智能型電動機保護器及其組網應用

言穆昀(中國市政工程華北設計研究總院，天津 300074)

0 引言

在現代化市政行業中，電動機是一切動力機械的基礎，隨著工藝控制的進步和自動化程度的提高，迫切需要完善電動機的保護和控制功能，以實現對生產過程和機械設備的遙控、遙測、遙調及故障診斷等。同時，市政行業本身就是大通量、滿負荷連續運轉，對電動機設備的可靠性要求很高，一旦發生事故，必須馬上查找原因并及時消除，恢復生產。在以往的行業設計中一直采用斷路器、接觸器和熱繼電器完成電動機的短路和過載保護，通過中間繼電器的逐級搭接，輸出和接收PLC信號，以實現遠方集中控制。這樣做，首先是設計接線繁雜，造成誤動作;其次是出線電纜多，造成敷設困難;三是受到熱繼電器等元件質量的限制，常造成電動機燒毀，給企業增加了勞動強度和經濟損失。故電動機的保護和控制在企業安全生產中起到舉足輕重的作用。

1 傳統的電動機保護及存在的問題

我國《通用用電設備配電設計規范》規定:“交流電動機應裝設短路保護和接地故障保護，并應根據具體情況分別裝設過載保護、斷相保護和低電壓保護”。對電動機短路保護一般采用熔斷器或斷路器瞬動過電流脫扣器。這種保護一旦動作，電動機將基本燒毀(定子線圈短路或接地)。對于“過載、斷相、低電壓”這種不正常的工作狀態，使用者可以靠保護電路自動切除或人工發現后手動切除。絕大多數電動機過載保護常采用熱繼電器或斷路器的長延時過電流脫扣器，其整定電流按電動機額定電流的1.05～1.2倍整定，并保證正常起動時不動作。對斷相保護一般采用熱繼電器。對低電壓保護，一般采用斷路器的低電壓脫扣器或起動器線圈。可見，在傳統的電動機保護中，熱繼電器是個關鍵性元件。

熱繼電器就是利用熱元件(兩種不同熱膨脹系數的金屬片)通過電流時產生熱量使雙金屬片彎曲，從而推動彈簧瞬跳機構動作的過流繼電器，其整定電流是通過凸輪位置的改變，從而調整推桿的起始位置和彈簧的彈力來達到的。熱繼電器屬電流信號的間接保護，具有成本低等優點，但是其本身也存在著對立面。例如:低倍過載反時限動作和極限過載應及時動作與6倍過載定時限內應不動作的矛盾，以及斷相過載及時動作與三相不平衡應穩定的矛盾。同時，熱繼電器易受外部環境溫度影響，電流調整不方便，并且不精準。因此，國家淘汰了落后的 JR0、JR9、JR14、JR15、JR16-A、B、C、D 等系列熱繼電器。

2 智能型電動機綜合保護器

隨著現代電子技術的高速發展，智能型電動機綜合保護器應運而生。它采用16位工業級微處理器(CPU)和網絡技術，通過采集三相交流電流、電壓、零序電流、熱電阻、4～20 mA模擬量和多路開關量等信號，經軟件模擬熱積累過程，再按各種保護特性、測量數據、控制邏輯進行智能化處理比較，從而達到保護、控制、測量于一體，通過組網還可以實現在線監測。

(1)保護功能:它具有起動超時保護、過(輕)載保護、缺相或三相不平衡保護、過(欠)電壓保護、短路和堵轉保護、漏電保護(外接漏電電流互感器)和單相接地保護(三相電流矢量疊加計算得到中性電流)等十余項。特別是它的外部保護和漏電保護對市政行業中潛水電機的保護有著非常現實的意義，它既保證了電動機設備的安全運行，又確保了員工的人身安全。

(2)控制功能:它可以滿足各種起動控制方式，如直接起動、雙向雙速起動、電阻降壓起動、星三角降壓起動、自耦變壓器降壓起動等。具有多路開關量輸入(出)，可以就地方便地進行操作、調試等工作，還可以通過RS-485通信接口實現計算機后臺監控管理中的“遙信”和“遙控”功能，對電動機進行遠程起、停控制。

(3)測量功能:它可以對該電機回路的電流和電壓進行交流采樣，具體可以測量回路中的三相電流、電壓、功率、功率因數、頻率等電力參數，通過顯示模塊就地顯示，并可以通過RS-485通信接口實時傳輸到計算機后臺監控管理系統中，從而實現“遙測”功能。

