劉洪星1, 翟亞芳2, 吳戰(zhàn)偉1

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低壓三相電動機多功能保護裝置的設計與應用

劉洪星, 翟亞芳, 吳戰(zhàn)偉

(1.許繼電氣股份有限公司，河南 許昌 461000；2.安陽工學院電子信息與電氣工程學院，河南 安陽 455000）

介紹了一種低壓三相電動機多功能保護裝置的研制過程。重點敘述了保護裝置的總體結(jié)構(gòu)和工作原理，給出了電流/電壓輸入電路、開關(guān)量輸入電路、開關(guān)量輸出電路、通信接口電路的設計方案。并分析了啟動超時保護、堵轉(zhuǎn)保護、電流不平衡保護和過熱保護的工作原理，給出了保護裝置的硬件配置圖和典型應用電路圖。該保護裝置集保護、測量、控制、通信為一體，具有功能完善、高性價比、高可靠性的特點，可以對低壓三相電動機所產(chǎn)生的各種故障進行全面的保護，提高電動機的使用率，延長電動機的使用壽命。

低壓三相電動機；保護裝置；堵轉(zhuǎn)保護；過熱保護；應用電路

0 引言

在現(xiàn)代工業(yè)中，電動機作為一種拖動機械，在冶金、化工、紡織、石油、電力等行業(yè)得到了廣泛的應用，隨著生產(chǎn)自動化水平的提高，特別是各種自動控制、順序控制設備的應用，對電動機的運行要求越來越高，為了保證電動機能夠安全可靠地工作，需要對電動機進行有效的保護。目前，智能化、數(shù)字化、網(wǎng)絡化是電動機保護裝置的發(fā)展方向，市場上電動機保護裝置的種類較多，但大多數(shù)產(chǎn)品都將所有功能集中在保護裝置主體內(nèi)，使用時缺少靈活性。為了提高電動機保護裝置使用的靈活性，提出了一種低壓三相電動機保護裝置的設計方法。該設計方法采用模塊化的設計思想，將整個裝置分為多個獨立的模塊，使用時可以根據(jù)實際需要選擇合適的模塊進行組態(tài)，便于工業(yè)現(xiàn)場使用和維護。

1 保護裝置的總體設計

本保護裝置采用模塊化設計思想，主要由測量模塊、微處理器模塊、開關(guān)量輸入/輸出模塊、模擬量輸出模塊、顯示和按鍵模塊、通信模塊和電源模塊構(gòu)成，其總體結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

圖1 保護裝置的總體結(jié)構(gòu)框圖

測量模塊主要由電流互感器（CT）、電壓互感器（PT）和信號調(diào)理電路構(gòu)成，電壓互感器和電流互感器用于將低壓電動機輸入電壓和電流信號轉(zhuǎn)換成弱電信號，并起強電和弱電隔離作用，弱電信號由信號調(diào)理電路完成電壓適配和電壓平移，最后送至微處理器進行數(shù)據(jù)采集；開關(guān)量輸入模塊用于采集電動機控制電路外部的開光量輸入信號，開關(guān)量輸出模塊用于給控制電路外部提供開關(guān)量輸出信號，以驅(qū)動報警或跳閘電路；模擬量輸出模塊為外部電路提供4~20 mA的電流輸出；顯示和按鍵模塊用于人機交互，完成參數(shù)顯示和設置輸入功能；通信模塊用于與上位機進行數(shù)據(jù)通信；電源模塊為整個裝置提供合適的工作電壓；微處理器模塊是整個保護裝置的核心，用于完成數(shù)據(jù)采樣、數(shù)據(jù)計算、保護判斷、數(shù)據(jù)通信、參數(shù)設置和故障記錄等功能。

