涂志燕
安科瑞电气股份有限公司 上海嘉定 201801
摘 要：简要分析了电动机保护与控制的特征及关键技术，介绍了一种集测量、诊断、保护、控制和总线通信于一体的智能型电动机保护装置及其在智能变配电网络中的应用
关键词:电动机；保护与控制；智能
0 引言
计算机技术、通信技术和微电子技术的迅速发展、互相渗透与有机结合，使信息技术得到了高速发展，并将人类社会带进信息社会。2003年，美国电科院首先提出《智能电网研究框架》后，全世界随之掀起了一股智能电网热潮。2009年3月，国家电网公司提出了“建设坚强智能电网”，拉开了中国智能电网建设的序幕。
1 智能变配电系统介绍
1.1 智能电网
智能电网的研究依然处于起始阶段，至今还没有一个统一的定义。目前，初步形成的智能电网的基本概念是：以物理电网为基础，将先进的传感测量技术、通信技术、信息技术、计算机技术、控制技术和决策支持系统技术与物理电网高度集成而形成的新型电网，其目标在于使电网更加安全、可靠、经济与环保。智能电网的总体特征如图1所示。
图1 智能电网总体特征
智能电网建设将带动信息化平台、调度自动化系统、电网稳定控制系统、柔性交流输电、变电站自动化系统、微机综合继电保护系统、配电自动化系统、用电管理采集系统和智能电器的市场需求。
1.2 智能变配电系统
80%以上的电能是通过用户端配电网络传输到用户并在终端用电设备上消耗的，变配电网络是构建坚强智能电网的重要组成部分，这就对配电系统运行的可靠性及其智能化管理提出了更高的要求。利用现代电子技术、传感器技术、通信技术、计算机及网络技术，将电力设备正常及事故情况下监测、保护、控制、电力计量同工厂集散控制系统DCS、PLC、企业资源计划管理融合一起，达到高层次、高透明度良好管理，已成为一种必然趋势和发展方向。智能变配电系统的概念应运而生。
智能变配电系统由具有通信功能的智能化元件经数字通信与计算机系统网络连接，实现变电站设备运行管理的自动化、智能化。可实现数据的实时采集、数字通信、远程操作与程序控制、保护定值管理、事件记录与告警、故障分析、各类报表及设备维护信息管理等功能。其基本构架如图2所示。由于现场总线技术的应用，系统中智能化元件可不依赖计算机网络而独立运行，提高系统运行的实时性和可靠性，满足电气设备运行管理的需要及工厂生产过程控制的要求。
图2 智能变配电网络典型架构
2 电动机保护装置概况及分析
在现代工业中，电动机作为一种拖动机械，成为所有动力机械的基础。电机的广泛应用，使电机（包括各种发电机和各类电机）保护控制装置已渗透所有发电、供电、用电系统等领域，是智能电网用户端的重要组成部分。近年来，我国电力建设正以超常速度发展，有资料显示，从2005年至今，我国每年新增发电机装机容量保持在9 000万kW以上，至2008年我国发电机容量已达到7.925亿kW。预测2015年为12.80亿kW。然而，恶劣的使用环境和复杂的工况条件以及多变的供电状态，使电动机容易发生故障。据不完全统计全国每年仅因电动机烧毁所消耗的电量就达数千万kW·h，电动机烧毁的数量达20万台次以上，容量约0.4亿kW，因维修损耗的电磁线约5 000万kg，修理费达20亿元，而因停工停产所造成的损失更是一个无法估量的巨大数目。因此，超前、准确、及时地判断电动机的故障，并对电动机进行相应的保护，具有节能显著、提高生产效率和经济效益及保证安全生产的重要意义。电动机保护装置成为节能降耗和自动化保护控制系统不可缺少的重要装置，在国民经济和节约能源事业中有着不可替代的重要地位和作用。
2.1 电动机保护现状
目前，我国电机保护控制技术水平与世界先进国家相比还有一定差距，主要体现在技术含量低、品种和功能少、参数精度低、生产工艺落后、产品未形成系列化，普及应用程度低等方面。因此，尽快提高我国电机保护控制科技水平已刻不容缓。随着微电子技术与微处理器技术的发展以及现代控制理论的应用，电动机保护器正朝着智能化、综合化、高精度、高可靠性方向发展。
