1、微機電動機保護裝置新技術(shù)摘 要：隨著微機在繼電保護的應(yīng)用，微機電動機保護裝置出現(xiàn)了許多新技術(shù)，一些常規(guī)的保護也有所更新。本文綜合性地介紹了目前國內(nèi)外微機電動機保護裝置裝置的最新技術(shù)和功能及應(yīng)用。關(guān)鍵字：微機 電動機 繼電保護1引言隨著微機在繼電保護的應(yīng)用，其快速的計算性、良好的存儲及強大的網(wǎng)絡(luò)功能，為電動機的綜合保護提供許多常規(guī)繼電保護無法完成的技術(shù)和功能。本文將介紹目前國內(nèi)外微機電動機保護裝置（以下簡稱保護裝置）最新的，以及常規(guī)繼電保護所不具備的技術(shù)和功能及應(yīng)用，為全面了解微機電動機保護提供參考。2過負(fù)荷保護新功能與常規(guī)機電式單曲線過負(fù)荷保護不同，保護裝置通常提供標(biāo)準(zhǔn)、I2t、防爆電動機及自

2、定義等多種過負(fù)荷曲線供用戶選擇，而且自定義過負(fù)荷保護曲線還可以隨著電動機啟動時機端電壓的不同，在最小允許啟動電壓和額定電壓之間動態(tài)變化，而目前多數(shù)保護裝置主要采用的是熱映像和溫度傳感器過負(fù)荷保護1。3接地故障保護新功能3.1啟動與運行保護功能分別設(shè)置保護裝置可將接地保護的啟動與運行保護功能分別設(shè)置。例如，啟動時設(shè)為跳閘，運行時設(shè)為發(fā)信號。3.2間歇性接地故障保護對于最初絕緣損壞由電弧作用引起的瞬時間歇性接地故障，保護裝置也可將故障保護設(shè)置為延時復(fù)歸，如在設(shè)定的復(fù)歸時間內(nèi)再次發(fā)生故障，接地保護將繼續(xù)維持啟動狀態(tài)，這樣就加寬了瞬時間歇性接地故障的脈沖寬度，可使此類故障在崩燒前得到保護。3.3零序方

3、向接地保護保護裝置中的零序方向接地保護可以設(shè)定至0.2%IN，能滿足其繼電特征角整定為0，且整定值在小范圍內(nèi)可調(diào)的要求，所以在實際應(yīng)用中是很成功的。3.4零序功率方向保護由于零序功率測量是基于VO和IO檢測得到的結(jié)果，因而其抗誤動作的安全性大大提高，而一些鐵芯平衡式電流互感器卻常會在無接地故障時產(chǎn)生誤動作輸出。這也是為什么零序方向接地故障保護裝置中需要設(shè)計可調(diào)極化整定值VO的原因。零序方向功率保護繼電特征角的整定與零序方向接地保護相同11。4低/過電壓保護新功能保護裝置的低電壓和過電壓保護均可具有兩段，通常I段具有反時限或定時限跳閘特性，段具有定時限跳閘特性，根據(jù)電壓變化的嚴(yán)重程度動作時間亦不

4、同。低電壓保護反時限特性計算公式如下： （1）過電壓保護反時限特性計算公式如下： （2）式中：t動作時間，秒；K時間常數(shù)整定值；U保護裝置輸入電壓標(biāo)幺值。5整定值自動加倍功能保護裝置是對電動機進行綜合性保護的裝置，設(shè)有許多常規(guī)繼電保護無法完成的保護技術(shù)，自動加倍功能就是其中之一。5.1電流速斷保護自動加倍功能該功能是將電動機電流速斷保護的整定值，設(shè)定的低于電動機的啟動電流，可提高電流速斷保護的靈敏系數(shù)，電動機啟動時整定值自動加倍，可躲過Ist及其非周期分量。通常為： （3）式中：Iset.db電流速斷保護自動加倍功能整定值；Ist電動機起動電流2。5.2差動保護自動加倍功能與電流速斷保護自動加