2 保護裝置的硬件設計

2.1 電流/電壓輸入電路

電流和電壓檢測電路由信號采樣電路和信號調(diào)理電路兩部分組成，如圖2所示。保護裝置測量模塊的電流測量范圍為0.2~1 000 A，額定輸入電壓為AC660 V或AC380 V。當電動機輸入電流小于等于100 A時，測量模塊使用內(nèi)部電流互感器模塊；當輸入電流大于100 A時，需要使用外置電流互感器。保護裝置的輸入電流信號采樣使用100 A/7.07 V的電流互感器，將輸入電流變?yōu)榉禐?10~10 V的交流信號，然后利用3.16 kΩ、3.16 kΩ和1 kΩ構(gòu)成的分壓電路進行分壓，將幅值為-10~10 V的交流信號變?yōu)?1.4~1.4 V的交流信號，經(jīng)過由750 Ω電阻和100 nF電容構(gòu)成的濾波電路后，利用相對于系統(tǒng)地為1.5 V的參考電壓ACOM進行升壓，使輸出信號IO變?yōu)?.1~2.9 V的直流信號，并送入微處理器的內(nèi)部ADC輸入端。保護裝置的輸入電壓信號在采樣時先經(jīng)過一個330 kΩ電阻，將電壓信號變換為-2~2 mA的電流信號，然后使用2 mA/2 mA電流互感器進行采樣，采樣后的信號經(jīng)過信號調(diào)理電路后，送給微控制器的內(nèi)部ADC輸入端。

電動機輸入電流和輸入電壓經(jīng)信號采集和調(diào)理電路后，變成能被微控制器內(nèi)部ADC識別的模擬信號，微控制器調(diào)用采樣程序?qū)斎氲男盘栠M行采樣處理，然后進行頻率、電流有效值、電壓有效值等的計算，保護裝置將采集到的結(jié)果通過液晶顯示器顯示，并與各種保護設置的整定值進行比較，如果滿足某種保護的動作條件，則保護裝置按照設置的保護動作狀態(tài)進行動作。

圖2 信號采樣和調(diào)理電路

2.2 開關(guān)量輸入/輸出電路

保護裝置設有11路開關(guān)量輸入，用于外接啟動、停車、復位等控制按鈕，或是作為工藝連鎖使用。同時，保護裝置設有5路繼電器開關(guān)量輸出，用于控制接觸器、中間繼電器以滿足多種啟動方式，并具有保護跳閘信號或報警信號輸出功能。

開關(guān)量輸入/輸出電路如圖3所示。在開關(guān)量輸入電路中，當有開入輸入信號時，開入電源+24 V通過DI流入回路，通過3.9 kΩ、680 Ω和3.9 kΩ組成的限流電路后，驅(qū)動光電耦合器TLP85GB導通，KR處輸出低電平，通知微處理器有外部開關(guān)量輸入。在開關(guān)量輸出電路中，當DO輸出低電平時，光電耦合器TLP185GB導通，在直流電源的作用下，三極管導通，從而驅(qū)動輸出繼電器導通，輸出繼電器開關(guān)動作。

圖3 開關(guān)量輸入/輸出電路

2.3 通信接口電路

保護裝置設有2路RS485通信接口，組網(wǎng)經(jīng)濟、方便，可直接與微機監(jiān)控或監(jiān)控管理系統(tǒng)聯(lián)網(wǎng)通信，實現(xiàn)電動機的集中管理和分散控制。RS485通信接口電路如圖4所示，圖中SN65LBC184D是一種差分數(shù)據(jù)線收發(fā)器，帶有內(nèi)置高能量瞬變噪聲保護裝置，顯著提高了抵抗數(shù)據(jù)同步傳輸電纜上瞬變噪聲的可靠性。SRX、STX分別為微控制器的異步串口的接收端和發(fā)送端，SCK為SN65LBC184D的收/發(fā)使能控制信號，當SCK為高電平時發(fā)送使能，SCK為低電平時接收使能；20 Ω電阻起阻抗匹配作用；兩個3.3 kΩ的電阻分別為下拉電阻和上拉電阻；TVS1~TVS3的作用是防止總線外部電壓過高，保護內(nèi)部芯片。為了增強RS485總線節(jié)點的抗干擾能力，防止保護裝置內(nèi)部信號與外部信號的相互干擾，采用光電隔離器件TLP185GB將內(nèi)外信號進行隔離。

