任運(yùn)業(yè)

江蘇安科瑞微電網(wǎng)研究院有限公司 江蘇江陰 214432

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

   關(guān)鍵詞：智能電動(dòng)機(jī)保護(hù)器；過載保護(hù)；選型；工作模式；保護(hù)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(jī)作為有色冶煉企業(yè)底層大量使用的設(shè)備，其異常運(yùn)行不僅影響冶煉廠的正常生產(chǎn)，還會(huì)威脅到人的生命安全，因此為電動(dòng)機(jī)設(shè)置合適而又全面的保護(hù)至關(guān)重要。智能電動(dòng)機(jī)保護(hù)器集保護(hù)、遙測、通信、遙控、顯示等功能于一體，是目前功能全面的電動(dòng)機(jī)保護(hù)設(shè)備，能最大限度保證設(shè)備運(yùn)行的安全可靠性，從而實(shí)現(xiàn)智能化和高精度保護(hù)，同時(shí)還能對(duì)電動(dòng)機(jī)的狀態(tài)進(jìn)行全面監(jiān)控。

一、電動(dòng)機(jī)過載保護(hù)設(shè)備的發(fā)展

1.1熱繼電器

   熱繼電器是一種傳統(tǒng)的電動(dòng)機(jī)保護(hù)裝置，使用不同熱膨脹系數(shù)的雙金屬片來實(shí)現(xiàn)反時(shí)限保護(hù)。其特點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡單、價(jià)格低廉，但也存在穩(wěn)定性、重性差和保護(hù)功能單一等缺點(diǎn)。

1.2電子式電動(dòng)機(jī)保護(hù)器

   隨著電子技術(shù)的不斷發(fā)展，電子式電動(dòng)機(jī)保護(hù)器應(yīng)運(yùn)而生，從最初的模擬電路的固態(tài)繼電器發(fā)展到后來的數(shù)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(jī)保護(hù)器實(shí)現(xiàn)了測量、保護(hù)和控制功能于一體。通過采集電流、電壓、頻率和熱電阻信號(hào)，可以實(shí)現(xiàn)短路、過載、堵轉(zhuǎn)、超時(shí)起動(dòng)、接地、缺相或不平衡保護(hù)等多種保護(hù)功能，并能滿足各種起動(dòng)控制方式。

1.3智能電動(dòng)機(jī)保護(hù)器

   隨著微機(jī)通信技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展，智能電動(dòng)機(jī)保護(hù)器又增加了通信模塊，通過雙向通信和組網(wǎng)技術(shù)，不僅可以采集數(shù)據(jù)，在線監(jiān)視運(yùn)行狀態(tài)，還能實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制。特別是現(xiàn)場總線型網(wǎng)絡(luò)通信的應(yīng)用，簡化了網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，大大減少了控制線纜的使用。

二、智能電動(dòng)機(jī)保護(hù)器構(gòu)成和功能

2.1智能電動(dòng)機(jī)保護(hù)器的構(gòu)成

   智能電動(dòng)機(jī)保護(hù)器由主體模塊、顯示模塊兩部分構(gòu)成。主體模塊包含電源模塊、數(shù)字信號(hào)處理器、開關(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(fù)責(zé)顯示運(yùn)行參數(shù)以及保護(hù)整定值的設(shè)置。

   若主體模塊和顯示模塊合為一體，則稱為一體式智能電動(dòng)機(jī)保護(hù)器；若分開，則稱為分體式智能電動(dòng)機(jī)保護(hù)器。部分智能電動(dòng)機(jī)保護(hù)器的測量模塊也獨(dú)立于本體之外。

2.2智能電動(dòng)機(jī)保護(hù)器的功能

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

1)保護(hù)功能。包括過載、斷相、堵轉(zhuǎn)、啟動(dòng)超時(shí)、單相接地、短路、外部故障、欠電流、欠電壓、過電壓保護(hù)和溫度保護(hù)等。

2)測量功能。可測量相電流、相電壓、線電壓、零序電流、有功功率、無功功率、功率因數(shù)、頻率和相位角等。

3)計(jì)量功能。可計(jì)量有功電度和無功電度。

4)控制功能。具有多路數(shù)字量輸出口，可實(shí)現(xiàn)電動(dòng)機(jī)的直接起動(dòng)、雙向動(dòng)、雙速啟動(dòng)和星三角降壓啟動(dòng)等。

