理主要是以定子電流幅值的增加作為故障判據，根據對稱分量原理，這種方式只能反應對稱故障，而對斷相、接地、不平衡運行等不對稱故障不能及時有效的保護。常規(guī)過電流保護不能有效保護不對稱故障的原因主要有兩個方面：一是各種不對稱故障發(fā)生時不一定出現(xiàn)明顯的過電流；二是不對稱故障對電動機的危害不僅僅表現(xiàn)在過流引起的過熱效應，更主要的是負序電流效應。雖然電動機常規(guī)保護方式存在許多嚴重缺陷，但目前仍是電動機保護的主體。
3.3 基于對稱向量法的電動機保護
根據對稱分量原理，電動機在發(fā)生不對稱故障時，其定子電流可以分解為正序、負序和零序分量，其中正序分量可以反映電動機過流程度，負序分量和零序分量在電動機正常運行時沒有或很小。因此利用電流中的負序和零序分量的檢測來鑒別各類不對稱故障具有很高的靈敏度和可靠性。電動機常見故障信息分析結果見表1。
表1 電動機常見故障特征分布
根據以上分析可知，若以過流信息發(fā)映對稱故障，以負序和零序電流反映各類不對稱故障，可構成對電動機的保護。
3.4 過負荷保護
電動機長時間過負荷或短時間連續(xù)續(xù)起動而造成電動機過熱，絕緣老化，是損壞電動機的常見原因。電動機的過負荷會導致過熱，但在低倍過負荷情況下又允許運行一定時間，所以電動機的過負荷保護特性是反時限特性。電動機過負荷的過程就是電動機的熱累積過程，其根本的判斷依據是電機繞組溫度是否超過其絕緣等級溫度。
電動機發(fā)熱和散熱過程比較復雜，它與固定損耗及可變損耗等多種因素有關。根據對電動機發(fā)熱過程的分析，其熱態(tài)平衡微分方程為：
由上式解得，在初始條件下，
電動機在某一時刻的溫升由下式決定：
式2表明，熱過渡過程包括兩個分量，一個是強制分量 ，它是過渡過程結束時的溫態(tài)值，另一個是自由分量 ，它按指數(shù)規(guī)律衰減至零。電動機過負荷情況下的熱累積過程，應采用模擬電動機發(fā)熱曲線的方法，并針對不同的脫扣級別采用不同的發(fā)熱曲線。以RMD2電動機保護器為例，針對過負荷保護，RMD2共提供16條過負荷曲線，與不同啟動時間的負載類型相對應。
3.5 其他保護
由于供電狀態(tài)的多變性，系統(tǒng)電源電壓很難保證恒定，容易出現(xiàn)電壓瞬間跌落等非正常情況。如果電動機在系統(tǒng)電壓低于額定電壓一定程度時啟動，則難以提升到額定轉速。當電源電壓降低或短時中斷時，一些不允許或不需要自起動的電動機，須從電力網中斷開。另一方面，如果電動機帶負載運行時，電源電壓升高，則電動機電流降低，但鐵損和銅損變大，會引起電動機溫度上升。因此，針對電源電壓的變化，可以配置電壓保護。
另外，當電動機發(fā)生短路故障時，會引起母線電壓瞬間大幅度下降，此時電動機轉子的轉速一時無法降低，電動機將轉為發(fā)電制動狀態(tài)，向短路點送出逆功率，從而對系統(tǒng)造成危害。針對這種情況，可采用逆功率保護，當檢測到送往電動機的功率方向與正常情況相反時，逆功率保護起動。其他諸如溫度保護等，和電流保護、電壓保護以及逆功率保護一起構成了智能型微機綜合保護方案。
4 智能型電動機保護裝置
智能型電動機保護裝置主要以單片機作為控制器，可實現(xiàn)電動機的智能化綜合保護，有的還具有遠程通訊功能，可在PC機上對多臺聯(lián)網的電動機實行在線綜合監(jiān)視與控制。在這里以RMD2系列電動機保護器為例，簡要敘述一下智能電動機保護裝置的功能特點與構成。產品外形如圖3所示。
圖3 RMD2電動機保護器
