智能電動機控制保護裝置的概況及分析

　　摘 要：簡要分析了電動機保護與控制的特征及關鍵技術，介紹了一種集測量、診斷、保護、控制和總線通信于一體的智能型電動機保護裝置及其在智能變配電網絡中的應用

　　關鍵詞:電動機；保護與控制；智能

　　0 引言

　　  計算機技術、通信技術和微電子技術的迅速發展、互相結合，使信息技術得到了高速發展，并將人類社會帶進信息社會。2003年，美國電科院首先提出《智能電網研究框架》后，*隨之掀起了一股智能電網熱潮。2009年3月，國家電網公司提出了“建設堅強智能電網”，拉開了中國智能電網建設的序幕。

　　1 智能變配電系統介紹

　　1.1 智能電網

　　  智能電網的研究依然處于起始階段，至今還沒有一個統一的定義。目前，初步形成的智能電網的基本概念是：以物理電網為基礎，將*傳感測量技術、通信技術、信息技術、計算機技術、控制技術和決策支持系統技術與物理電網高度集成而形成的新型電網，其目標在于使電網更加安全、可靠、經濟與環保。智能電網的總體特征如圖1所示。

圖1 智能電網總體特征

　　  智能電網建設將帶動信息化平臺、調度自動化系統、電網穩定控制系統、柔性交流輸電、變電站自動化系統、微機綜合繼電保護系統、配電自動化系統、用電管理采集系統和智能電器的市場需求。

　　1.2 智能變配電系統

　　  80%以上的電能是通過用戶端配電網絡傳輸到用戶并在終端用電設備上消耗的，變配電網絡是構建堅強智能電網的重要組成部分，這就對配電系統運行的可靠性及其智能化管理提出了更高的要求。利用現代電子技術、傳感器技術、通信技術、計算機及網絡技術，將電力設備正常及事故情況下監測、保護、控制、電力計量同工廠集散控制系統DCS、PLC、企業資源計劃管理融合一起，達到高層次、高透明度良好管理，已成為一種必然趨勢和發展方向。智能變配電系統的概念應運而生。

　　  智能變配電系統由具有通信功能的智能化元件經數字通信與計算機系統網絡連接，實現變電站設備運行管理的自動化、智能化?？蓪崿F數據的實時采集、數字通信、遠程操作與程序控制、保護定值管理、事件記錄與告警、故障分析、各類報表及設備維護信息管理等功能。其基本構架如圖2所示。由于現場總線技術的應用，系統中智能化元件可不依賴計算機網絡而獨立運行，提高系統運行的實時性和可靠性，滿足電氣設備運行管理的需要及工廠生產過程控制的要求。

圖2 智能變配電網絡典型架構

　　2 電動機保護裝置概況及分析

　　  在現代工業中，電動機作為一種拖動機械，成為所有動力機械的基礎。電機的廣泛應用，使電機（包括各種發電機和各類電機）保護控制裝置已涉及所有發電、供電、用電系統等領域，是智能電網用戶端的重要組成部分。近年來，我國電力建設正以超常速度發展，有資料顯示，從2005年至今，我國每年新增發電機裝機容量保持在9 000萬kW以上，至2008年我國發電機容量已達到7.925億kW。預測2015年為12.80億kW。然而，惡劣的使用環境和復雜的工況條件以及多變的供電狀態，使電動機容易發生故障。據不*統計每年僅因電動機燒毀所消耗的電量就達數千萬kW·h，電動機燒毀的數量達20萬臺次以上，容量約0.4億kW，因維修損耗的電磁線約5 000萬kg，修理費達20億元，而因停工停產所造成的損失更是一個無法估量的巨大數目。因此，超前、準確、及時地判斷電動機的故障，并對電動機進行相應的保護，具有節能顯著、提高生產效率和經濟效益及保證安全生產的重要意義。電動機保護裝置成為節能降耗和自動化保護控制系統*的重要裝置，在國民經濟和節約能源事業中有著不可替代的重要地位和作用。

　　2.1 電動機保護現狀

　　  目前，我國電機保護控制技術水平與其他國家相比還有一定差距，主要體現在技術含量低、品種和功能少、參數精度低、生產工藝落后、產品未形成系列化，普及應用程度低等方面。因此，盡快提高我國電機保護控制科技水平已刻不容緩。隨著微電子技術與微處理器技術的發展以及現代控制理論的應用，電動機保護器正朝著智能化、綜合化、高精度、高可靠性方向發展。

　　  我國的電動機保護裝置經歷了仿蘇、自行設計、更新換代、引進技術、智能化發展等幾個階段。從機械式的雙金屬熱繼電器發展到雙金屬溫度開關和電子式保護控制等。值得一提的是近年來微處理器技術的發展，給電動機保護器向智能化、多功能化方向發展提供了硬件平臺，使得電機保護進入了一個飛速發展的階段。

　　2.2 電動機保護裝置的發展

　　  傳統電動機保護裝置的檢測和保護功能多由熱繼電器和電磁元件完成，其保護靈敏度低、動作時間誤差大、保護精度低、整定困難，已經難以滿足人們對電動機保護可靠性越來越高的要求。隨著科學技術的不斷進步和工藝控制的不斷完善，尤其是自動化生產的要求，迫切需要開發和完善電動機的調速、控制和保護設備，從而實現對生產過程和大型機械的遙控、遙測、遙調、故障診斷以及集中控制等功能。近年來，電動機保護控制理論研究和新技術應用等方面都取得了突破。

