淺談智能電機保護器集成及智能化研究與選型

侯文莉

安科瑞電氣股份有限公司 上海嘉定 20180111

1概述

傳(chuan) 統電機控製由常用低壓電器器件：隔離器、斷路器（熔斷器）、交流接觸器、熱繼電器（電動機保護器具有反時限保護功能替代傳(chuan) 統熱繼電器對電機的保護）、輔助電器（時間繼電器、按鈕開關(guan) 及指示燈、電流互感器、電流表等構成）來完成相應保護。而今控製回路則由集成化程度很高的智能控製器與(yu) 保護開關(guan) 所替代，智能控製器與(yu) 保護開關(guan) 完成電機的各種保護功能（電機的短路、過壓、欠壓、堵轉等）相應的按鈕開關(guan) 、轉換旋鈕開關(guan) 、及指示燈由人機交互智能控製器（替代傳(chuan) 統麵板指示燈、轉換開關(guan) 、按鈕等）來完成。控製與(yu) 保護開關(guan) 具有控製與(yu) 保護自配合特性，集控製與(yu) 保護功能於(yu) 一體(ti) ，很好地解決(jue) 了分立電器器件不能或很難解決(jue) 的器件之間的保護與(yu) 控製特性匹配問題，使保護與(yu) 控製特性配合更完善合理，實現了全麵配合。人機交互智能控製器通過網線、控製模塊、控製與(yu) 保護開關(guan) 來完成電機的控製。以集成應用實現了對電動機及配電負載控製與(yu) 保護特性，在產(chan) 品內(nei) 部自配合*的多功能電器及人機交互智能控製器，集成了傳(chuan) 統電機控製的所有功能：手自動選擇、消防接口、樓宇智能化接口、遠程控製接口、遠程通訊接口，無論從(cong) 控製可靠性以及降低人工成本和節省材料方麵使傳(chuan) 統電機控製保護理念一次革命，標誌電機控製，建築用風機等真正進入數字化時代。

2 CPS控製與(yu) 保護開關(guan)

2.1應用範圍

控製保護開關(guan) ，主要用於(yu) 交流50Hz（60Hz）、額定電壓低於(yu) 690V。工作電流小於(yu) 125A以下的電力係統中接通、承載和分斷正製造與(yu) 測試Manufacturing&Test常條件下包括規定的過載條件下的電流，且能夠接通承載並分斷規定的非正常條件下的電流（如短路電流）。

2.2保護原理

控製保護開關(guan) 目前市場主導產(chan) 品，采用模塊化的單一產(chan) 品結構型式，應用MCU數字處理技術，類似接觸器的電磁控製係統能接受通斷操作指令，控製主回路電路接通與(yu) 分斷（替代傳(chuan) 統控製接觸器和熱繼電器）。其主電路的控製由動靜橋式雙斷點觸頭，柵片滅弧室和限流式快速短路脫扣器動作機構組成，每極相互獨立，裝有限流式快速短路脫扣器與(yu) 高分段能力的滅弧係統，實現高限流特性的後備保護。在負載發生短路時，脫扣器快速（2～3ms）衝(chong) 擊打開主接觸組，同時帶動操作機構切斷控製線圈，使主電路各級全部斷開。替代傳(chuan) 統電機控製接觸器及熱繼電器保護控製。

2.3執行標準

控製與(yu) 保護器整合了傳(chuan) 統低壓電器器件完成的電機保護功能諸如：具有協調配合的時間-電流保護特性（具有反時限、短路短延時和瞬時三段保護特性）；有電機過載、堵轉、短路、欠流、過壓、欠壓、三相不平衡、啟動延時（避開啟動大電流與(yu) 過載動作時間區分開）等諸多預警和保護功能。相應控製與(yu) 保護開關(guan) 符合：GB/T14048.1低壓開關(guan) 設備和控製設備總則；GB14048.9idtIEC947-6-2低壓開關(guan) 設備和控製設備多功能電器(設備)控製與(yu) 保護開關(guan) 電器(設備CPS)標準。