我国的电动机保护装置经历了仿苏、自行设计、更新换代、引进技术、智能化发展等几个阶段。从机械式的双金属热继电器发展到双金属温度开关和电子式保护控制等。值得一提的是近年来微处理器技术的发展，给电动机保护器向智能化、多功能化方向发展提供了硬件平台，使得电机保护进入了一个飞速发展的阶段。
2.2 电动机保护装置的发展
传统电动机保护装置的检测和保护功能多由热继电器和电磁元件完成，其保护灵敏度低、动作时间误差大、保护精度低、整定困难，已经难以满足人们对电动机保护可靠性越来越高的要求。随着科学技术的不断进步和工艺控制的不断完善，尤其是自动化生产的要求，迫切需要开发和完善电动机的调速、控制和保护设备，从而实现对生产过程和大型机械的遥控、遥测、遥调、故障诊断以及集中控制等功能。近年来，电动机保护控制理论研究和新技术应用等方面都取得了突破。
新理论的研究：通过故障建模和仿真计算，并引入序分量、谐波分量、阻抗量、相位量、突破量等多种对电机故障敏感的检测量作判据和小波分析、神经网络等技术进入电机保护控制领域，不但大大提高了保护控制装置的灵感度和精度，而且对轻微故障的监测和保护方面的理论研究都取得了突破性进展。新技术的应用：利用新的理论和各种传感器（包括红外线、高频电磁波、振动、位移、电、热、机械、光声等）对电动机运行进行实时监测，通过计算机进行判断、分类、确定故障类型和严重程度，实现各种电动机的保护控制功能。
3 电动机保护原理
电动机保护器是为了防止非正常情况损坏电动机而设计的电动机保护装置。主要用于操作电动机控制回路中的接触器，通过输出继电器控制交流接触器以起动电动机和将电动机加速到额定转速，保证电动机连续运行，对电动机及其有关电路的过载等多种非正常运行情况引起的危害予以保护，以及切断电动机的电源。
3.1 电动机故障分析
电动机的故障种类可分为外部故障和内部故障，其故障形式主要为绕组损坏和轴承损坏两方面。常规的外部故障保护无论从理论上还是从诊断与保护的实现方法上都相对完善。对称故障主要包括过载、堵转等，这类故障对电动机的影响主要是电流变大而引起的热效应的积聚。电动机发生不对称故障时，通常不会发生显著的过流现象，过负荷保护不能及时动作。这类故障包括断相、不平衡运行、接地故障等。会导致电动机端部发热、转子振动、减小起动力矩等一系列问题。
3.2 电动机常规保护
国内关于电动机保护一般采用热继电器或电磁式的过电流保护，大型电动机会配置零序电流保护，个别的还会采用差动保护。过电流保护的原理主要是以定子电流幅值的增加作为故障判据，根据对称分量原理，这种方式只能反应对称故障，而对断相、接地、不平衡运行等不对称故障不能及时有效的保护。常规过电流保护不能有效保护不对称故障的原因主要有两个方面：一是各种不对称故障发生时不一定出现明显的过电流；二是不对称故障对电动机的危害不仅仅表现在过流引起的过热效应，更主要的是负序电流效应。虽然电动机常规保护方式存在许多严重缺陷，但目前仍是电动机保护的主体。
3.3 基于对称向量法的电动机保护
根据对称分量原理，电动机在发生不对称故障时，其定子电流可以分解为正序、负序和零序分量，其中正序分量可以反映电动机过流程度，负序分量和零序分量在电动机正常运行时没有或很小。因此利用电流中的负序和零序分量的检测来鉴别各类不对称故障具有很高的灵敏度和可靠性。电动机常见故障信息分析结果见表1。
表1 电动机常见故障特征分布
根据以上分析可知，若以过流信息发映对称故障，以负序和零序电流反映各类不对称故障，可构成对电动机的保护。
3.4 过负荷保护
电动机长时间过负荷或短时间连续续起动而造成电动机过热，绝缘老化，是损坏电动机的常见原因。电动机的过负荷会导致过热，但在低倍过负荷情况下又允许运行一定时间，所以电动机的过负荷保护特性是反时限特性。电动机过负荷的过程就是电动机的热累积过程，其根本的判断依据是电机绕组温度是否超过其绝缘等级温度。
电动机发热和散热过程比较复杂，它与固定损耗及可变损耗等多种因素有关。根据对电动机发热过程的分析，其热态平衡微分方程为：
由上式解得，在初始条件下，
电动机在某一时刻的温升由下式决定：
