低壓異步電機回路軟硬件協調保護

前言

    隨著電子技術和計算機技術的飛速發展，智能馬達控制器、軟啟動器、變頻器、固態（電子式）熱繼電器等許多新型的電器控制元件也得到了廣泛應用。它們不但具有過載、過流、缺相、電機過熱、漏電保護等多種功能，而且取代了原繼電器、電流表、互感器和操作按鈕。同時具備了更加完善的網絡通信功能，可以與計算機、工控機網絡實現分布式控制。極大的改進了早期電動機的控制模式，方便了運行監控。但使用時仍要考慮到各硬件之間整定時間和整定值的配合關系，及運用新型電器元件的網絡通訊的優點，將電動機的重要參數加入到過程控制中，根據被測參數的重要程度，改進程序把電動機的控制分為：依靠硬件設定值的臨界點作為最終的可靠保護和正常運行工況下依據程序設計的“軟保護”動作報警兩個方面，同時兼顧與生產工藝流程的配合，這樣就可以既保護電動機及其電器元件，又能保證機械負載平穩運行，減少經濟損失。

    1  低壓交流異步電動機控制回路硬件方面整定值的配合 

    1.1   短路保護功能主要是監測相間短路電流、單相接地電流或者電動機的堵轉電流，設定值通常為6倍的IN。

    它必須滿足相間短路或對于中性點接地系統中發生單相接地時短路保護裝置應無時限斷開；必須滿足正常啟動、制動或自起動時不發生誤動作。一般采用熔斷器或具有瞬動（或短延時）脫扣器功能的低壓斷路器。在由接觸器組成的控制回路中，當該電流大于接觸器的“彈開電流”時會造成接觸器觸頭損壞，小于“彈開電流”時，比低壓斷路器全部斷開時間短。由接觸器斷開了短路電流起不到短路保護目的，因此瞬間失電壓時，接觸器的失壓釋放時間應大于低壓斷路器全部斷開時間。

    1.2   過載保護

    過載保護的功能是對于重載或空載啟動的電動機，啟動時間超過設定值；或者在正常運行中，電動機的電流突然升高接近額定電流且持續時間超過了設定值，過載保護就會動作。一般采用熱繼電器或帶長延時脫扣器的低壓斷路器做保護，對大功率重要電動機應加 電流繼電器。通常熱繼的設定值為0.95~1.05倍的IN，設定時間為TF=(0.5~0.7)TD  （TF為熱繼在6倍IN下的返回時間，TD 為熱繼在6倍IN下的動作時間）。如果是三角型接法的電動機應采用具有斷相運轉保護的熱繼電器。

    1.3  欠電壓保護

    欠電壓保護是針對母線電壓突然下降的情況下，電動機的電流迅速升高，長時間的過電流會造成電動機的絕緣老化，大大降低電動機的使用壽命，嚴重時可能燒壞電動機。但是短時間的過電流不會使絕緣受到嚴重破壞，因此允許一定的過電流，其數值與時間由電動機的過負荷特性決定。通常電壓允許的變化范圍為額定值的-5%~+10%時其額定出力不變。一般失壓保護由起動器和接觸器來實現，整定時間應滿足延時的時間大于備用電源自動重合閘的動作時間，通常在1~10s內選取。整定值按照額定轉矩來選取，100%額定轉矩的取0.7倍的UN；50%額定轉矩的取0.5倍的UN。需要自啟動的電動機根據生產工藝的重要程度決定，越重要的電動機選取的時間越長。

    1.4  與電動機配用的斷路器

    與電動機配用的斷路器最基本的整定值應滿足：長延時電流整定值等于電動機的額定電流值；6倍的IN可返回時間大于或等于電動機實際啟動時間；瞬時整定電流對于籠型的電動機為8-15倍脫扣器的額定電流，對繞線轉子式的電動機為3-6倍脫扣器的額定電流。與熔斷器配合使用時，過載和較小的電流范圍內的保護由斷路器承擔，對于較大的短路電流由熔斷器承擔，熔斷器作為后備保護。熔斷器保護特性上限與斷路器保護特性的下限相交為最佳配合點。另外與其它上一級斷路器和母線電壓電流的配合應符合規程規定的要求。