2.4保護開關(guan) 特點

CPS具有多種分立元器件的組合功能，且這些功能在產(chan) 品內(nei) 部具有協調配合的特性，因此，由CPS構成的電控係統與(yu) 由分立元件構成的係統對比具有以下的特點和優(you) 勢：

（1）隻要根據負載功率（380V電動機1kW約等於(yu) 2A、220V電動機1kW約等於(yu) 5A）或電流，代替了以往的包括自電源進線端至負載端的各種電器；且大大減輕了設計人員，安裝工程的工作量。

（2）具有很高的運行可靠性和係統的連續運行性能，即CPS在分斷短路電流後無需維護即可投入使用，即具有分斷短路故障後的連續運行性能。

（3）CPS進行了不少於(yu) 3000次AC-44（籠型感應電動機：起動、運轉中分斷）電壽命後，緊接著完成額定運行短路電流分斷能力（O-CO-CO）試驗後，仍具有不小於(yu) 1500次的AC-44操作性能，這是由斷路器、接觸器等分立元件構成的電控係統難以達到的性能。

2.5各項保護簡述

主要的保護功能：與(yu) 電流相關(guan) 的過載、斷相、短路等保護功能，以及與(yu) 電壓相關(guan) 的欠壓、過壓等保護功能。這些功能經內(nei) 在固有的協調配合，使得CPS能夠在分斷直至其額定運行短路分斷電流Ics後連續運行。主要控製功能，能夠就地手動控製與(yu) 遠程的手動控製，以及自動控製等。

2.5.1啟動延時時間及過流保護

啟動延時時間設定範圍：1～99s，在啟動時間內(nei) ，隻對過壓、欠壓、短路、漏電、斷相及三相不平衡進行保護，避免開機大電流和過電流的保護。

常規控製：通常采用時間繼電器（時間可以預置，預置時間範圍1～99s）和相應電動機保護器（具有過流保護功能，保護器的規格根據被保護電機功率大小而確定）進行組合來完成保護功能。時間繼電器的作用是避開電機大電流啟動和過電流（電動機啟動如在設定的時間還未啟動則強製轉換：如電機星三角啟動）。

2.5.2過流保護

根據負載電流I值來設定保護脫扣器工作電流Ie，通常設定原則：負載電流I＞80%Ie（Ie＜1.25I）如負載電流I=100A，則設定電流Ie=125A。過流保護動作時間：根據負載特性設定（傳(chuan) 統熱繼電器的反時限特性、來確定）。控製保護開關(guan) 保護曲線（Ie---tcs）反時限特性有F1、F2、F3、F4模式來確定對應的過流倍數，與(yu) 保護時間對應關(guan) 係遵循反時限特性。選擇不同F1、F2、F3、F4確定開關(guan) 過流保護動作時間。

控製保護開關(guan) 、起動、過流I-t曲線圖解析：

1)起動階段：可根據負載選擇設定起動時間（1＜t＜99s）,在此階段起動瞬間電流I＞3.5Ie以上，通常在3.0-3.5Ie之間完成起動過程。

2)正常運行：1.0Ie運行情況下。

3）過流狀況：在運行情況下，工作電流1.0Ie＜I＜1.4Ie時控製預警發出，進入過流延時脫扣工作準備，隻要檢測不越限延時脫扣器不工作，直至到2.0Ie延時過流脫扣器工作，相應保護開關(guan) 動作進行過流保護。

2.5.3過壓、欠壓保護

過壓、欠壓參數值通常根據用電設備長期工作情況下而確定，保證被保護的電器產(chan) 品既不能在過壓以及欠壓狀況下長期運行，避免電器器件的損壞。過壓情況判定：U＞120%Ue;欠壓情況判定：U＜70%Ue；在相應動作保護時間≤10s（10s工作時間不足於(yu) 使電器在過壓及欠壓狀況下損壞）