式2表明，热过渡过程包括两个分量，一个是强制分量 ，它是过渡过程结束时的温态值，另一个是自由分量 ，它按指数规律衰减至零。电动机过负荷情况下的热累积过程，应采用模拟电动机发热曲线的方法，并针对不同的脱扣级别采用不同的发热曲线。以RMD2电动机保护器为例，针对过负荷保护，RMD2共提供16条过负荷曲线，与不同启动时间的负载类型相对应。
3.5 其他保护
由于供电状态的多变性，系统电源电压很难保证恒定，容易出现电压瞬间跌落等非正常情况。如果电动机在系统电压低于额定电压一定程度时启动，则难以提升到额定转速。当电源电压降低或短时中断时，一些不允许或不需要自起动的电动机，须从电力网中断开。另一方面，如果电动机带负载运行时，电源电压升高，则电动机电流降低，但铁损和铜损变大，会引起电动机温度上升。因此，针对电源电压的变化，可以配置电压保护。
另外，当电动机发生短路故障时，会引起母线电压瞬间大幅度下降，此时电动机转子的转速一时无法降低，电动机将转为发电制动状态，向短路点送出逆功率，从而对系统造成危害。针对这种情况，可采用逆功率保护，当检测到送往电动机的功率方向与正常情况相反时，逆功率保护起动。其他诸如温度保护等，和电流保护、电压保护以及逆功率保护一起构成了智能型微机综合保护方案。
4 智能型电动机保护装置
智能型电动机保护装置主要以单片机作为控制器，可实现电动机的智能化综合保护，有的还具有远程通讯功能，可在PC机上对多台联网的电动机实行在线综合监视与控制。在这里以RMD2系列电动机保护器为例，简要叙述一下智能电动机保护装置的功能特点与构成。产品外形如图3所示。
图3 RMD2电动机保护器
RMD2系列电动机保护器是采用微电子技术、微处理器技术和现代控制理论研发的高技术产品。它使用DSP作为核心控制单元，从根本上改变了传统电动机保护装置的缺点，能迅速采集处理电动机的各种故障信号，为电动机的正常运行带来了可靠的保障。RMD2提供的RS-485硬件通信接口，可使多达32台从机装置在同一通信信道上连接起来，与各种远端的计算机、可编程控制器以及分散控制系统之间进行通信，达到了集中监测保护控制的目的。RMD2是一种具有多种保护与控制功能于一体的高性能集中检测控制保护装置，可实现对电动机的智能综合保护，也是传统电动机保护装置的理想换代产品。
4.1 系统构成
在本系统中，接触器CJ1作为电动机的开断装置，接触器的吸合与释放由可编程的继电器触点输出单元控制。电流信号取样于套在母线上的电流互感器的二次输出，经过信号采样调理电路滤波、保持处理后送入模数转换器转换为数字信号，微处理器对采样所得的信号离散序列进行真有效值计算，通过逻辑运算与处理得到所需的电流信号值，并与预先存储在数据存储单元内的整定值进行比较，一旦检测到故障状态，微处理器触发功率电路，驱动继电器输出单元使接触器释放，断开电动机电源，保护电动机在异常状态下运行引起的危害，系统构成见图4。
图4 系统构成原理
4.2 功能特点
4.2.1 核心控制单元
RMD2系列电动机保护器采用高性能数字信号处理芯片DSP作为核心控制单元，实现了传统电动机保护装置不能实现的保护控制功能，大大提高了保护控制装置的灵敏度和精度，而且对轻微故障的监测和保护特性的完善都取得了突破性进展，实现了集多种保护与控制于一体的全保护。RMD2利用DSP微处理器在数字信号处理方面的优势，采用数字信号滤波器（FIR）对采样信号进行软件非线性校正，在采样和保护精度方面有了质的飞跃，降低了被测信号波形畸变带来的影响，实现了高精度采样。在保护特性整定方面采用数字整定，通过键盘由用户在现场自行整定，消除了调整误差。微电子技术与微处理器技术的合理应用，改善了传统电动机保护装置存在的重复性能差、大电流过载或短路故障后不能再次使用、调整误差大、易受环境温度的影响误动或拒动、功耗大、耗材多、性能指标落后等缺陷。
4.2.2 控制功能
RMD2系列电动机保护器通过不同的接线方式与外部接触器连接，实现了传统起动方式：星/三角起动、自耦变压器（电抗器）减压起动。其逻辑时序由保护器本身完成，降低了用户自行接线的难度，取消中间继电器和延时继电器，节省了传统起动方式的成本。另外，根据用户不同的控制需求，RMD2还可实现直接（全压）起动，可逆（双向）控制，双速（变速）控制，软起动器配合起动，变频器配合起动等多种操作控制功能。