    1．5  短路保護和過載保護配合

    短路保護和過載保護作為電動機最基本的保護，如果他們之間配合失調，會造成誤動作或越級跳閘的現象，也不利于判斷故障發生的原因，其配合關系如圖1所示。
                         

圖1  電動機回路短路與過載保護的配合關系以及軟件和硬件保護范圍的劃分圖

    如果這些曲線相交點背離，即相交點大于6倍的IN，則過載保護會在過載與短路保護之間的間隙提前動作對短路電流作出反應，如果過載保護設定的延時較長，不能無時限立即切除，會造成過載保護裝置損壞，然而如果相交點靠前低于6倍IN，則會造成短路保護裝置的誤動作，不能正確判斷短路的原因。

    2  低壓交流電動機控制回路中的軟件監控配合

    所謂“軟件”監控是將電動機的重要參數如：電流、電壓、頻率、功率因數等等，通過網絡傳送至監控系統，并將他們加入到過程控制中。它是對正常運行狀態中存在的異常變化進行監測，可以報警或者參與過程的控制，其控制范圍如圖1所示的區域1。下面舉例說明。

    2.1  對電動機來說監控的主要電流，其它的參數是反映電器元件本身的運行狀態

    一般我們設定的接地電流，短路電流，過載電流或者相間不平衡等依靠電器元件本身動作來保護，也是最終的臨界點。事實上當達到該設定值時，保護已經動作，很可能已經影響了電動機的絕緣或者損壞了機械負載，這在實際生產中出現損壞設備的情況很多，所以“軟件”上監控的配合，應著重于運行過程的控制和監測。如：一臺110KW的三相交流低壓異步電動機，其額定電流為201A，在額定負載下，電動機平穩運行的電流值在100A左右擺動。即使考慮電壓的擺動和負載的瞬時跳變，其變化范圍應在±20A之間。因此100A可以作為正常運行的標準值，然而在生產中曾發生過當電流達到190-200A持續時間較長，運行人員沒有及時停機檢查，最后熱繼動作跳開，結果造成了機械負載的嚴重損壞。因此，我們把監控的電流作為控制對象，以標準經驗值為依據，在程序上加以改進，增加“軟延時計時器”（程序軟件提供的內部計時器），啟動時延時15s（可調整）后開始檢測，如果超出100±20A的范圍，并且延時監測該電流持續的時間，一般設為6~15秒為宜，（正常運行中短時間的大電流允許持續較長的時間，對于重要的電動機可以適當延長），如果超出設定時間立即發出提示信息（聲光或文字框），同時運行人員加強現場檢查采取措施，這樣就可以有效的保護電氣和機械設備。

    2.2  在電動機發生故障后跳閘，運行人員必須待查明原因后再啟動

    但是實際運行操作上存在不明原因強行啟動的現象，間隔時間很短沒有按照規程規定的要求操作，頻繁啟動電動機。在實踐中也沒有可靠的技術保障措施，無法有效的控制，結果造成了故障范圍擴大，檢修維護工作量加大，影響了生產。所以對帶有重啟動限制或者對故障復位時間有限制的電器元件，如：智能馬達控制器、固態（電子）式熱繼等。在程序的設計上對重新啟動間隔時間、啟動次數進行限制，也可以根據故障記錄功能，增加雙重復位限制即：就地復位和遠方操作故障確認，必須經過檢查復位故障后才允許重新啟動，這樣就可有效的保護電氣和機械負載的安全運行。

  
    3  總結

    依靠監控軟件可以監測和控制的內容很多，如：壓力、溫度、流量、速度等，對電動機的監控僅僅是其中的一部分，實踐中運用較少。智能馬達控制器、軟啟動器、變頻器和電子式熱繼電器等都具有數據采集、故障記錄等多種功能。監控軟件可以將這些信息匯總，進行可靠性分析研究，制定合理的檢修計劃。對于電動機控制回路中的硬件和軟件以及它們內部的配合方面涉及內容的很多，不能詳細列舉，只論述了重要的部分，所以在生產中要具體分析區別對待。同時還要注意與連接機械負載的配合，必須滿足生產工藝的要求，比如：啟動限制、精確控制、制動、停止規定、力矩要求、節能運行等等，多方面綜合考慮，才能將電動機的協調配合保護準確的應用在生產實踐中。  

  
    作者簡介

    王奇博   生于1973年，工程師，專業為火電自動化。