王子锋
【摘要】文章结合火力发电厂低压电动机的保护配置及原理，介绍了低压电动机保护的3种方案，及其在火力发电厂中的应用情况，指出了微机型智能电动机保护装置的广阔应用前景。
【关键词】低压电动机；保护；热继电器；智能电动机保护装置
据统计，我国发电总量的60%消耗在电动机上，而各类风机、水泵、空压机又占电动机耗电的一半以上。作为机电行业中主要的动力之一，电动机广泛应用于火力发电厂、矿产、钢铁、冶金、石化等领域，而其中低压电动机（690 V以下）的数量是高压电动机的几十倍。这些电动机大多数处于高温、潮湿、多尘埃的工况下，容易发生堵转、短路、断相和长期过负荷运行等故障。因而，电动机的有效保护对其正常运行至关重要。本文以低压电动机为例，介绍电动机保护在火力发电厂中的应用。
1 保护配置及原理
根据《火力发电厂厂用电设计技术规定》（DUT 5153—2002）,低压厂用电动机应装设相间短路保护、单相接地保护（或者单相接地短路保护）、过负荷保护、低电压保护、断相保护。
相间短路保护用于防范电动机绕组内及引出线上的相间短路故障。发生相间短路时，短路电流为正常工作电流的十几倍甚至几十倍，因此，相间短路保护一般釆用过电流判据构成三段式电流保护，包括瞬时电流速断保护、带时限电流速断保护、定时限过电流保护。
单相接地保护用于防范电动机绕组内及引出线上的单相接地故障。发生单相接地故障跟系统的中性点接地方式有很大关系。当低压厂用电系统为中性点经高电阻接地时，单相接地的故障电流不会太大，故一般采用零序电压或者零序电流来实现接地保护。
当低压厂用电系统为中性点直接接地时，单相接地发展成为单相接地短路，短路电流比单相接地的故障电流大得多，却又比相间短路电流小得多。考虑到保护灵敏性要求，宜另外装设一套单相接地短路保护，一般由零序电流保护构成。对于55 kW以下的小功率电动机，若相间短路保护能够满足单相接地短路的灵敏性时，可由相间短路保护兼作单相接地短路保护。
易过负荷的电动机应装设过负荷保护。此处的过负荷保护不仅要考虑正常生产过程中是否易于过负荷，还要考虑启动过程中是否易于过负荷，即那些启动或自启动困难、需要防止启动或自启动时间过长的电动机也需要装设过负荷保护。过负荷保护一般由启动过程中的启动时间过长保护、启动后的反时限过电流保护和堵转保护构成。
低电压保护是为了限制电动机自启动，而不是保护电动机本身。对于I类电动机，当装有自动投入的备用机械时或为保证人身和设备安全，在电源电压长时间消失后须自动切除时，应装设9~10s时限的低电压保护；对于U、ID类电动机，一般为保证接于同段母线上的I类电动机自启动，宜装设0.5 s时限的低电压保护。另外，对于操作电器为接触器的电动机回路，由于接触器的吸持线圈在低电压时能自动释放，故不需要另设低电压保护。
当电动机由熔断器作为短路保护时，为防止电动机断相运行时发热烧毁，应装设断相保护，由带断相保护的热继电器或者带触点的熔断器构成。
2 保护装置的选择
在火力发电厂中，根据保护装置的不同，低压电动机回路的保护方案一般有3种：①以热继电器为主的组合保护方式；②采用框架断路器自身所配保护；③釆用电动机保护专用的微机型保护装置——智能马达控制器或者低压综合保护测控装置。
功率小于75 kW的低压电动机，一般操作电器为接触器，保护可采用以热继电器为主的组合保护方式,即保护电器采用塑壳断路器（或熔断器），用于切断短路电流，而热继电器主要用于电动机过负荷保护及断相保护。热继电器利用负载电流流过经校准的电阻元件，使双金属热元件加热后产生弯曲,从而使继电器的触点在电动机绕组烧坏以前动作。其动作特性为反时限过电流，与电动机绕组的允许过载特性接近，但是很难保证两者特性曲线一致，故电动机的过负荷能力不能得到充分利用.而且对于三相电流不平衡运行等不对称故障缺乏有效的保护。
功率在75 kW及以上的低压电动机，一般操作电器为框架断路器，保护可釆用框架断路器自身所配保护。框架断路器可以配置各种智能控制器，实现过载长延时保护、短路短延时保护、短路瞬时保护、电流不平衡（断相）保护、接地保护、漏电保护、欠压保护、过压保护、过频保护、欠频保护、相序保护、逆功率保护、MCR接通分断及越限跳闸保护等，而且还可以选择通信功能与现场总线连接，实现遥测、遥调、遥控、遥信“四遥”功能，满足控制自动化的要求。但是.目前框架断路器的通信功能不够灵活，通信协议和接口有一定的限制，而且其保护功能是针对配电网络，不是电动机专用，过负荷曲线难以与电动机保持一致。