4.2.3 保护特性
RMD2系列电动机保护器具有完善的保护功能，可对电动机在起动、运行过程中发生的过载、相短路、堵转、阻塞、欠电流、缺相、三相不平衡、接地故障、漏电、欠电压、过电压、欠功率、逆相、起动超时、外部故障、过热等非正常运行情况产生的危害进行保护，在故障前进行报警，故障发生后记录故障原因、故障数据、故障发生时间等信息用于日常维护。还具有电流电压显示、时间控制、软件自诊断、来电自恢复、上电自起动、自锁和远程报警等功能。是相同硬件条件下集多种功能与一体的综合控制保护器。
4.2.4 总线通信
RMD2系列电动机保护器实现了Modbus-RTU串行通信标准的一个子集。许多流行的可编程控制器直接使用一个合适的接口卡来支持Modbus规约即可直接和RMD2相联。RMD2选择2根线的RS-485硬件接口作为串行通讯接口，在这种结构中多达32个RMD2在同一通信信道上通过标准屏蔽双绞线连接起来与各种远端的计算机、可编程控制器以及分散控制系统之间进行通信，对有关的运行参数及保护类别进行显示、打印、同时可对每台保护装置的保护参数进行修改，还可以对电机直接控制，实现了集中监测保护控制的目的。此外，RMD2还提供了4～20mA和0～10V模拟量输出功能，以及多达9路光隔离输入和6路继电器触点输出。
4.2.5 模块化结构
RMD2系列采用模块化结构设计，其附加功能模块包括显示操作模块、电压功能模块、漏电保护模块、温度检测模块、热调节器模块、电压模拟量输出模块、电流模拟量输出模块、通讯模块可拆卸，根据用户的需求进行安装，可进行多种功能的自由组合。
5 电动机保护装置的应用
RMD2系列电动机保护器覆盖了额定电流800A及以下的电动机，可广泛应用于各行业的交流电动机的保护，是发电、供电、用电系统的重要组成部分。RMD2系列电动机保护器被用作控制设备，在发生故障时驱动继电器输出，使接触器或断路器断开，见图5。除保护电动机之外，还有保护相关机械设备的特性，可以在故障发生之前报警，在故障发生之后记录故障信息，以便分析原因并进行日常维护。
图5 保护器的应用示意
5.1 典型应用
(1) 电动机基本电气保护；
(2) 泵的机械式保护：利用低电流特性来检测吸力的消失或排气阀的关闭；
(3) 风扇的机械式保护及人身安全：利用低电流特性来检测矿道气流的减少或蒸汽发生锅炉气流量的降低；
(4) 压缩电动机的电气保护：用起动定时器来断开回路防止过度超时运行；
(5) 传动装置、泵、风扇、切割机及压缩机的机械式保护：利用机械阻塞跳闸特性来反应机械阻塞故障；
(6) 保证危险情况的人身安全：利用接地故障特性来检测绕组短路及由矿内湿度引起的漏电流；
(7) 利用热记忆锁定功能防止操作员误操作电动机和设备。
5.2 组网应用
电动机保护装置与配电产品的应用有着相同的比重，在实现组网的工作中它们是密不可分的。目前，集散控制系统在工矿企业中得到了广泛的应用，但是对电气系统考虑较少，主要表现为：电气系统主要的保护、安全自动装置基本独立运行；与DCS 系统间通过硬接线方式进行有限的控制和信号交换；电气系统的控制基本上采用常规控制手段；电气系统的测量、保护动作、定值整定、事故追忆、电量报表等电气运行参数在DCS系统无法完整反应。
智能电网建设首先要求用户端提高电气系统自动化水平，包括从电力变压器到用电设备之间，对电能进行传输、分配、控制、保护和管理的所有设备实现智能化，从而构成统一、协调、互动的智能变配电网络。在这里以RMD2系列电动机保护器为例，说明电动机保护装置在智能变配电网络中的应用，如图6所示。
图6 在智能电网中的典型应用
6 安科瑞智能电动机保护器介绍
6.1产品介绍