2.5.4欠流保護

欠流保護設定，可以避免用戶未根據負載電流設定欠流值，使電機在控製保護開關(guan) 範圍內(nei) ，尤其對不能空載的電機進行有效保護。通常欠流值設定在30Ie，一旦電機運行電流值小於(yu) 欠流設定值，保護器預警發出，並在規定的保護動作時間內(nei) 進行保護。保護動作時間≤30s。

2.5.5三相電流不平衡保護（兼斷相保護功能）

對用電設備電機在運行過程中，三相不平衡會(hui) 導致達到數倍電流不平衡的發生。誘導電動機逆扭矩增加，從(cong) 而使電動機的溫度上升，效率下降，能耗增加，發生震動，輸出虧(kui) 耗等影響。各相之間的不平衡也使用電設備壽命縮短，加速設備部件更換頻率，增加設備維護成本。

目前判定三相電流不平衡度的方法用兩(liang) 種：

a)取三相最大線電流Imax和最小線電流Imin，由以下公式確定三相電流不平衡度：三相電流不平衡度%＝(Imax-Imin)/Imax·100%;

b)取三相最大線電流Imax和三相線電流平均電流值I線均流，由以下公式確定三相電流不平衡度：

三相電流不平衡度%＝(Imax-I線均流)/Imax·100%;其中：I線均流＝(IA+IB+IC)/3

比如負載三相電流值：IA＝85A;IB＝97A;IC＝120A;

采用上述兩(liang) 種三相電流不平衡度分別計算為(wei) ：

a)(120-85)/120·100%＝29.2%;

b)(120-100.67)/120%＝16.1%;其中100.67=(85+97+120)/3

從(cong) 計算數據來分析，a）方案明顯要比b）方案要嚴(yan) 苛，對電機負載保護也更可靠。目前普遍采用a）方案居多。保護器設定三相電流不平衡度保護範圍：20%～75%，不平衡度越小表明三相電流最大與(yu) 最小差值越小，相應越大則三相電流最大與(yu) 最小差值越大，大到超出設定允許電流不平衡度75%以上時，可以判斷三相電源其中一項已基本呈斷相狀態，此時保護器呈不平衡保護狀態，並在相應保護時間內(nei) （≤3s）起到保護作用。

2.5.6堵轉保護

堵轉保護是防止電機驅動設備出現嚴(yan) 重運轉堵塞或電機超負荷運轉而發熱損壞電機。其堵轉電流可達到額定電流4～8Ie，與(yu) 電機啟動電流值相當，但與(yu) 之不同的是電機啟動電流最大值通常在電機接通電源0.025s內(nei) 產(chan) 生，隨後電流隨時間推移按指數規律衰減，衰減速度與(yu) 電機的時間常數有關(guan) ；而電機堵轉電流並不隨時間推移而衰減保持不變；對電機運行而言，電流超過額定電流值就是過載，過載最為(wei) 嚴(yan) 重的就是堵轉。

保護器一旦檢測到電機呈堵轉工作狀態，控製保護開關(guan) 動作時間在≤0.5s保護工作。

2.5.7短路短延時保護

當控製保護開關(guan) 工作電流達到額定電流＞8Ie以上時，控製保護開關(guan) 動作時間≤0.2s。

2.5.8漏電保護

控製保護開關(guan) 漏電保護是通過內(nei) 置的零序互感器來測量電機運轉與(yu) 接地故障情況，以零序電流的大小來判斷是否啟動漏電保護功能。漏電≥50mA（漏電電流值可根據用戶要求有幾種漏電電流值可供選擇：50mA、75mA、100mA、150mA、200mA、300mA、400mA、500mA）。控製保護開關(guan) 動作時間≤0.2s。

3智能控製器

將傳(chuan) 統的按鈕、指示燈、轉換開關(guan) 等集成至智能控製器中，來完成人機交互智能控製。麵板上設有：手動、自動、報警、低速、高速、停機指示工作燈。手動按鈕、低速、高速、停止按鍵、報警蜂鳴器。安裝方式采用麵板安裝與(yu) 控製模塊用RJ45網線連接。使控製類似與(yu) PLC配套的工控屏HMI，使控製麵板簡捷明了。