5、倍功能相適，該功能是在電動機啟動過程中將差動保護最小動作電流和比率制動系數(shù)自動加倍，以防止在電動機較大的啟動電流下，由于始末端TA不平衡電流引起差動保護誤動作。在應(yīng)用時應(yīng)當(dāng)注意，當(dāng)距被保護電動機較近的供配電系統(tǒng)發(fā)生短路時，電動機將向短路點饋出短路電流，饋出電流的幅值和維持時間與短路的形式及電動機至短路點的電氣距離以及電動機的負(fù)荷率有關(guān)。如果發(fā)生的是近距離金屬性短路，電動機的饋出短路電流約為Ist，并伴有非周期分量，因此，將導(dǎo)致保護誤動。另外，如果電動機參加再起動，當(dāng)供配電系統(tǒng)發(fā)生瞬時失壓3，如果不采用閉鎖，自動加倍功能的使用也會使保護誤動。因此，在滿足保護靈敏系數(shù)時不宜使用自動加倍功能。6不平

6、衡保護保護裝置具有不平衡保護，其監(jiān)測不平衡電流的方法分為負(fù)序分量法與差流法。6.1負(fù)序分量法利用負(fù)序電流完成的不平衡保護有以下優(yōu)點： 反時限特性能夠忽略輕微的瞬時不平衡，但能快速檢出嚴(yán)重的不平衡狀態(tài)，還可選擇性地清除系統(tǒng)中出現(xiàn)的外部兩相故障； 可以避免由于啟動電流造成電流互感器飽和而引起的不必要的跳閘發(fā)生； 可以保證快速切除故障，而且在使用熔斷器保護電動機時仍可與熔斷器相配合。負(fù)序保護的反時限特性公式為： （4）式中：一負(fù)序反時限時間常數(shù)；I2一負(fù)序測量值；IN一電動機額定電流。6.2差流法通過相差流完成不平衡的方法簡單。6.2.1平均差流法平均差流法不平衡保護的計算公式如下：當(dāng) ； （5）當(dāng)

7、 ； （6）式中：Iav平均相電流；Imax最大相電流；6.2.2最大差流法最大差流法不平衡保護的計算公式如下：當(dāng) ； （7）當(dāng) ； （8）式中：Imin一最小相電流4。7低電流保護保護裝置設(shè)有低電流保護，對電動機與驅(qū)動設(shè)備突然丟失負(fù)荷及傳動帶或軸斷裂進行保護。只有當(dāng)電動機有功功率大于5%IN且斷路器接通時保護裝置才投入。在啟動過程中及空載情況下，有時功率也達不到保護整定值，這時有必要在一定時間內(nèi)閉鎖該保護。8電動機過熱禁止再啟動保護當(dāng)電動機因過熱保護切除后，保護裝置檢查電動機的過熱比是否降低到整定的過熱閉鎖值以下，如否,則保護出口繼電器不返回，禁止電動機再啟動，避免由啟動電流引起過高溫升損壞

8、電動機。緊急情況下，如在過熱比較高時，需啟動電動機，可以按裝置面板上的“復(fù)歸”鍵，人為清除裝置記憶的過熱比值為零。9堵轉(zhuǎn)保護9.1啟動期間堵轉(zhuǎn)保護該保護僅在電動機啟動期間投入，但需在電動機上裝設(shè)轉(zhuǎn)速檢測裝置，輸出數(shù)字信號作為保護裝置的輸入。在電動機起動期間，如果在該保護延遲時間結(jié)束時轉(zhuǎn)速輸入仍為零，則表明電動機堵轉(zhuǎn)。9.2正常運行期間堵轉(zhuǎn)保護該功能是在啟動及再起動期間以外投入，通常整定方式與超時起動保護相同。另外，整定時間也可以小于電動機正常啟動時間，但必須在再起動期間閉鎖該保護5。9.3異步電動機自適應(yīng)堵轉(zhuǎn)保護自適應(yīng)堵轉(zhuǎn)保護是根據(jù)異步電動機堵轉(zhuǎn)與正常運行狀態(tài)時轉(zhuǎn)差率的差別，以視在阻抗的相角作