圖4 RS485總線接口電路

2.4 硬件配置圖

保護裝置配有11路開關(guān)量輸入接口、5路繼電器開出接口、1路4~20 mA電流輸出接口、2路RS484通信接口、3路電流輸入接口、4路電壓輸入接口和1路電源輸入接口，其硬件配置電路圖如圖5所示。圖中端子1~12為開關(guān)量輸入端子，其中端子1為啟動A開入端子；端子2為啟動B開入端子；端子3為停車開入端子；端子4為復位開入端子；端子5為工藝連鎖開入端子；端子6、7、8、9、10分別為開入1、2、3、4、5端子；端子11為遠程/就地（接入時為遠程）開入端子；端子12為保護裝置自產(chǎn)的+24 V電源端子。端子13~22為繼電器開出端子，其中14~16端子分別為啟動A、啟動B和備用出口，端子13為公共端子；端子17~19為告警出口，其中17、18為常開觸點，17、19為常閉觸點；端子20~22為跳閘出口，其中20、21為常開觸點，20、22為常閉觸點。

圖5 保護裝置的硬件配置圖

3 保護裝置的保護功能

保護裝置具有啟動超時保護、定時限過負荷保護、反時限過負荷保護、電流不平衡保護、堵轉(zhuǎn)保護、過熱保護、斷相保護、欠電壓保護、過電壓保護等保護功能，使電動機在工作時不至于因為欠壓、過壓、欠載、過載、短路、堵轉(zhuǎn)等原因而導致?lián)p壞，從而對電動機起到保護作用。

3.1 啟動超時保護

電動機在正常啟動時，三相電流從零突變到最大的啟動電流后會逐漸變小，當?shù)竭_電動機設置的啟動時間后，三相電流會維持在額定值附近。如果超過電動機設置的啟動時間后，三相電流仍然大于整定值，則可以認為在設定的啟動時間內(nèi)，電動機沒有完成啟動，保護裝置動作。電動機啟動超時保護需要設置的參數(shù)有動作整定值、啟動時間和動作狀態(tài)，動作整定值的設置范圍為1.0~1.2（為電動機正常工作時的額定電流值）；啟動時間的設置范圍為0.1~99.99 s，步長為0.01 s；動作狀態(tài)可以設定為告警或跳閘，如果設定為告警，則給出告警信息，如果設置為跳閘，則跳閘信號會自動關(guān)聯(lián)到相應的繼電器停止電動機運行。啟動超時保護的工作原理如圖6所示，圖中、、為三相輸入電流的測量值，為電流動作整定值，為啟動時間整定值。

圖6 啟動超時保護原理圖

3.2 堵轉(zhuǎn)保護

電動機在運行過程中，由于負荷過大，或者自身機械原因，會造成電動機軸被卡?。ㄋ追Q“抱閘”），此時根據(jù)電動機過載能力不同，允許其短時間運行，但如果不能及時排除故障，會引起電動機繞組過熱、絕緣降低而燒毀電動機。電動機堵轉(zhuǎn)保護需要設置的參數(shù)有動作整定值、延時時間和動作狀態(tài)，動作整定值的設置范圍為2.0~8.0，可按電動機銘牌堵轉(zhuǎn)電流的0.5倍整定；延時時間的設置范圍為0.1~99.99 s，步長為0.01 s，可按電動機允許的堵轉(zhuǎn)時間整定，一般為0.9倍的允許堵轉(zhuǎn)時間；動作狀態(tài)可以設定為告警或跳閘。當電動機的相電流出現(xiàn)幾倍于額定電流的嚴重過負荷情況時，可按照堵轉(zhuǎn)保護的動作整定值和延時時間，快速跳閘以停止電動機運行。

3.3 電流不平衡保護

當電動機三相電流不對稱程度較大時，會出現(xiàn)較大的負序電流，而負序電流將在電動機轉(zhuǎn)子中產(chǎn)生頻率為兩倍工頻的電流，使電動機轉(zhuǎn)子發(fā)熱量大大增加，不利于電動機的安全運行，為此，需要對電動機進行電流不平衡保護。當電動機三相電流中的任意一相電流與三相電流平均值之差超過電流不平衡度允許值時，經(jīng)設定的延時時間后，保護跳閘，停止電動機運行。

電流不平衡度的計算方法如式（1）、式（2）。

（2）

式（1）和式（2）中：為三相電流的不平衡度；和分別為實測三相電流中的最大值和最小值；為實測三相電流的平均值。當小于電動機的額定電流時，式（1）和式（2）的分母可取電動機的滿負荷工作電流值。在實際計算時，取式（1）和式（2）中的較大者進行保護判斷。為了避免三相電流很小時，由于模擬量的計算誤差而導致保護動作，該保護只在有流時投入使用。