(4)在線監測功能:它具有通信模塊，可方便地接入現場總線網絡中，這樣控制室操作人員在后臺微機上就可以完成所有保護器的各種保護整定數據的調閱、修改和整定。同時，在線監測電機的運行負載和供電電源的質量，為及早發現過載和接地故障等創造了條件。此外，后臺微機強大的信息管理功能，可有效記錄各臺電動機的型號、運行方式和歷史維護記錄，為保證工藝系統的安全生產、減少事故停車提供了可靠依據。

(5)保護邏輯框圖如圖1所示。

圖1 保護邏輯框圖

3 智能型電動機保護器的組網應用

3.1組網

作為電動機綜合保護器個體設備，實現就地保護是其基本功能，但從工廠低壓電力系統自動化層面來看，其智能通信方面的功能也特別重要。

以前電動機的電氣參數(I、U、P等)是通過變送器送至DCS模擬量采集板的，而電動機的狀態參數(故障、運行等)是通過硬接線方式接入到DCS的開關量采集板的，就控制而言，則是由DCS的開關量輸出板卡接至電氣設備的開關控制回路中。由于工廠電動機多，如果每臺設備的模擬量和信號量都是靠硬接線方式輸入/輸出，必定造成系統成本高，設計、施工復雜，日常維護困難等。

因此，換個角度來看問題，將電動機保護器納入工廠低壓電氣監控管理系統，構成DCS系統的一個獨立子系統:利用電動機保護器的RS-485通信接口，采用低速的485/Modbus網絡，通過網絡通信管理機進行協議轉換，實現高速網絡傳輸。

(1)間隔層:電動機保護器把模擬量、開關量數字化，實現測量、控制功能，并能上行發送測量和其他信息，接收命令下傳信息。

(2)前置層:網絡通信控制器也稱“通信管理機”、“DPU”或“網關”，標準的通信接口規約，采集各個測控單元的上傳信息，并下達控制命令，把數據匯總后再上傳至DCS系統。

(3)站端控制層:實現電氣設備的遙信、遙控、遙測和遙調功能，通過監控組態軟件對設備運行狀態進行實時監控、電氣參數實時測量、事故異常報警、事故記錄和打印、各種圖表匯總等，同時還可以與上級系統通信。

3.2應用

以丹東華通設備為例，說明組網在市政工程中的應用。

包頭市北郊污水處理廠升級改擴建工程:新建2座變電站，改造1座變電站，同時還有為工藝設備提供現場供配電和控制。

基于每個站點的監控數據量相對較少的特點，設計成“分層分布式網絡架構”，采用2000R+型網絡通信管理機，實現對智能儀表的集中管理，整理優化后的數據通過光纖以太網絡上送至監控中心。

(1)變電站:系統由安裝在抽屜柜內的PDM系列電動機保護控制器50臺、智能儀表110臺、2000 R+型網絡通信管理機8臺和監控主機組成。現場層設備接口:RS-485，標準的Modbus通信規約;現場層網絡結構:總線單網形式;現場層數據傳媒介質:屏蔽雙絞線;設計總線帶載標準:每條總線20臺智能設備的標準;前置通信層網絡結構:總線單網形式;前置通信層數據傳媒介質:4芯單膜光纖;與其他管理系統共享數據形式:2000 R+型網絡通信管理機單獨RS-485接口共享;前端控制層管理形式:單機系統管理。

(2)生物池:生物池是污水處理廠的核心工段，長150 m，寬90 m。共有28臺水下推進器分布安裝在池內8個溝道內，每臺水下推進器由PDM系列電動機保護控制器(安裝在就地電控箱)控制，每14臺保護器和1臺2000 R+型網絡通信管理機通過屏蔽雙絞線組成一個子系統，共2組。管理機上行配置10/100 M工業以太網，將RAM中的數據信息送至 DCS系統，同時接收DCS對低壓電機的控制指令。

(3)該工程通過一年多的運營，始終保持和DCS系統(西門子)良好的上傳下達，實現了電機控制總線制。

4 結語

(1)智能電動機保護器替代傳統的熱繼電器是發展趨勢，并進入普及階段。

(2)智能電動機保護器除保護功能外，還具有實現組網需求的網絡通信功能，并滿足可靠性及實用性的需求。

(3)工廠DCS組網技術由原始的硬接線方式向現場總線方式轉變。

(4)合理實現組網的關鍵設備是網絡通信管理機，通過它可以很好地解決與DCS系統信息共享問題。

［1］董桁.發電廠電氣系統監控納入DCS的應用［J］.四川電力技術，2003(6):29-31.