电动机保护专用的微机型保护装置可以用于以上2种情况。通常功率小于75 kW的低压电动机，釆用智能马达控制器；功率在75 kW及以上的低压电动机.采用低压综合保护测控装置。两者并没有实质差别，都是基于微处理器和现场总线技术，采用模块化设计，内置保护功能。通过数学方法建立电动机发热模型构成的过负荷保护可以提供多达16种反时限保护特性曲线.可实现重载启动，而且还可以通过检测电动机预埋的PTC/NTC热电阻的阻值实现电动机的温度保护。同时，还提供多种测控功能，包括开入量遥信釆集，电流、电压、有功/无功功率、电能、频率等模拟量的遥测，4~20mA模拟量输出，故障和事件记录，多种通信接口支持Modbus、CAN,Profibus-DP或DeviceNet等多种现场总线协议，而且还支持电动机直接启动、双向可逆启动、双速启动、星/角启动等多种电动机控制模式。
但是，微机型智能电动机保护装置在应用中也出现了一些问题，值得注意。一是智能电动机保护装置的4-20 mA模拟量输岀也会随着装置电源消失而消失，因此参与机组DCS控制逻辑的模拟量由变送器来实现，不能使用装置的模拟量输出，否则DCS控制逻辑出错引发事故。二是接触器线圈控制回路中的装置输出接点多为电平式，但有些厂家的装置软件不完善，结果有的在控制电源消失或者母线失压之后重新供电时，由于装置输出接点一直接通，造成电动机自启动；有的在控制电源消失或者母线失压之后重新供电时，由于装置先自检一遍把输出接点断开，造成电动机无法自启动。实际上，应该让装置能够自由设定所保护的电动机是否需要自启动，因为大量非重要电动机同时自启动，将会使厂用电母线电压严重降低，从而导致同段母线的重要电动机无法自启动，而对于I类电动机等重要电动机恰恰需要自启动，以争取不停机，避免影响生产。
3 安科瑞电动机保护器介绍
安科瑞ARD3T智能型电动机保护器是一种电机保护与控制的设备，适用于额定电压至AC690V、额定电流至AC800A、额定频率为50/60Hz的电动机。产品体积小，结构紧凑，安装方便，在低压控制终端柜和1/4模数及以上各种抽屉柜中可直接安装使用，提高了控制回路的可靠性和自动化水平。
ARD3T采用模块化的产品结构形式，包括主体控制模块、互感器模块和显示模块，并可根据需要选配其他功能模块，与接触器、电动机起动器等电器元件一起构成电动机控制保护单元，保护器具有远程自动控制、现场直接控制、面板指示、信号报警、现场总线通信等功能。用户在现场安装时，主体控制模块采用标准导轨方式安装，显示模块采用嵌入式安装。
ARD3T智能型电动机保护器集成了电流互感器，测量功能分为基本测量（电流参数）和增选测量（电压、功率、相序、剩余电流（漏电流）），同时具有起动超时、过载、堵转、阻塞、欠载、断相、不平衡、剩余电流（接地/漏电）、温度、外部故障、相序、过压、欠压、欠功率、过功率、tE时间等电动机综合保护功能。辅助电源支持AC 85V～265V/DC 110V～350或AC 380V±10%（需另配380V电源模块）。9路DI无源干节点输入，信号电源采用内置DC24V电源。5路DO输出，满足直接起动，星—三角起动，自耦变压器起动，软起动等多种起动方式，通过通讯总线可实现远程主站对电动机进行实时遥控“起/停”操作。抗晃电确保电动机运行不间断，重起动功能在短时欠压、失压时用于电动机分批重起。具有标准的RS-485通讯接口，采用Modbus_RTU、Profibus_DP通讯协议，保证了上位机通讯的快速可靠。具有DC4-20mA模拟量输出接口，直接与DCS系统相接，可实现对现场设备的监控。具有系统时钟和20次故障记录功能，系统时钟记录当前时间（日、时、分、秒），故障记录功能记录故障原因。显示部分采用全中文液晶显示。AED3可以替代各种电量表、信号灯、热继电器、电量变送器等常规元件，减少了柜内电缆连接及现场施工量，其运行可靠性以及功能综合性的性价比也远高于传统方案，该产品可适用于煤矿、石化、冶炼、电力、船舶、以及民用建筑等各领域。
4 设备选型
5 总结
从以上分析不难看出，单从功能上讲，微机型智能电动机 保护装置是完善的，在简化一次回路的基础上（省 去了传统的热继电器等保护元件，取消了时间继电器、中间继 电器、互感器、电流表、变送器、转换开关、指示灯等多种二 次分立元件），完成了二次回路的保护、控制、测量、通信等 功能，使二次控制回路变得简洁、标准，同时也提高了控制回 路的可靠性和自动化水平，降低了用户现场调试及维护工作 量。综合造价来考虑，小型发电厂或者辅助厂房MCC电动机， 可以釆用前2种保护方案，而新建的大中型发电厂釆用微机型 智能电动机保护装置，综合效益还是可观的。并且，随着技术 的发展，微机型智能电动机保护装置的功能将更加完善，成本 将更加低廉，应用将更加广泛。