5)管理功能。包括電動(dòng)機(jī)累計(jì)運(yùn)行時(shí)間記錄，電動(dòng)機(jī)累計(jì)起動(dòng)次數(shù)和起動(dòng)時(shí)間記錄、故障動(dòng)作記錄和電動(dòng)機(jī)起動(dòng)報(bào)告。

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

7)通信功能。可配備多種通信接口，如Modbus、Profibus-DP、DeviceNet和Ethnet-IP等，可實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程的起、停控制和狀態(tài)量的反饋。

三、智能電動(dòng)機(jī)保護(hù)器的合理選型

   智能電動(dòng)機(jī)保護(hù)器的選用應(yīng)該根據(jù)安裝地的自然環(huán)境、電磁環(huán)境以及測控保護(hù)和控制需求來確定。

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(jī)保護(hù)器是一種電子元器件，對(duì)環(huán)境的要求相對(duì)嚴(yán)苛，這一點(diǎn)需要特別注意。

2)控制電壓。根據(jù)系統(tǒng)的控制電壓選擇適配的智能電動(dòng)機(jī)保護(hù)器，部分廠家的電動(dòng)機(jī)保護(hù)器僅提供24VDC的電源輸入接口。

3)測控保護(hù)需求。根據(jù)電動(dòng)機(jī)的類型、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(hù)功能。

4)控制需求。根據(jù)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(yuǎn)程控制等控制模式以及需要的控制功能和控制點(diǎn)數(shù)，繼而確定輸入、輸出端子的數(shù)量和功能是否滿足要求。

5)通信需求。根據(jù)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(jù)不同的柜體，選擇一體式還是分體式的智能電動(dòng)機(jī)保護(hù)器。一般情況下，固定柜選擇一體式的保護(hù)器，抽屜柜選擇分體式的保護(hù)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(jī)保護(hù)器的應(yīng)用實(shí)例

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

4.1保護(hù)模式

   在保護(hù)模式下，智能電動(dòng)機(jī)保護(hù)器只利用其自身的保護(hù)功能和測量功能，不參與外部控制，相當(dāng)于原來熱繼電器的作用。具體接線如圖1所示。

圖1保護(hù)模式接線圖

   這種模式適用于原有系統(tǒng)的改造升級(jí)，外部的控制接線修改很小。優(yōu)點(diǎn)在于最大限度減少了因智能電動(dòng)機(jī)保護(hù)器裝置本身出問題或通信出問題帶來的風(fēng)險(xiǎn)；缺點(diǎn)是沒能充分發(fā)揮智能電動(dòng)機(jī)保護(hù)器的功能，遠(yuǎn)程DCS控制線路仍然采用的是硬線。部分比較保守的客戶由于對(duì)通信穩(wěn)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(jī)保護(hù)器通過自身的開關(guān)量輸入端子采集外部控制命令，繼而控制其開關(guān)量輸出電動(dòng)機(jī)的起、停或正反轉(zhuǎn)等，具體接線如圖2所示。

圖2端子控制模式接線圖

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

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(jī)保護(hù)器只起保護(hù)作用，不參與控制，相當(dāng)于保護(hù)模式；遠(yuǎn)程DCS通過通信線路控制智能保護(hù)器輸出電機(jī)起、停或正反轉(zhuǎn)等命令。

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

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

4.4半通信模式

   半通信模式的特點(diǎn)是電機(jī)的遠(yuǎn)程DCS起、停控制仍然采用硬線，只有狀態(tài)信號(hào)的上傳走的是通信網(wǎng)絡(luò)，所以稱為半通信模式。

   半通信模式介于保護(hù)模式和通信模式之間，是一種折中的應(yīng)用。其應(yīng)用背景為:客戶對(duì)智能電動(dòng)機(jī)保護(hù)器信心不足，擔(dān)憂由于通信不可靠導(dǎo)致電機(jī)的起、停不受控制，繼而影響生產(chǎn)或帶來安全事故，故遠(yuǎn)程的控制信號(hào)仍然采用硬線方式傳輸。不過這種模式也為將來改為全通信模式留出了接口，方便日后升級(jí)改造。