3.4 過熱保護

過熱保護是電動機常用的一種保護功能，主要用以避免電動機長期工作在額定電流以上，產(chǎn)生的過熱使電動機溫升超過允許的數(shù)值，使絕緣迅速老化甚至引起故障的現(xiàn)象發(fā)生。為了能夠有效地防止電動機過熱，考慮定子繞組和轉(zhuǎn)子繞組的平均發(fā)熱情況，保護裝置內(nèi)部使用軟件來模擬電動機的發(fā)熱過程，考慮到電動機的過熱積累過程和散熱過程，引入了等效發(fā)熱電流，通過對正序電流和負序電流乘以不通的系數(shù)以模擬正序電流和負序電流不同的發(fā)熱效應，的表達式為

式（3）中：為正序電流分量；為負序電流分量；為正序電流發(fā)熱系數(shù)；為負序電流發(fā)熱系數(shù)。在電動機在啟動過程中取值0.5，在電動機啟動結(jié)束后取值1.0；取值為3~10，一般取值為6。

過熱保護的保護方程為

式（4）中：為保護動作的時間；為電動機發(fā)熱時間常數(shù)；為等效發(fā)熱電流；為電動機額定工作電流。當電動機因過熱保護跳閘后，不能立即再次重新啟動，需等散熱結(jié)束后方可再次啟動。保護裝置采用衰減指數(shù)來模擬電動機的散熱過程，散熱時間為

（5）

4 保護裝置的接線方式

保護裝置可以在保護模式、直接啟動模式、雙向啟動模式、星-三角啟動模式等多種模式下運行，通過人機交互界面或上位機配置軟件可以直接在不同工作模式下切換，更符合現(xiàn)場使用需求。

4.1 保護模式接線方式

保護裝置工作于保護模式的接線方式如圖7所示。在此工作模式下，按啟動按鈕SB1，接觸器KM的吸引線圈處于通電狀態(tài)，接觸器KM的主觸頭和自鎖觸頭閉合，電動機啟動。停車時按停車按鈕SB2，接觸器KM的吸引線圈斷電，接觸器KM的主觸頭和自鎖觸頭斷開，電動機停車。

電動機正常啟動后，保護裝置就對電動機的運行狀態(tài)進行監(jiān)測，當電動機出現(xiàn)故障狀態(tài)后，如果故障發(fā)生時保護裝置工作于保護跳閘模式，則保護裝置不控制接觸器，而是直接跳開對應的斷路器QF，即跳閘輸出繼電器常開觸點閉合，斷路器QF線圈得電，斷路器QF的常閉觸點斷開，電動機停車。如果發(fā)生跳閘，斷路器QF斷開回路，按復位按鈕SB3可以復位故障。

4.2 啟動模式接線方式

保護裝置可以實現(xiàn)多種啟動方式，包括直接啟動、雙向啟動和星-三角啟動，而且對電動機啟動和停車的操作方式可以是本地操作，也可以是遠程操作。當遠程/就地端子有開關(guān)量輸入時為遠程操作模式，禁止本地操作；無開關(guān)量輸入時為就地操作模式，禁止遠程操作。

直接啟動的接線方式如圖8所示。在此工作模式下，保護裝置在上電時進入啟動就緒狀態(tài)，顯示模塊顯示“直接啟動模式”。當按啟動按鈕SB1時，保護裝置收到啟動命令，內(nèi)部啟動A繼電器常開觸點閉合，接觸器KM的吸引線圈得電，接觸器KM的主觸頭閉合，電動機啟動。當按停車按鈕SB2或有保護動作發(fā)生時，內(nèi)部啟動A繼電器常開觸點斷開，接觸器KM的吸引線圈失電，接觸器KM的主觸頭斷開，電動機停車。停車過程結(jié)束后，電動機進入啟動就緒狀態(tài)。

在圖8所示的工作模式下，當故障發(fā)生時，為了確保切出故障而又不至于損壞接觸器，保護裝置可以根據(jù)故障電流的大小，依據(jù)設置的分斷電流，自動判斷是斷開模式。當實際電流小于整定的分斷電流值時，保護裝置選擇斷開啟動A繼電器；當實際電流大于整定的分斷電流值時，保護裝置自動選擇出口跳閘繼電器。

