淺談智能馬達保護器在有色冶金行業(yè)中的應用

摘要：簡(jiǎn)要介紹了熱繼電器、電子式電動(dòng)機保護器和智能電動(dòng)機保護器的優(yōu)缺點(diǎn)，并闡述了智能電動(dòng)機保護器如何正確的選型，重點(diǎn)比較了智能電動(dòng)機保護器保護模式、端子控制模式、全通信模式、半通信模式等幾種常見(jiàn)工作模式，介紹這4種模式適用的實(shí)際情況，最后通過(guò)分析智能電動(dòng)機保護器在工程實(shí)際應用中的常見(jiàn)問(wèn)題，給出了相應解決方法和建議。

關(guān)鍵詞：智能電動(dòng)機保護器；過(guò)載保護；選型；工作模式；保護模式；端子控制模式；全通信模式；半通信模式

前言

   低壓電動(dòng)機作為有色冶煉企業(yè)底層大量使用的設備，其異常運行不僅影響冶煉廠(chǎng)的正常生產(chǎn)，還會(huì )威脅到人的生命安全，因此為電動(dòng)機設置合適而又全面的保護至關(guān)重要。智能電動(dòng)機保護器集保護、遙測、通信、遙控、顯示等功能于一體的電動(dòng)機保護設備，能最大限度保證設備運行的安全可靠性，從而實(shí)現智能化和高精度保護，同時(shí)還能對電動(dòng)機的狀態(tài)進(jìn)行全面監控。

一、電動(dòng)機過(guò)載保護設備的發(fā)展

1.1熱繼電器

   熱繼電器是一種傳統的電動(dòng)機保護裝置，使用不同熱膨脹系數的雙金屬片來(lái)實(shí)現反時(shí)限保護。其特點(diǎn)是結構簡(jiǎn)單、價(jià)格低廉，但也存在穩定性、重性差和保護功能單一等缺點(diǎn)。

1.2電子式電動(dòng)機保護器

   隨著(zhù)電子技術(shù)的不斷發(fā)展，電子式電動(dòng)機保護器應運而生，從最初的模擬電路的固態(tài)繼電器發(fā)展到后來(lái)的數字電路的智能型繼電器，特別是微處理器的發(fā)展，讓電動(dòng)機保護器實(shí)現了測量、保護和控制功能于一體。通過(guò)采集電流、電壓、頻率和熱電阻信號，可以實(shí)現短路、過(guò)載、堵轉、超時(shí)起動(dòng)、接地、缺相或不平衡保護等多種保護功能，并能滿(mǎn)足各種起動(dòng)控制方式。

1.3智能電動(dòng)機保護器

   隨著(zhù)微機通信技術(shù)和網(wǎng)絡(luò )技術(shù)的發(fā)展，智能電動(dòng)機保護器又增加了通信模塊，通過(guò)雙向通信和組網(wǎng)技術(shù)，不僅可以采集數據，在線(xiàn)監視運行狀態(tài)，還能實(shí)現遠程控制。特別是現場(chǎng)總線(xiàn)型網(wǎng)絡(luò )通信的應用，簡(jiǎn)化了網(wǎng)絡(luò )結構，大大減少了控制線(xiàn)纜的使用。

二、智能電動(dòng)機保護器構成和功能

2.1智能電動(dòng)機保護器的構成

   智能電動(dòng)機保護器由主體模塊、顯示模塊兩部分構成。主體模塊包含電源模塊、數字信號處理器、開(kāi)關(guān)量輸入輸出模塊、模擬量采集模塊、通信模塊等；顯示模塊負責顯示運行參數以及保護整定值的設置。

   若主體模塊和顯示模塊合為一體，則稱(chēng)為一體式智能電動(dòng)機保護器；若分開(kāi)，則稱(chēng)為分體式智能電動(dòng)機保護器。部分智能電動(dòng)機保護器的測量模塊也獨立于本體之外。