　　  新理論的研究：通過故障建模和仿真計算，并引入序分量、諧波分量、阻抗量、相位量、突破量等多種對電機故障檢測量作判據和小波分析、神經網絡等技術進入電機保護控制領域，不但大大提高了保護控制裝置的靈感度和精度，而且對輕微故障的監測和保護方面的理論研究都取得了突破性進展。新技術的應用：利用新的理論和各種傳感器（包括紅外線、高頻電磁波、振動、位移、電、熱、機械、光聲等）對電動機運行進行實時監測，通過計算機進行判斷、分類、確定故障類型和嚴重程度，實現各種電動機的保護控制功能。

　　3 電動機保護原理

　　  電動機保護器是為了防止非正常情況損壞電動機而設計的電動機保護裝置。主要用于操作電動機控制回路中的接觸器，通過輸出繼電器控制交流接觸器以起動電動機和將電動機加速到額定轉速，保證電動機連續運行，對電動機及其有關電路的過載等多種非正常運行情況引起的危害予以保護，以及切斷電動機的電源。

　　3.1 電動機故障分析

　　  電動機的故障種類可分為外部故障和內部故障，其故障形式主要為繞組損壞和軸承損壞兩方面。常規的外部故障保護無論從理論上還是從診斷與保護的實現方法上都相對完善。對稱故障主要包括過載、堵轉等，這類故障對電動機的影響主要是電流變大而引起的熱效應的積聚。電動機發生不對稱故障時，通常不會發生顯著的過流現象，過負荷保護不能及時動作。這類故障包括斷相、不平衡運行、接地故障等。會導致電動機端部發熱、轉子振動、減小起動力矩等一系列問題。

　　3.2 電動機常規保護

　　  國內關于電動機保護一般采用熱繼電器或電磁式的過電流保護，大型電動機會配置零序電流保護，個別的還會采用差動保護。過電流保護的原理主要是以定子電流幅值的增加作為故障判據，根據對稱分量原理，這種方式只能反應對稱故障，而對斷相、接地、不平衡運行等不對稱故障不能及時保護。常規過電流保護不能保護不對稱故障的原因主要有兩個方面：一是各種不對稱故障發生時不一定出現明顯的過電流；二是不對稱故障對電動機的危害不僅僅表現在過流引起的過熱效應，更主要的是負序電流效應。雖然電動機常規保護方式存在許多嚴重缺陷，但目前仍是電動機保護的主體。

　　3.3 基于對稱向量法的電動機保護

　　  根據對稱分量原理，電動機在發生不對稱故障時，其定子電流可以分為正序、負序和零序分量，其中正序分量可以反映電動機過流程度，負序分量和零序分量在電動機正常運行時沒有或很小。因此利用電流中的負序和零序分量的檢測來鑒別各類不對稱故障具有很高的靈敏度和可靠性。電動機常見故障信息分析結果見表1。

?表1 電動機常見故障特征分布

　　  根據以上分析可知，若以過流信息發映對稱故障，以負序和零序電流反映各類不對稱故障，可構成對電動機的保護。

　　3.4 過負荷保護

　　  電動機長時間過負荷或短時間連續續起動而造成電動機過熱，絕緣老化，是損壞電動機的常見原因。電動機的過負荷會導致過熱，但在低倍過負荷情況下又允許運行一定時間，所以電動機的過負荷保護特性是反時限特性。電動機過負荷的過程就是電動機的熱累積過程，其根本的判斷依據是電機繞組溫度是否超過其絕緣等級溫度。

　　  電動機發熱和散熱過程比較復雜，它與固定損耗及可變損耗等多種因素有關。根據對電動機發熱過程的分析，其熱態平衡微分方程為：

　　  由上式解得，在初始條件下，

電動機在某一時刻的溫升由下式決定：

　　  式2表明，熱過渡過程包括兩個分量，一個是強制分量 ，它是過渡過程結束時的溫態值，另一個是自由分量 ，它按指數規律衰減至零。電動機過負荷情況下的熱累積過程，應采用模擬電動機發熱曲線的方法，并針對不同的脫扣級別采用不同的發熱曲線。以RMD2電動機保護器為例，針對過負荷保護，RMD2共提供16條過負荷曲線，與不同啟動時間的負載類型相對應。

　　3.5 其他保護

　　  由于供電狀態的多變性，系統電源電壓很難保證恒定，容易出現電壓瞬間跌落等非正常情況。如果電動機在系統電壓低于額定電壓一定程度時啟動，則難以提升到額定轉速。當電源電壓降低或短時中斷時，一些不允許或不需要自起動的電動機，須從電力網中斷開。另一方面，如果電動機帶負載運行時，電源電壓升高，則電動機電流降低，但鐵損和銅損變大，會引起電動機溫度上升。因此，針對電源電壓的變化，可以配置電壓保護。

　　  另外，當電動機發生短路故障時，會引起母線電壓瞬間大幅度下降，此時電動機轉子的轉速一時無法降低，電動機將轉為發電制動狀態，向短路點送出逆功率，從而對系統造成危害。針對這種情況，可采用逆功率保護，當檢測到送往電動機的功率方向與正常情況相反時，逆功率保護起動。其他諸如溫度保護等，和電流保護、電壓保護以及逆功率保護一起構成了智能型微機綜合保護方案。