9、為判據(jù)實現(xiàn)的。利用該方法能對起動與正常運行過程中發(fā)生的堵轉(zhuǎn)實現(xiàn)快速保護，解決了常規(guī)保護不能保護堵轉(zhuǎn)時間小于起動時間的難題6。10 超時起動保護該保護是僅在電動機啟動時投入的定時限保護，作為過負(fù)荷及啟動期間堵轉(zhuǎn)保護的補充。通常電流整定值為過負(fù)荷電流整定值的兩倍，整定時間為電動機正常啟動時間的1.2倍，但應(yīng)小于電動機的耐受時間。11 磁平衡差動保護磁平衡差動保護是在電動機出線盒內(nèi)配有專用磁平衡互感器,無論電動機容量如何互感器的變比均為50/5A，同相線圈的始端和末端共同穿過互感器，主要用于相間短路或匝間短路的主保護。在電動機起動過程中，保護增設(shè)短延時以躲過電動機起動過程中瞬時暫態(tài)峰值電流。磁平衡差

10、動保護是與其他保護、控制、測量及通訊共同裝設(shè)在同一保護裝置中8。12 同步電動機保護同步電動機除了一些常規(guī)的保護功能外還需要一些特殊的保護功能。12.1失步保護同步電動機失步會出現(xiàn)過電流、功率因素極低和轉(zhuǎn)矩脈動，導(dǎo)致最終停機。保護裝置檢測電動機的功率因素低于整定值時，經(jīng)過一段延遲時間發(fā)出跳閘信號。12.2失磁保護該保護以電動機機端視在阻抗反映低勵或失磁故障，由兩個阻抗圓構(gòu)成，一個為靜穩(wěn)邊界阻抗圓，另一個為穩(wěn)態(tài)異步邊界阻抗圓。電動機發(fā)生低勵或失磁故障后，總是先通過靜穩(wěn)邊界進入穩(wěn)態(tài)異步運行。根據(jù)失磁過程中機端阻抗的變化軌跡，采用阻抗原理作為電動機的低勵或失磁故障保護。12.3逆功率保護當(dāng)饋線斷電時

11、，由于負(fù)載的慣性，同步電機變成了發(fā)電機，感應(yīng)電機開始以發(fā)電機的形式工作。逆功率保護的目的是檢測逆向的能量流，避免電機把出現(xiàn)的故障饋送到電網(wǎng)上。12.4低頻率保護保護裝置的低頻率保護的整定取決定于實際的系統(tǒng)，因為即便是在正常運行狀態(tài)下，系統(tǒng)頻率也是可能存在偏差的。為了使電動機在電源頻率發(fā)生波動時不會產(chǎn)生不必要的跳閘，應(yīng)確定最低電源頻率并將保護整定到該值以下。12.5轉(zhuǎn)子一點接地保護該保護采用乒乓式開關(guān)切換原理，由微機控制的電子開關(guān)閉合或斷開時，測得的測量電阻上電壓差，通過求解兩個不同的接地回路方程，實時計算轉(zhuǎn)子接地電阻和接地位置。當(dāng)接地電阻小于或等于整定值時，經(jīng)延時發(fā)出信號或動作于跳閘。13 可

12、編程方案邏輯保護裝置可以實現(xiàn)豐富的可編程方案邏輯功能，用戶可以根據(jù)需要自己編程電動機起動次數(shù)限制、工藝聯(lián)鎖控制、緊急起動、跳閘輸出接點自保持、接點輸入、輸出參數(shù)、LED指示燈等定義保護和控制的邏輯功能，滿足獨特需要的特殊功能的保護。14 多套整定值的切換保護裝置可設(shè)有多套整定值，通過輸入接點或遠程控制可在各套整定值之間切換，可完成降壓啟動及雙速電動機等精確保護。15 負(fù)荷終端保護將電動機、變壓器及線路等的各種保護綜合為統(tǒng)一的負(fù)荷終端保護是保護裝置方向的發(fā)展。利用模塊化技術(shù)，負(fù)荷終端保護裝置不但可完成上述各種電動機保護，而且可作為各種變壓器、線路及其他電器設(shè)備的保護。16 報警及控制功能保護裝置

13、除保護功能外還具有報警及控制功能等其它功能。16.1過熱預(yù)報警當(dāng)熱狀態(tài)達到過熱預(yù)報整定值時保護裝置將發(fā)出報警信號，通常，過熱預(yù)報整定值用電動機熱狀態(tài)的百分比表示。16.2控制回路異常報警保護裝置采集斷路器的跳位和合位，當(dāng)控制電源正常、斷路器位置輔助接點正常時，必有一個跳位或合位，否則，經(jīng)延時控制回路發(fā)出異常報警信號。16.3啟動時閉鎖過熱跳閘當(dāng)電動機的啟動條件較為惡劣時，如較長的啟動時間或很大的啟動電流，這種情況下，有可能需要閉鎖保護裝置的熱過負(fù)荷功能。當(dāng)投入該功能后，如果在電動機啟動結(jié)束前，計算得出的熱狀態(tài)達到90%，那么在剩余的啟動時間內(nèi)，該值將被一直保持為90%。直到啟動結(jié)束后，保護裝置