4控製模塊

控製模塊在該係統中起到智能控製器與(yu) 電機保護開關(guan) 的連接及鈕帶作用。模塊內(nei) 部軟件采用冗餘(yu) 邏輯分析處理算法實現控製邏輯，從(cong) 而可靠的實現對保護開關(guan) （CPS）與(yu) 智能控製器連接與(yu) 控製。保護器采樣和執行情況由控製模塊來完成，並將信息通過標準RJ45網線傳(chuan) 輸至智能控製器麵板。控製模塊根據不同的保護控製選擇相應規格來完成電機的保護。

控製模塊上配有可插拔端子，便於(yu) 連線和維護。控製模塊可以直接驅動交流接觸器、CPS控製保護器、也可通過AC220V中間繼電器驅動軟啟動器。模塊類型按需求控製分為(wei) ：高低速電機控製器、兩(liang) 台電機獨立控製、降壓啟動控製器、正反轉控製器、排風送風控製器、三台電機控製（兩(liang) 用一備型，軟啟動型）、兩(liang) 用一備三角型、汙水泵、消防泵、軟啟動型、星三角型電路電機控製等。

5控製流程框圖簡介

在智能控製器（人機界麵）上無論手動狀態還是自動狀態均可控製電機（消防泵、汙水泵、星三角、軟啟動）正常啟停。控製模塊與(yu) 電機控製保護器（類似KBO）配套，並將電機控製保護器所采集的故障經反饋回路反饋至控製模塊中，並通過網線傳(chuan) 輸至智能控製器（人機界麵）上的故障指示（用聲光報警）。

（1）高度集成，數字化控製降低控製成本。

（2）在控製連接上采用RJ45接口網線控製，極大簡化維修及售後成本，沒有以往複雜的二次線路連接，如有問題可更換智能控製器和相應控製模塊即可。

（3）整體(ti) 控製質量得到提升，由原始的多個(ge) 分離控製器件及導線、接線端子而成，無論分離器件或導線連接出現鬆動都會(hui) 引發控製故障。現將上述功能高度集成為(wei) 控製器件，大大提升了控製質量及品質。

（4）采用模塊化的設計，體(ti) 積小、功能完備、接線簡單，使用方便，故障率低的特點，極大的方便了使用和安裝調試的整個(ge) 過程。

6安科瑞ARD係列智能電動機保護器介紹與(yu) 綜合選型

6.1產(chan) 品簡介

ARD該係列低壓電動機保護器，具有過載、斷相、不平衡、欠載、接地/漏電、堵轉等保護功能。可與(yu) 接觸器、電動機起動器等電器元件構成電動機控製保護單元，具有遠程自動控製、現場直接控製、麵板指示、信號報警、現場總線通信等功能。應用範圍：可廣泛應用於(yu) 煤礦、石化、冶煉、電力、建築等行業(ye) 的配電領域。

6.2產(chan) 品選型

產(chan) 品功能

7結束語

智能控製器以及控製器件和電機保護器整合設計，不僅(jin) 簡化以往控製、二次配線的繁瑣，提高裝配效率，減少調試及故障率。最關(guan) 鍵可以得到一個(ge) 性價(jia) 比高，功能完善的控製方式，可以替代並實現PLC的功能。智能控製的數字化實現，定能會(hui) 逐步替代傳(chuan) 統的控製方式，具有很好的市場前景，也是控製行業(ye) 創新升級的替代品。

【參考文獻】

[1]錢金川.基於(yu) 電機控製保護器集成及智能化研究[J].國電子商情:基礎電子,2018（000):012.

[2]安科瑞企業(ye) 微電網設計與(yu) 應用手冊(ce) .2020.06版.

作者簡介：

侯文莉，女，本科安科瑞電氣股份有限公司，主要研究方向為(wei) 電動機保護器的設計與(yu) 應用