2.2智能電動(dòng)機保護器的功能

   智能電動(dòng)機保護器通過(guò)微處理器采集并處理電機回路的電流和電壓信號，并根據遙控指令或者就地控制指令確定電機起動(dòng)或停止。雖然不同品牌的產(chǎn)品名稱(chēng)、型號各異，但其核心功能基本都一樣，具體如下:

1)保護功能。包括過(guò)載、斷相、堵轉、啟動(dòng)超時(shí)、單相接地、短路、外部故障、欠電流、欠電壓、過(guò)電壓保護和溫度保護等。

2)測量功能?？蓽y量相電流、相電壓、線(xiàn)電壓、零序電流、有功功率、無(wú)功功率、功率因數、頻率和相位角等。

3)計量功能?？捎嬃坑泄﹄姸群蜔o(wú)功電度。

4)控制功能。具有多路數字量輸出口，可實(shí)現電動(dòng)機的直接起動(dòng)、雙向動(dòng)、雙速啟動(dòng)和星三角降壓?jiǎn)?dòng)等。

5)管理功能。包括電動(dòng)機累計運行時(shí)間記錄，電動(dòng)機累計起動(dòng)次數和起動(dòng)時(shí)間記錄、故障動(dòng)作記錄和電動(dòng)機起動(dòng)報告。

6)信息采集功能。具備多路數字量輸入接口和模擬量輸入接口，可采集電動(dòng)機相關(guān)的各種電氣狀態(tài)數字信號(斷路器狀態(tài)、接觸器狀態(tài)以及控制命令)和電動(dòng)機繞組測溫模擬信號。

7)通信功能?？膳鋫涠喾N通信接口，如Modbus、Profibus-DP、DeviceNet和Ethnet-IP等，可實(shí)現遠程的起、?？刂坪蜖顟B(tài)量的反饋。

三、智能電動(dòng)機保護器的合理選型

   智能電動(dòng)機保護器的選用應該根據安裝地的自然環(huán)境、電磁環(huán)境以及測控保護和控制需求來(lái)確定。

1)安裝位置的環(huán)境條件。主要指溫度、腐蝕度、震動(dòng)度、風(fēng)沙、海拔、電磁污染等。和熱繼電器不同的是，智能電動(dòng)機保護器是一種電子元器件，對環(huán)境的要求相對嚴苛，這一點(diǎn)需要特別注意。

2)控制電壓。根據系統的控制電壓選擇適配的智能電動(dòng)機保護器，部分廠(chǎng)家的電動(dòng)機保護器僅提供24VDC的電源輸入接口。

3)測控保護需求。根據電動(dòng)機的類(lèi)型、特點(diǎn)、功率大小和重要程度，選擇采用哪些測量功能和保護功能。

4)控制需求。根據工藝的操作需求確定控制需求，選擇手動(dòng)、自動(dòng)、就地控制或遠程控制等控制模式以及需要的控制功能和控制點(diǎn)數，繼而確定輸入、輸出端子的數量和功能是否滿(mǎn)足要求。

5)通信需求。根據需求確定是否采用通信的方式進(jìn)行遙控和遙信，進(jìn)一步確定采用何種通信方式。

6)配合柜體的需求。根據不同的柜體，選擇一體式還是分體式的智能電動(dòng)機保護器。一般情況下，固定柜選擇一體式的保護器，抽屜柜選擇分體式的保護器[4]。7)特殊需求。是否要求輸入輸出端子可自由定義功能。

四、智能電動(dòng)機保護器的應用實(shí)例

   在有色冶煉中，根據工藝需求和客戶(hù)需求，智能電動(dòng)機保護器的主要應用模式有保護模式、端子控制模式、全通信模式和半通信模式。

4.1保護模式

   在保護模式下，智能電動(dòng)機保護器只利用其自身的保護功能和測量功能，不參與外部控制，相當于原來(lái)熱繼電器的作用。具體接線(xiàn)如圖1所示。

                                    圖1保護模式接線(xiàn)圖

   這種模式適用于原有系統的改造升級，外部的控制接線(xiàn)修改很小。優(yōu)點(diǎn)在于最大限度減少了因智能電動(dòng)機保護器裝置本身出問(wèn)題或通信出問(wèn)題帶來(lái)的風(fēng)險；缺點(diǎn)是沒(méi)能充分發(fā)揮智能電動(dòng)機保護器的功能，遠程DCS控制線(xiàn)路仍然采用的是硬線(xiàn)。部分比較保守的客戶(hù)由于對通信穩定性和可靠性的不信任，普遍采用這種模式。