14、才解除閉鎖。需要注意的是，該禁止功能不影響過熱報警動作。16.4短時重復(fù)啟動閉鎖該項功能用于防止運行人員在較短的時間內(nèi)頻繁地起動電動機。閉鎖熱狀態(tài)整定值宜根據(jù)電動機的熱再啟動承受能力而定。當(dāng)熱狀態(tài)回落至整定值以下時，將解除啟動閉鎖功能。16.5低電壓啟動閉鎖該功能用于防止電動機在低電壓時啟動。典型整定是為80% - 90%Vn。16.6逆相序閉鎖保護裝置可檢測電動機輸入電壓的相序及幅值。在正常情況下，電動機正序電壓應(yīng)大于負(fù)序電壓，且三相電壓應(yīng)大于整定值，如果不滿足將發(fā)出報警，并閉鎖控制回路。只有當(dāng)供電相序正確，電壓幅值符合要求時才能啟動電動機。16.7接觸器互鎖控制功能保護裝置可以對兩臺接觸器

15、的控制，實現(xiàn)保護裝置內(nèi)部互鎖，可以安全可靠地保證電動機的正、反轉(zhuǎn)運行。16.8熔斷器閉鎖對于采用F-C柜控制的電動機，當(dāng)保護電流超過熔斷器遮斷電流整定值時，保護裝置閉鎖電流保護出口，并發(fā)出閉鎖信息，而后，如電流突變?yōu)榱愣佑|器仍吸合，即發(fā)出熔斷器熔斷指示信號 9。16.9差流越限告警當(dāng)任一相差電流大于0.08In，持續(xù)時間超過10 秒時，保護裝置發(fā)出差流越限告警信息。在電動機起動過程中，不判斷差流越限10。16.10差動保護TA斷線檢測功能延時差流越限告警功能：裝置實時檢測差流，當(dāng)任一相差流大于0.2倍門檻電流整定值時間超過10秒時，發(fā)差流越限告警信號，但不閉鎖差動保護，這也兼起保護裝置交流回

16、路的自檢功能。瞬時TA斷線告警在差流越限或差流大于差動門坎時投入，當(dāng)此時最大相電流大于“TA斷線投入上限”定值時（此定值由用戶給定，一般為1In），不進行該側(cè)TA斷線判別，某側(cè)三相電流中只有一相為零時，才認(rèn)為是TA斷線。16.11差動保護TA斷線閉鎖功能與常規(guī)的保護不同，保護裝置的TA斷線報警和閉鎖功能是在差動組件動作后進行判別的。為防止瞬動時TA斷線的誤閉鎖，下述任意一個條件滿足均不進行TA斷線判別： 比率差動保護起動前各側(cè)最大相電流小于0.08In； 比率差動保護起動后最大相電流大于1.2In； 比率差動保護起動后電流比起動前電流增加。機端與中性點兩側(cè)六路電流同時滿足下列條件認(rèn)為是TA斷線

17、： 一側(cè)TA的一相或兩相電流減小至比率差動保護起動； 其余各路電流不變。可選擇TA斷線發(fā)報警信號的同時是否閉鎖差動保護。如果保護裝置中的差動保護退出運行，則TA斷線的報警和閉鎖功能自動退出。當(dāng)TA斷線條件不滿足后，TA斷線信號及指示燈自動復(fù)歸，并自動解除保護出口閉鎖7。16.12跳閘回路監(jiān)視保護裝置可以在斷路器開斷和合閘狀態(tài)下，對跳閘回路進行監(jiān)視。監(jiān)視是通過光電隔離輸入接點和可編程的方案邏輯來實現(xiàn)。16.13TV斷線檢測TV 斷線后，閉鎖低電壓保護，發(fā)出報警信號，待電壓恢復(fù)正常后保護返回。16.14緊急重啟動如果電動機對生產(chǎn)工藝和安全比電動機保護更為重要，即使在嚴(yán)重過載條件下也必須持續(xù)運行，可