RMD2系列電動機保護器是采用微電子技術、微處理器技術和現(xiàn)代控制理論研發(fā)的高技術產品。它使用DSP作為核心控制單元，從根本上改變了傳統(tǒng)電動機保護裝置的缺點，能迅速采集處理電動機的各種故障信號，為電動機的正常運行帶來了可靠的保障。RMD2提供的RS-485硬件通信接口，可使多達32臺從機裝置在同一通信信道上連接起來，與各種遠端的計算機、可編程控制器以及分散控制系統(tǒng)之間進行通信，達到了集中監(jiān)測保護控制的目的。RMD2是一種具有多種保護與控制功能于一體的高性能集中檢測控制保護裝置，可實現(xiàn)對電動機的智能綜合保護，也是傳統(tǒng)電動機保護裝置的理想換代產品。
4.1 系統(tǒng)構成
在本系統(tǒng)中，接觸器CJ1作為電動機的開斷裝置，接觸器的吸合與釋放由可編程的繼電器觸點輸出單元控制。電流信號取樣于套在母線上的電流互感器的二次輸出，經過信號采樣調理電路濾波、保持處理后送入模數(shù)轉換器轉換為數(shù)字信號，微處理器對采樣所得的信號離散序列進行真有效值計算，通過邏輯運算與處理得到所需的電流信號值，并與預先存儲在數(shù)據存儲單元內的整定值進行比較，一旦檢測到故障狀態(tài)，微處理器觸發(fā)功率電路，驅動繼電器輸出單元使接觸器釋放，斷開電動機電源，保護電動機在異常狀態(tài)下運行引起的危害，系統(tǒng)構成見圖4。
圖4 系統(tǒng)構成原理
4.2 功能特點
4.2.1 核心控制單元
RMD2系列電動機保護器采用高性能數(shù)字信號處理芯片DSP作為核心控制單元，實現(xiàn)了傳統(tǒng)電動機保護裝置不能實現(xiàn)的保護控制功能，大大提高了保護控制裝置的靈敏度和精度，而且對輕微故障的監(jiān)測和保護特性的完善都取得了突破性進展，實現(xiàn)了集多種保護與控制于一體的全保護。RMD2利用DSP微處理器在數(shù)字信號處理方面的優(yōu)勢，采用數(shù)字信號濾波器（FIR）對采樣信號進行軟件非線性校正，在采樣和保護精度方面有了質的飛躍，降低了被測信號波形畸變帶來的影響，實現(xiàn)了高精度采樣。在保護特性整定方面采用數(shù)字整定，通過鍵盤由用戶在現(xiàn)場自行整定，消除了調整誤差。微電子技術與微處理器技術的合理應用，改善了傳統(tǒng)電動機保護裝置存在的重復性能差、大電流過載或短路故障后不能再次使用、調整誤差大、易受環(huán)境溫度的影響誤動或拒動、功耗大、耗材多、性能指標落后等缺陷。
4.2.2 控制功能
RMD2系列電動機保護器通過不同的接線方式與外部接觸器連接，實現(xiàn)了傳統(tǒng)起動方式：星/三角起動、自耦變壓器（電抗器）減壓起動。其邏輯時序由保護器本身完成，降低了用戶自行接線的難度，取消中間繼電器和延時繼電器，節(jié)省了傳統(tǒng)起動方式的成本。另外，根據用戶不同的控制需求，RMD2還可實現(xiàn)直接（全壓）起動，可逆（雙向）控制，雙速（變速）控制，軟起動器配合起動，變頻器配合起動等多種操作控制功能。
4.2.3 保護特性
RMD2系列電動機保護器具有完善的保護功能，可對電動機在起動、運行過程中發(fā)生的過載、相短路、堵轉、阻塞、欠電流、缺相、三相不平衡、接地故障、漏電、欠電壓、過電壓、欠功率、逆相、起動超時、外部故障、過熱等非正常運行情況產生的危害進行保護，在故障前進行報警，故障發(fā)生后記錄故障原因、故障數(shù)據、故障發(fā)生時間等信息用于日常維護。還具有電流電壓顯示、時間控制、軟件自診斷、來電自恢復、上電自起動、自鎖和遠程報警等功能。是相同硬件條件下集多種功能與一體的綜合控制保護器。
4.2.4 總線通信