   以上僅以普通電機(jī)單相運(yùn)行為例，列出智能電動(dòng)機(jī)保護(hù)器4種常用的工作模式，每種模式都有其應(yīng)用的背景和現(xiàn)實(shí)需求，設(shè)計(jì)人員需要根據(jù)工程實(shí)際和需求來選用合適的工作模式。

五、問題和建議

5.1智能電動(dòng)機(jī)保護(hù)器短路保護(hù)的問題

   智能電動(dòng)機(jī)保護(hù)器具有很多種保護(hù)功能，短路保護(hù)是其中之一。其主要保護(hù)邏輯是根據(jù)采集的電流進(jìn)線分析和計(jì)算，當(dāng)電流超過5倍電機(jī)額定電流時(shí)，其短路保護(hù)出口發(fā)出斷路器跳閘命令。該跳閘命令是通過斷路器的分勵(lì)線圈來實(shí)現(xiàn)的。這個(gè)邏輯本身沒有問題，問題出在智能電動(dòng)機(jī)保護(hù)器和分勵(lì)線圈的工作電源上。一般情況下，該工作電源從電動(dòng)機(jī)主回路的某一相上取電，當(dāng)通信控制模式接線圖外部發(fā)生三相短路時(shí)，母線的各相電壓會(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(dāng)電壓下降到小于智能電動(dòng)機(jī)保護(hù)器和分勵(lì)脫扣器的正常工作電壓時(shí)，智能電動(dòng)機(jī)保護(hù)器和分勵(lì)線圈均無法正常工作，短路保護(hù)也無法實(shí)現(xiàn)。其實(shí)電動(dòng)機(jī)主回路的斷路器本身就具備很好的短路保護(hù)功能，所以智能電動(dòng)機(jī)保護(hù)器設(shè)置短路保護(hù)必要性不大。

5.2智能電動(dòng)機(jī)保護(hù)器測量準(zhǔn)確度低的問題

   智能電動(dòng)機(jī)保護(hù)器基本只配備一組三相CT，而保護(hù)器的保護(hù)功能肯定是首要的，測量和計(jì)量功能只是附帶的，因而配置的CT首先要滿足保護(hù)功能的需求。保護(hù)功能所用CT要求較大的故障電流通過時(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時(shí)，智能電動(dòng)保護(hù)器測量的準(zhǔn)確度較低。因此，智能電動(dòng)機(jī)保護(hù)器的計(jì)量數(shù)據(jù)不適合作為企業(yè)的生產(chǎn)成本數(shù)據(jù)，如果想采集能耗數(shù)據(jù)，應(yīng)單設(shè)測量CT和計(jì)量表。

5.3智能電動(dòng)機(jī)保護(hù)器和變頻器配合應(yīng)用易受電

磁干擾的問題

   當(dāng)智能電動(dòng)機(jī)保護(hù)器與變頻器安裝在同一個(gè)柜內(nèi)配合使用時(shí)，智能電動(dòng)機(jī)保護(hù)器會(huì)因?yàn)樽冾l器的電磁干擾出現(xiàn)誤動(dòng)作的情況。某工程中，智能電動(dòng)機(jī)保護(hù)器作為變頻器的旁路保護(hù)電器，正常情況下變頻器工作時(shí)，旁路沒有電流通過，但現(xiàn)場卻發(fā)現(xiàn)智能電動(dòng)機(jī)保護(hù)器不斷發(fā)出漏電故障報(bào)警。理論上來說，智能電動(dòng)機(jī)保護(hù)器的抗電磁干擾能力滿足國家標(biāo)準(zhǔn)要求，不應(yīng)該出現(xiàn)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(jī)保護(hù)器和變頻器分柜安裝，盡可能遠(yuǎn)離，避免干擾。還有一種接線方式也經(jīng)常用到，就是現(xiàn)場控制箱的按鈕和遠(yuǎn)程的起、停信號(hào)直接接到智能電動(dòng)機(jī)保護(hù)器的輸入端子。這種方式的優(yōu)點(diǎn)在于沒有轉(zhuǎn)接，接線比較簡單，但這種接線方式在工程中經(jīng)常出現(xiàn)控制信號(hào)的干擾問題。而出現(xiàn)這種問題的原因在于控制信號(hào)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(hào)燈的電壓為220VAC。如果設(shè)計(jì)者沒有注意這一點(diǎn)，將至控制箱的所有信號(hào)合用一根控制線的話，高壓干擾低壓的現(xiàn)象就會(huì)出現(xiàn)，導(dǎo)致控制出現(xiàn)異常。避免這種問題的方法也很簡單，只要將這兩種不同電壓的信號(hào)用不同的控制電纜分開即可。