18、投入本功能。此時清除保護裝置中的熱記憶。16.15再起動功能當(dāng)供配電系統(tǒng)發(fā)生電壓驟降時，保護裝置可以將停運的電動機在設(shè)定的時間自動恢復(fù)至運行狀態(tài)。16.16斷路器狀態(tài)監(jiān)視功能對于斷路器的每一次跳閘，保護裝置都將予以記錄。每當(dāng)保護裝置發(fā)出一次跳閘指令，斷路器狀態(tài)監(jiān)視計數(shù)器就會更新一次。16.16.1斷路器分?jǐn)嚯娏鞅O(jiān)視油斷路器換油周期根據(jù)故障跳閘次數(shù)來確定，氣體/真空斷路器需要測試壓力。保護裝置監(jiān)視故障電流的平方和的累計值，以便于對斷路器狀態(tài)作出更準(zhǔn)確的判斷。16.16.2斷路器操作次數(shù)監(jiān)視斷路器的每一次操作都會使其部件受到一定程度的磨損。所以，應(yīng)根據(jù)斷路器的操作次數(shù)來確定定期維護。適當(dāng)?shù)脑O(shè)定維護

19、整定值可以讓保護裝置在斷路器達到預(yù)設(shè)的動作次數(shù)后發(fā)出報警信號，提醒維護人員適時對斷路器進行常規(guī)維護。某些斷路器如油開關(guān)，在不進行維護的情況下，只允許動作一定的次數(shù)。這是因為每一次的故障跳閘都會使油炭化，從而降低絕緣性能。此時，應(yīng)設(shè)定合適的維護報警整定值，以提醒維護人員及時對斷路器進行油樣絕緣測試或全面的維護保養(yǎng)。16.16.3斷路器動作時間監(jiān)視斷路器動作遲緩也是操作機構(gòu)需要維護的征兆之一。所以保護裝置設(shè)計報警整定值，可變范圍在5500ms之間。該時間的整定取決于斷路器本身的設(shè)計動作時間。16.17斷路器的控制斷路器用就地/遠程選擇開關(guān)可實現(xiàn)遠程控制及保護跳閘。斷路器合、跳閘控制脈沖寬度可以由合

20、、跳閘脈沖持續(xù)時間來進行整定，以保證在控制脈沖消失前，斷路器已經(jīng)完成合閘和跳閘操作。如果在出現(xiàn)合閘命令的同時，出現(xiàn)了保護跳閘信號，保護跳閘信號優(yōu)先于合閘命令。如果斷路器未能響應(yīng)控制命令，那么當(dāng)相應(yīng)的合閘或跳閘控制脈沖消失后，保護裝置將產(chǎn)生斷路器跳閘失敗或斷路器合閘失敗的報警信號。16.18遠方和就地控制功能保護裝置面板上裝有就地控制按鈕，通過面板上的控制按鈕可以方便地對電動機實施啟、停控制；另外通過保護裝置的外接端子，可以實現(xiàn)電動機的遠方硬手操的啟、停控制；通過現(xiàn)場通訊總線方式，也可以實現(xiàn)對電動機的遠方軟手操的啟、停控制。保護裝置面板上設(shè)有遠方和就地控制切換開關(guān)，可以實現(xiàn)遠方和就地控制的互為閉

21、鎖。此外，保護裝置還具有兩次起動間的最小時間間隔及允許再起動控制功能，以及電動機全部運行時間（包括啟動條件下）及最后一次成功啟動過程中的最大平均電流監(jiān)視和記錄等功能。17 非保護功能保護裝置還集成許多常規(guī)保護不具備的非保護功能。17.1測量功能保護裝置內(nèi)部設(shè)有高速采集芯片，通過對采集的數(shù)據(jù)進行濾波計算之后，顯示各序電流、各序電壓、熱狀態(tài)、功率因數(shù)、頻率、功率、電度、軸承溫度及累計運行時間等物理量，實現(xiàn)就地監(jiān)測；同時，這些量也可以通過通訊總線或其它輸入接口傳送到控制中心，實現(xiàn)遠方監(jiān)測功能。17.2通訊功能保護裝置具有標(biāo)準(zhǔn)的ProfiBus-DP接口或雙線ModBusRTU協(xié)議RS485通訊接口。