圖8 啟動模式接線示意圖

5 測試數(shù)據(jù)及應用

按照國家標準GB/T7261-2008繼電保護和安全自動裝置基本試驗方法，在開普實驗室對保護裝置進行了各項保護功能測試，摘錄部分測試結(jié)果如表1所示。測試結(jié)果表明，該保護裝置的各項保護功能均達到了設計指標，符合相關(guān)技術(shù)要求。

表1 保護裝置的測試結(jié)果

保護裝置的電磁兼容性能均達到“量度繼電器和保護裝置”標準（GB/T 14598系列，對應IEC 60255系列）規(guī)定的電磁兼容通用要求，電快速瞬變脈沖群抗擾度檢驗和浪涌抗擾度檢驗的測試圖如圖9所示。

（a）電快速瞬變脈沖群抗擾度測試圖

（b）浪涌抗擾度測試圖

圖9 電磁兼容性檢驗測試圖

Fig. 9 Test charts of electromagnetic compatibility test

電快速瞬變脈沖群抗擾度檢驗的嚴酷等級為A級，在施加90%的動作值時裝置不誤動，在施加110%的動作值時裝置不拒動。浪涌抗擾度檢驗 嚴酷等級為Ⅲ級，在施加90%的動作值時裝置不誤動。

所設計的低壓三相電動機多功能保護裝置在電廠運行中得到了應用。電廠的生產(chǎn)特點是連續(xù)生產(chǎn)，這要求電動機的運行要符合生產(chǎn)裝置的要求，由于連續(xù)長時間運行，電動機的連接線必會發(fā)生松動，保護裝置的電流不平衡保護功能在電動機的繞組未燒壞之前將電動機實施保護。在電廠運行應用中，保護裝置沒發(fā)生過拒動和誤動故障，運行狀態(tài)良好，對各種故障類型均進行了準確的報警，有效的防止了電機意外燒毀的發(fā)生，取得很好的經(jīng)濟效益。

6 結(jié)論

本文所設計的低壓三相電動機多功能保護裝置可與接觸器、電動機起動器等電器元件構(gòu)成電動機保護控制單元，對低壓電動機所產(chǎn)生的各種故障進行全面的保護，提高低壓電動機的使用率，延長使用壽命。該保護裝置具有現(xiàn)場控制、遠程控制、參數(shù)測量、數(shù)據(jù)通信、液晶顯示、信號報警等功能，可以根據(jù)實際需要進行靈活配置，與同類裝置相比，具有多功能、高性價比、接線靈活、使用方便等優(yōu)點，可廣泛應用于煤礦、石化、冶煉、建筑等行業(yè)的電動機保護控制領(lǐng)域。

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Design and application of multifunctional protection device for the low-voltage three-phase motor

LIU Hong-xing, ZHAI Ya-fang, WU Zhan-wei

(1. XJ Electric Co., Ltd, Xuchang 461000, China; 2. School of Electronic Information & Electrical Engineering, Anyang Institute of Technology, Anyang 455000, China)

The development of multifunctional protection device for the low-voltage three-phase motor is introduced. The overall structure and the operating principle are discussed and the schematic diagrams of current/voltage input circuit, switch signal input, switch signal output, and communication interface are given. This paper analyzes the operating principle of start-up out-time protection, locked rotor protection, unbalanced current protection and overheating protection, and also introduces the hardware configuration and the typical application circuit. The protection device combines with protection, measurement, control and communication, which has the features of perfect function, cost-effective and high reliability. It can provide full protection for the various faults of the low-voltage three-phase motor, and improve the utilization and extend the service life of the motor.

low-voltage three-phase motor; protection device; locked rotor protection; overheating protection; application circuit

TM774

A

1674-3415(2014)15-0100-07

2014-03-13；

2014-05-20

劉洪星（1979- ），男，本科，工程師，主要研究方向為電力系統(tǒng)繼電保護與控制；E-mail: hongxingl@xjgc.com

翟亞芳（1979-），女，碩士，講師，主要研究方向為電力系統(tǒng)自動化、微控制器技術(shù)及應用；

吳戰(zhàn)偉（1982-），男，工程碩士，工程師，主要研究方向為電力系統(tǒng)繼電保護與控制。