智能电动机保护器(以下简称保护器)，采用单片机技术，具有抗干扰能力强、工作稳定可靠、数字化、智能化、网络化等特点。保护器能对电动机运行过程中出现的过载、断相、不平衡、欠载、接地/漏电、堵转、阻塞、外部故障等多种情况进行保护，并设有SOE故障事件记录功能，方便现场维护人员查找故障原因。适用于煤矿、石化、冶炼、电力、以及民用建筑等领域。本保护器具有RS485远程通讯接口，DC4-20mA模拟量输出，方便与PLC、PC等控制机组成网络系统。实现电动机运行的远程监控。
6.2技术参数
6.2.1数字式电动机保护器
技术参数 | 技术指标 |
ARD2(L) | ARD2F | ARD3 |
辅助电源 | 电压 | AC85V~265V/DC100V~350V |
功耗 | ≤7VA | ≤15VA |
额定工作电压 | AC380V/AC660V，50Hz/60Hz |
额定工作电流 | 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） |
继电器输出触点容量 | AC250V/ 3A；DC30V/ 3A | AC250V/ 6A |
开关量输入 | 2路 | 9路 |
环境 | 工作温度：-10ºC～55ºC |
贮存温度：-20ºC～65ºC |
相对湿度：5﹪～95﹪不结露 |
海拔高度：≤ 2000m |
污染等级 | 2 |
防护等级 | IP20 | 主体IP20,显示单元IP45 |
安装类别 | III级 |
6.2.2模块式电动机保护器
技术参数 | 技术指标 |
ARD3T辅助电源 | AC/DC 110 / 220V或AC 380V，功耗≤15VA |
电机额定工作电压 | AC 380V / 660V，50Hz / 60Hz |
电动机额定工作电流 | 1.6（0.40A-2.00A） | 使用测量模块测量 |
6.3（1.6A-6.3A） |
25（6.3A-25A） |
100（25A-100A） |
250（63A-250A） | 采用外置电流互感器 + 测量模块 |
800（250A-800A） |
漏电 | 50mA-1A | 采用测量模块 + 漏电流互感器 |
3A-30A |
继电器输出触点容量 | 阻性负载 | AC250V、6A；DC24V、6A |
感性负载 | AC250V、2A；DC24V、2A |
主体开关量输入、输出 | 4DI、4DO，DI可以为干节点或湿节点 |
开关量模块 | 4DI、3DO，DI可以为干节点或湿节点 |
温度模块 | 外接传感器类型：PT100、PT1000、Cu50、PTC、NTC 传感器路数：3路 传感器对应测量范围： PT100/PT1000：-50°C～+500°C Cu50：-50°C～+150°C PTC/NTC：100Ω～30kΩ |
模拟量模块 | 可实现：2路4～20mA输入测量，2路4～20mA变送输出4～20mA输入测量精度±0.5% 4～20mA输出带载能力为≤500Ω |
主体通讯 | RS485：Modbus-RTU |
通讯模块 | RS485：双Modbus-RTU、Profibus |
环境 | 工作温度 | -10ºC～55ºC |
贮存温度 | -25ºC～65ºC |
相对湿度 | ≤95﹪不结露，无腐蚀性气体 |
海拔 | ≤2000m |
污染等级 | 3级 |
防护等级 | 主体IP20，分体显示模块IP45（安装在柜体上） |
安装类别 | III级 |
6.3 产品选型
说明：“√”表示具备，“■”表示可选。
7 结语
与传统电动机保护装置相比，数字式、智能型、多功能化的电动机综合保护器以其技术指标的独特优势逐渐成为电动机保护的选择。在目前电力工业良好发展、国家重视智能电网建设工作以及节能环保势在必行的背景之下，集监测、保护、控制和总线通信功能于一体的智能型综合保护控制装置，必将成为广泛应用领域内的电动机及设备保护的理想选择
参考文献
[1] 李海兵 ．电动机保护装置及其在智能变配电网络中的应用
[2]安科瑞企业微电网设计与应用手册.2020.06版
作者简介：涂志燕，女，安科瑞电气股份有限公司，主要研究方向为智能电网供配电，邮箱: 2881392116@qq.com，手机：1872111382（同微信），QQ:2881392116