4.2端子控制模式

   在端子控制模式下，智能電動(dòng)機保護器通過(guò)自身的開(kāi)關(guān)量輸入端子采集外部控制命令，繼而控制其開(kāi)關(guān)量輸出電動(dòng)機的起、?；蛘崔D等，具體接線(xiàn)如圖2所示。

                                    圖2端子控制模式接線(xiàn)圖

   在該模式下，智能電動(dòng)機保護器具備保護和控制兩個(gè)功能，相比上面的保護模式，優(yōu)勢在于可以充分使用智能電動(dòng)機保護器的控制功能，但和保護模式一樣，其遠程DCS控制線(xiàn)路仍為硬線(xiàn)。

4.3全通信模式

   在全通信模式下，就地控制時(shí)智能電動(dòng)機保護器只起保護作用，不參與控制，相當于保護模式；遠程DCS通過(guò)通信線(xiàn)路控制智能保護器輸出電機起、?；蛘崔D等命令。

   這種模式的優(yōu)勢主要體現在兩個(gè)方面:一是保證了就地控制的獨立性，盡可能規避通信控制帶來(lái)的風(fēng)險，提高了安全系數；二是大大減少了電纜的使用和接線(xiàn)的工作量。

   影響這種模式推廣的關(guān)鍵因素是客戶(hù)對通信的穩定性和可靠性的擔憂(yōu)。實(shí)際應用中，個(gè)別工程出現過(guò)通信不暢、經(jīng)常掉線(xiàn)、易受干擾等問(wèn)題，但基本都是由于通信網(wǎng)絡(luò )方案不合理、施工質(zhì)量不佳以及通信線(xiàn)路和產(chǎn)品質(zhì)量有問(wèn)題等因素導致的，全通信模式本身已經(jīng)很成熟，并不存在大的問(wèn)題，國內外早已大量應用。

4.4半通信模式

   半通信模式的特點(diǎn)是電機的遠程DCS起、?？刂迫匀徊捎糜簿€(xiàn)，只有狀態(tài)信號的上傳走的是通信網(wǎng)絡(luò )，所以稱(chēng)為半通信模式。

   半通信模式介于保護模式和通信模式之間，是一種折中的應用。其應用背景為:客戶(hù)對智能電動(dòng)機保護器信心不足，擔憂(yōu)由于通信不可靠導致電機的起、停不受控制，繼而影響生產(chǎn)或帶來(lái)安全事故，故遠程的控制信號仍然采用硬線(xiàn)方式傳輸。不過(guò)這種模式也為將來(lái)改為全通信模式留出了接口，方便日后升級改造。

   以上僅以普通電機單相運行為例，列出智能電動(dòng)機保護器4種常用的工作模式，每種模式都有其應用的背景和現實(shí)需求，設計人員需要根據工程實(shí)際和需求來(lái)選用合適的工作模式。