RMD2系列電動機保護器實現(xiàn)了Modbus-RTU串行通信標準的一個子集。許多流行的可編程控制器直接使用一個合適的接口卡來支持Modbus規(guī)約即可直接和RMD2相聯(lián)。RMD2選擇2根線的RS-485硬件接口作為串行通訊接口，在這種結構中多達32個RMD2在同一通信信道上通過標準屏蔽雙絞線連接起來與各種遠端的計算機、可編程控制器以及分散控制系統(tǒng)之間進行通信，對有關的運行參數(shù)及保護類別進行顯示、打印、同時可對每臺保護裝置的保護參數(shù)進行修改，還可以對電機直接控制，實現(xiàn)了集中監(jiān)測保護控制的目的。此外，RMD2還提供了4～20mA和0～10V模擬量輸出功能，以及多達9路光隔離輸入和6路繼電器觸點輸出。
4.2.5 模塊化結構
RMD2系列采用模塊化結構設計，其附加功能模塊包括顯示操作模塊、電壓功能模塊、漏電保護模塊、溫度檢測模塊、熱調節(jié)器模塊、電壓模擬量輸出模塊、電流模擬量輸出模塊、通訊模塊可拆卸，根據用戶的需求進行安裝，可進行多種功能的自由組合。
5 電動機保護裝置的應用
RMD2系列電動機保護器覆蓋了額定電流800A及以下的電動機，可廣泛應用于各行業(yè)的交流電動機的保護，是發(fā)電、供電、用電系統(tǒng)的重要組成部分。RMD2系列電動機保護器被用作控制設備，在發(fā)生故障時驅動繼電器輸出，使接觸器或斷路器斷開，見圖5。除保護電動機之外，還有保護相關機械設備的特性，可以在故障發(fā)生之前報警，在故障發(fā)生之后記錄故障信息，以便分析原因并進行日常維護。
圖5 保護器的應用示意
5.1 典型應用
(1) 電動機基本電氣保護；
(2) 泵的機械式保護：利用低電流特性來檢測吸力的消失或排氣閥的關閉；
(3) 風扇的機械式保護及人身安全：利用低電流特性來檢測礦道氣流的減少或蒸汽發(fā)生鍋爐氣流量的降低；
(4) 壓縮電動機的電氣保護：用起動定時器來斷開回路防止過度超時運行；
(5) 傳動裝置、泵、風扇、切割機及壓縮機的機械式保護：利用機械阻塞跳閘特性來反應機械阻塞故障；
(6) 保證危險情況的人身安全：利用接地故障特性來檢測繞組短路及由礦內濕度引起的漏電流；
(7) 利用熱記憶鎖定功能防止操作員誤操作電動機和設備。
5.2 組網應用
電動機保護裝置與配電產品的應用有著相同的比重，在實現(xiàn)組網的工作中它們是密不可分的。目前，集散控制系統(tǒng)在工礦企業(yè)中得到了廣泛的應用，但是對電氣系統(tǒng)考慮較少，主要表現(xiàn)為：電氣系統(tǒng)主要的保護、安全自動裝置基本獨立運行；與DCS 系統(tǒng)間通過硬接線方式進行有限的控制和信號交換；電氣系統(tǒng)的控制基本上采用常規(guī)控制手段；電氣系統(tǒng)的測量、保護動作、定值整定、事故追憶、電量報表等電氣運行參數(shù)在DCS系統(tǒng)無法完整反應。
智能電網建設首先要求用戶端提高電氣系統(tǒng)自動化水平，包括從電力變壓器到用電設備之間，對電能進行傳輸、分配、控制、保護和管理的所有設備實現(xiàn)智能化，從而構成統(tǒng)一、協(xié)調、互動的智能變配電網絡。在這里以RMD2系列電動機保護器為例，說明電動機保護裝置在智能變配電網絡中的應用，如圖6所示。
圖6 在智能電網中的典型應用
6 安科瑞智能電動機保護器介紹
6.1產品介紹
智能電動機保護器(以下簡稱保護器)，采用單片機技術，具有抗干擾能力強、工作穩(wěn)定可靠、數(shù)字化、智能化、網絡化等特點。保護器能對電動機運行過程中出現(xiàn)的過載、斷相、不平衡、欠載、接地/漏電、堵轉、阻塞、外部故障等多種情況進行保護，并設有SOE故障事件記錄功能，方便現(xiàn)場維護人員查找故障原因。適用于煤礦、石化、冶煉、電力、以及民用建筑等領域。本保護器具有RS485遠程通訊接口，DC4-20mA模擬量輸出，方便與PLC、PC等控制機組成網絡系統(tǒng)。實現(xiàn)電動機運行的遠程監(jiān)控。
6.2技術參數(shù)
6.2.1數(shù)字式電動機保護器
技術參數(shù) | 技術指標 |