5.4智能電動(dòng)機(jī)保護(hù)器安裝在抽屜柜中的通信問題

   目前市面上的智能電動(dòng)機(jī)保護(hù)器采用的通信協(xié)議或接口有很多種，但無論采用何種協(xié)議或接口，當(dāng)智能電動(dòng)機(jī)保護(hù)器安裝在抽屜單元內(nèi)時(shí)就會(huì)遇到通信電纜的連接問題。抽屜單元是可移動(dòng)的，甚至是可移走替換的，它通過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(jī)保護(hù)器安裝在抽屜單元內(nèi)，它與外部通信總線之間的連接就成了一個(gè)難題。如果和其他控制信號(hào)一樣采用二次插針的方式，雖然可以解決連接的問題，但由于二次插針裸露，沒有屏蔽層，無法保證通信不被干擾。通信的可靠性是重要的，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(jī)保護(hù)器相連的方式。通信電纜在柜后留有余量，當(dāng)抽屜單元小范圍抽出時(shí)沒有問題，但當(dāng)抽屜單元抽出柜體時(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(jī)保護(hù)器產(chǎn)品選型介紹

          ARD智能電動(dòng)機(jī)保護(hù)器適用于額定電壓至660V的低壓電動(dòng)機(jī)回路，集保護(hù)、測量、控制、通訊、運(yùn)維于一體。其完善的保護(hù)功能確保電動(dòng)機(jī)安全運(yùn)行，帶有邏輯可編程功能，可以滿足多種控制方式。該產(chǎn)品采用分體式結(jié)構(gòu)，由主體、顯示單元、互感器組成，可適應(yīng)各種柜體的安裝。可選配不同通訊模塊適應(yīng)現(xiàn)場通訊需求。

6.1功能特點(diǎn)

■支持基波和全波電力參數(shù)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(fù)序、零序分量、電壓、三相電壓相角、剩余電流。

■保護(hù)功能包括過載反時(shí)限、過載定時(shí)限、接地、起動(dòng)超時(shí)、漏電、欠載、斷相、堵轉(zhuǎn)、阻塞、短路、溢出、不平衡(電流、電壓)、過功率、欠功率、過壓、欠壓、相序、溫度、tE時(shí)間、外部故障、起動(dòng)次數(shù)限制、運(yùn)行時(shí)間報(bào)警、故障次數(shù)報(bào)警。

■9路可編程DI輸入，默認(rèn)采用內(nèi)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，可通過通訊總線實(shí)現(xiàn)主站對(duì)電動(dòng)機(jī)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(tǒng)相接，可實(shí)現(xiàn)對(duì)現(xiàn)場設(shè)備的監(jiān)控。

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

■顯示界面液晶顯示，支持中/英文切換。

6.2、產(chǎn)品選型

七、結(jié)束語

   智能電動(dòng)機(jī)保護(hù)器替代傳統(tǒng)熱繼電器是大勢所趨，通過智能電動(dòng)機(jī)保護(hù)器以總線的通信方式組網(wǎng)實(shí)現(xiàn)工廠低壓電機(jī)的遙測、遙控是智能配電和智能工廠的基本需求。智能電動(dòng)機(jī)保護(hù)器要想得到更好的應(yīng)用和推廣，還需要工程設(shè)計(jì)人員和設(shè)備廠家密切配合，根據(jù)出現(xiàn)的問題提出更好的解決方案。

參考文獻(xiàn)：

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[3]GB14048.4-2020低壓開關(guān)設(shè)備和控制設(shè)備第4-1部分：接觸器和電動(dòng)機(jī)起動(dòng)器機(jī)電式接觸器和電動(dòng)機(jī)起動(dòng)器(含電動(dòng)機(jī)保護(hù)器).

作者介紹：

任運(yùn)業(yè)，男，現(xiàn)任職于江蘇安科瑞微電網(wǎng)研究院有限公司，主要研究方向?yàn)殡妱?dòng)機(jī)保護(hù)裝置的應(yīng)用。