五、問(wèn)題和建議

5.1智能電動(dòng)機保護器短路保護的問(wèn)題

   智能電動(dòng)機保護器具有很多種保護功能，短路保護是其中之一。其主要保護邏輯是根據采集的電流進(jìn)線(xiàn)分析和計算，當電流超過(guò)5倍電機額定電流時(shí)，其短路保護出口發(fā)出斷路器跳閘命令。該跳閘命令是通過(guò)斷路器的分勵線(xiàn)圈來(lái)實(shí)現的。這個(gè)邏輯本身沒(méi)有問(wèn)題，問(wèn)題出在智能電動(dòng)機保護器和分勵線(xiàn)圈的工作電源上。一般情況下，該工作電源從電動(dòng)機主回路的某一相上取電，當通信控制模式接線(xiàn)圖外部發(fā)生三相短路時(shí)，母線(xiàn)的各相電壓會(huì )下降，或工作電源所在那一相發(fā)生單相接地短路時(shí)，該相電壓也會(huì )下降。當電壓下降到小于智能電動(dòng)機保護器和分勵脫扣器的正常工作電壓時(shí)，智能電動(dòng)機保護器和分勵線(xiàn)圈均無(wú)法正常工作，短路保護也無(wú)法實(shí)現。其實(shí)電動(dòng)機主回路的斷路器本身就具備很好的短路保護功能，所以智能電動(dòng)機保護器設置短路保護必要性不大。

5.2智能電動(dòng)機保護器測量準確度低的問(wèn)題

   智能電動(dòng)機保護器基本只配備一組三相CT，而保護器的保護功能肯定是重要的，測量和計量功能只是附帶的，因而配置的CT首先要滿(mǎn)足保護功能的需求。保護功能所用CT要求較大的故障電流通過(guò)時(shí)鐵心不能飽和，以便較好地反映一次電流值，所以在正常電流通過(guò)時(shí)，智能電動(dòng)保護器測量的準確度較低。因此，智能電動(dòng)機保護器的計量數據不適合作為企業(yè)的生產(chǎn)成本數據，如果想采集能耗數據，應單設測量CT和計量表。

5.3智能電動(dòng)機保護器和變頻器配合應用易受電

磁干擾的問(wèn)題

   當智能電動(dòng)機保護器與變頻器安裝在同一個(gè)柜內配合使用時(shí)，智能電動(dòng)機保護器會(huì )因為變頻器的電磁干擾出現誤動(dòng)作的情況。某工程中，智能電動(dòng)機保護器作為變頻器的旁路保護電器，正常情況下變頻器工作時(shí)，旁路沒(méi)有電流通過(guò)，但現場(chǎng)卻發(fā)現智能電動(dòng)機保護器不斷發(fā)出漏電故障報警。理論上來(lái)說(shuō)，智能電動(dòng)機保護器的抗電磁干擾能力滿(mǎn)足國家標準要求，不應該出現這種情況，但實(shí)際上這種情況不少。因此建議智能電動(dòng)機保護器和變頻器分柜安裝，盡可能遠離，避免干擾。還有一種接線(xiàn)方式也經(jīng)常用到，就是現場(chǎng)控制箱的按鈕和遠程的起、停信號直接接到智能電動(dòng)機保護器的輸入端子。這種方式的優(yōu)點(diǎn)在于沒(méi)有轉接，接線(xiàn)比較簡(jiǎn)單，但這種接線(xiàn)方式在工程中經(jīng)常出現控制信號的干擾問(wèn)題。而出現這種問(wèn)題的原因在于控制信號電壓的不一致:端子輸入的電壓為24VDC，而輸出口至控制箱信號燈的電壓為220VAC。如果設計者沒(méi)有注意這一點(diǎn)，將至控制箱的所有信號合用一根控制線(xiàn)的話(huà)，高壓干擾低壓的現象就會(huì )出現，導致控制出現異常。避免這種問(wèn)題的方法也很簡(jiǎn)單，只要將這兩種不同電壓的信號用不同的控制電纜分開(kāi)即可。