ARD2(L) | ARD2F | ARD3 |
輔助電源 | 電壓 | AC85V~265V/DC100V~350V |
功耗 | ≤7VA | ≤15VA |
額定工作電壓 | AC380V/AC660V，50Hz/60Hz |
額定工作電流 | 1A（0.1～9999） |
5A（0.1～9999） |
1.6A（0.4A～1.6A） |
6.3A（1.6A～6.3A） |
25A（6.3A～25A） |
100A（25A～100A） |
250A（63A～250A） |
800A（250A～800A） |
繼電器輸出觸點容量 | AC250V/ 3A；DC30V/ 3A | AC250V/ 6A |
開關量輸入 | 2路 | 9路 |
環(huán)境 | 工作溫度：-10ºC～55ºC |
貯存溫度：-20ºC～65ºC |
相對濕度：5﹪～95﹪不結露 |
海拔高度：≤ 2000m |
污染等級 | 2 |
防護等級 | IP20 | 主體IP20,顯示單元IP45 |
安裝類別 | III級 |
6.2.2模塊式電動機保護器
技術參數(shù) | 技術指標 |
ARD3T輔助電源 | AC/DC 110 / 220V或AC 380V，功耗≤15VA |
電機額定工作電壓 | AC 380V / 660V，50Hz / 60Hz |
電動機額定工作電流 | 1.6（0.40A-2.00A） | 使用測量模塊測量 |
6.3（1.6A-6.3A） |
25（6.3A-25A） |
100（25A-100A） |
250（63A-250A） | 采用外置電流互感器 + 測量模塊 |
800（250A-800A） |
漏電 | 50mA-1A | 采用測量模塊 + 漏電流互感器 |
3A-30A |
繼電器輸出觸點容量 | 阻性負載 | AC250V、6A；DC24V、6A |
感性負載 | AC250V、2A；DC24V、2A |
主體開關量輸入、輸出 | 4DI、4DO，DI可以為干節(jié)點或濕節(jié)點 |
開關量模塊 | 4DI、3DO，DI可以為干節(jié)點或濕節(jié)點 |
溫度模塊 | 外接傳感器類型：PT100、PT1000、Cu50、PTC、NTC 傳感器路數(shù)：3路 傳感器對應測量范圍： PT100/PT1000：-50°C～+500°C Cu50：-50°C～+150°C PTC/NTC：100Ω～30kΩ |
模擬量模塊 | 可實現(xiàn)：2路4～20mA輸入測量，2路4～20mA變送輸出4～20mA輸入測量精度±0.5% 4～20mA輸出帶載能力為≤500Ω |
主體通訊 | RS485：Modbus-RTU |
通訊模塊 | RS485：雙Modbus-RTU、Profibus |
環(huán)境 | 工作溫度 | -10ºC～55ºC |
貯存溫度 | -25ºC～65ºC |
相對濕度 | ≤95﹪不結露，無腐蝕性氣體 |
海拔 | ≤2000m |
污染等級 | 3級 |
防護等級 | 主體IP20，分體顯示模塊IP45（安裝在柜體上） |
安裝類別 | III級 |
6.3 產品選型
說明：“√”表示具備，“■”表示可選。
7 結語
與傳統(tǒng)電動機保護裝置相比，數(shù)字式、智能型、多功能化的電動機綜合保護器以其技術指標的*優(yōu)勢逐漸成為電動機保護的選擇。在目前電力工業(yè)良好發(fā)展、國家重視智能電網建設工作以及節(jié)能環(huán)保勢在必行的背景之下，集監(jiān)測、保護、控制和總線通信功能于一體的智能型綜合保護控制裝置，必將成為廣泛應用領域內的電動機及設備保護的理想選擇
參考文獻
[1] 李海兵 ．電動機保護裝置及其在智能變配電網絡中的應用
[2]安科瑞企業(yè)微電網設計與應用手冊.2020.06版