22、無論哪種總線接口，都可以方便、快捷地實現(xiàn)與監(jiān)控系統(tǒng)、PLC通訊聯(lián)網(wǎng)，從而實現(xiàn)遠方智能管理，完成遙測、遙信及遙控等功能。串口的作用是在保護裝置和各種遠端的計算機、可編程控制器（PLC）以及分散控制系統(tǒng) (DCS)之間進行通信。可以用來安裝在計算機查看電動機的狀態(tài)、實時數(shù)據(jù)，查看或者修改設(shè)置。17.3自檢功能保護裝置設(shè)有自檢功能，在開機及正常運行中不斷對硬件及軟件進行自檢，監(jiān)視運行時的故障狀態(tài)，如果自檢系統(tǒng)檢測到內(nèi)部故障或控制電源消失等異常現(xiàn)象，所有保護功能和輸出接點都將被閉鎖，以防止保護裝置誤動作，此時，狀態(tài)指示燈熄滅或閃爍，并在顯示屏上顯示故障信息，實現(xiàn)快速故障分析，同時維護端子打開（看門狗電

23、路），接點接至適當(dāng)?shù)南到y(tǒng)信號輸入，將根據(jù)故障類型做出相應(yīng)的處理，故障消失后可以迅速復(fù)位并恢復(fù)正常運行。17.4固件升級嵌入保護裝置內(nèi)系統(tǒng)最底層的工作軟件稱為固件。通過面向?qū)ο蟮脑O(shè)計和編程技術(shù)設(shè)計各種功能模塊方式，生成保護類。在這個保護類中，保護組件如延時過電流、瞬時過電流、電流差動、低電壓、過電壓、低頻、距離等都是類中的對象。可以安裝在任何保護裝置中，用于測量、I/O 控制、HMI、通信，或者系統(tǒng)中的其它任何功能體，獲得與硬件構(gòu)造一樣的模塊性、可測量性和靈活性。固件可通過軟件就地或遠程進行升級8。電動機監(jiān)控和統(tǒng)計功能保護裝置記錄下各種數(shù)據(jù)以供電動機維修保養(yǎng)計劃作參考。由電動機統(tǒng)計功能所存儲的信

24、息包括： 運轉(zhuǎn)和停止時間； 總的兆瓦小時； 啟動次數(shù)； 啟動時間和電流的平均值和峰值； 運轉(zhuǎn)時電流和功率的平均值和峰值； RTD溫度的平均值和峰值； 所檢測到的電動機參數(shù)； 保護元件發(fā)出警告和跳閘次數(shù)。17.5負(fù)荷和事件記錄及故障錄波保護裝置投用后，負(fù)荷記錄、事件記錄及故障錄波對電動機故障的分析非常重要。保護裝置負(fù)荷記錄功能可以跟蹤記下電動機的相電流和中心點電流的幅值、熱容的百分?jǐn)?shù)、不平衡電流的百分?jǐn)?shù)、相間電壓值、有功功率值、無功功率值、視在功率值及系統(tǒng)頻率等負(fù)荷及使用情況12。保護裝置可以存儲帶時標(biāo)的事件記錄，并由電池備電。這些記錄可通過通訊端口提取或通過面板上的液晶顯示器顯示。保護裝置內(nèi)的故障錄波器可錄入故障前后的波形，每個周波為32點采樣，記錄內(nèi)容包括模擬數(shù)據(jù)通道、邏輯開入、開出數(shù)據(jù)通道以及系統(tǒng)頻率。錄波的觸發(fā)方式為任一被選保護報警信號、動作越限信號、邏輯開入信號以及遠控命令，所有通道和觸發(fā)源均可由用戶設(shè)置，并存儲在有電池備電的內(nèi)存中，也可以經(jīng)遠程通信從保護裝置中提取。17.6GPS 對時各保護裝置內(nèi)的時標(biāo)對事件記錄和故障錄波非常重要，通過與變電站自動化主站通信可得到年月日時分秒的信息，也可通過GPS接收器實現(xiàn)毫秒級對時，精度可小于1ms。18 保護裝置調(diào)試18.1密碼保護；保護裝置的整定值、延時、通信參數(shù)、輸入輸出的功能分配等受密碼