5.4智能電動(dòng)機保護器安裝在抽屜柜中的通信問(wèn)題

   目前市面上的智能電動(dòng)機保護器采用的通信協(xié)議或接口有很多種，但無(wú)論采用何種協(xié)議或接口，當智能電動(dòng)機保護器安裝在抽屜單元內時(shí)就會(huì )遇到通信電纜的連接問(wèn)題。抽屜單元是可移動(dòng)的，甚至是可移走替換的，它通過(guò)一次插頭和二次插針與外部固定的動(dòng)力電纜和控制電纜連接。由于智能電動(dòng)機保護器安裝在抽屜單元內，它與外部通信總線(xiàn)之間的連接就成了一個(gè)難題。如果和其他控制信號一樣采用二次插針的方式，雖然可以解決連接的問(wèn)題，但由于二次插針裸露，沒(méi)有屏蔽層，無(wú)法保證通信不被干擾。因為通信的可靠性，所以大都采用了通信電纜從柜后直接穿孔進(jìn)入抽屜單元后與智能電動(dòng)機保護器相連的方式。通信電纜在柜后留有余量，當抽屜單元小范圍抽出時(shí)沒(méi)有問(wèn)題，但當抽屜單元都抽出柜體時(shí)，就需要先拔掉連接頭，這種做法犧牲了抽屜單元的一部分便利性。

六、ARD系列電動(dòng)機保護器產(chǎn)品選型介紹

    ARD智能電動(dòng)機保護器適用于額定電壓至660V的低壓電動(dòng)機回路，集保護、測量、控制、通訊、運維于一體。其完善的保護功能確保電動(dòng)機安全運行，帶有邏輯可編程功能，可以滿(mǎn)足多種控制方式。該產(chǎn)品采用分體式結構，由主體、顯示單元、互感器組成，可適應各種柜體的安裝?？蛇x配不同通訊模塊適應現場(chǎng)通訊需求。

6.1功能特點(diǎn)

■支持基波和全波電力參數測量（U、I、P、Q、S、PF、F、EP、EQ），電流及電流不平衡度、電流正序、負序、零序分量、電壓、三相電壓相角、剩余電流。

■保護功能包括過(guò)載反時(shí)限、過(guò)載定時(shí)限、接地、起動(dòng)超時(shí)、漏電、欠載、斷相、堵轉、阻塞、短路、溢出、不平衡(電流、電壓)、過(guò)功率、欠功率、過(guò)壓、欠壓、相序、溫度、tE時(shí)間、外部故障、起動(dòng)次數限制、運行時(shí)間報警、故障次數報警。

■9路可編程DI輸入，默認采用內置DC24V電源，也可選擇外部有源濕接點(diǎn)。

■5路可編程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)，等多種起動(dòng)方式，可通過(guò)通訊總線(xiàn)實(shí)現主站對電動(dòng)機的遙控“起/停"。

■可選抗晃電功能：支持晃電立即再啟動(dòng)、失壓重起動(dòng)。

■可選配MODBUS_RTU通訊、PROFIBUSDP通訊，支持最多2路通訊接口。

■可選配1路DC4-20mA模擬量輸出接口，與DCS系統相接，可實(shí)現對現場(chǎng)設備的監控。

■具有故障記錄、起動(dòng)記錄、停車(chē)記錄、DI變位記錄和再起動(dòng)記錄等各類(lèi)事件記錄。

■顯示界面液晶顯示，支持中/英文切換。

6.2、產(chǎn)品選型

七、結束語(yǔ)

   智能電動(dòng)機保護器替代傳統熱繼電器是大勢所趨，通過(guò)智能電動(dòng)機保護器以總線(xiàn)的通信方式組網(wǎng)實(shí)現工廠(chǎng)低壓電機的遙測、遙控是智能配電和智能工廠(chǎng)的基本需求。智能電動(dòng)機保護器要想得到更好的應用和推廣，還需要工程設計人員和設備廠(chǎng)家密切配合，根據出現的問(wèn)題提出更好的解決方案。

參考文獻：

[1]卞海林.智能電動(dòng)機保護器在有色冶煉行業(yè)中的應用實(shí)踐[J].有色冶金節能,2021,37(6)

[2]安科瑞企業(yè)微電網(wǎng)設計與應用手冊.2022.05版.

[3]GB14048.4-2020低壓開(kāi)關(guān)設備和控制設備第4-1部分：接觸器和電動(dòng)機起動(dòng)器機電式接觸器和電動(dòng)機起動(dòng)器(含電動(dòng)機保護器).

作者介紹：

魏健輝，女，現任職于安科瑞電氣股份有限公司，主要研究方向為電動(dòng)機保護裝置的應用。