低压智能电动机保护器高级应用功能的开发及高端工业用户对电动机保护装置应用功能的需求

2010-08-15吕隆壮董桂成张汝山胡郧生岳建宁

电气技术 2010年8期

吕隆壮董桂成张汝山胡郧生岳建宁

（宁波万华聚氨酯有限公司，浙江宁波 315812）

1 引言

众所周知，随着现代微电子及计算机技术的快速发展，使电动机综合保护装置的普及应用成为可能。低压电动机综合保护装置与传统的热保护装置相比具有智能化、小型化、功能灵活、标准化的特点；装置保护功能强大，可实现远程监控、可与企业其他控制系统或DCS系统通信实现集中控制等优点；并有与企业计算机管理系统如 MES系统通信实现开放共享的优势。随着用户的不断增加，使制造厂商生产批量加大，成本逐渐降低，而伴随着生产成本的降低，必将有越来越多的用户选用电动机综合保护装置，而放弃使用传统的热继电器，相信未来5-10年内低压电动机保护器必将得到极大的普及应用。

作为高端工业用户，宁波万华聚氨酯有限公司，在宁波二期项目建设中，制定了较高的技术标准和要求，最终通过招标选用了施耐德TeSysT电动机综合保护装置，项目共设计选用了近1000台。目前已经调试安装结束，投入使用。

本文介绍使用电动机保护器的一些经验，及对TeSys T一些高级潜在应用功能的深度开发成果，希望能为从事电气应用技术的同行提供借鉴；同时也从应用电动机保护装置的角度发现了一些保护装置的缺陷与不足，希望能为从事电动机保护装置设计研究人员提供：提升产品质量，改进产品性能，促进产品升级的思路和方向。

2 硬件接线设计及基本功能介绍

施耐德电动机保护器的全称是：TeSys T电动机管理控制器，顾名思义，保护器具有电动机管理与控制双重功能，可实现电动机保护、电机参数测量监视及控制功能。硬件主要有一个LTMR电机管理控制器模块、穿芯互感器模块、LTME扩展模块、LTMCU操作终端、集成于 Powersuit 软件内部的组态软件。TeSys T支持：Modbus、Profibus DP、DeviceNet、CANopen、Ethernet Tcp/Ip等通信协议。

LTMR控制器是核心元件，它通过自带的电流互感器测量相电流，通过外部环形电流互感器测量接地电流、测量电机预埋热电阻（PTC）的温度，实现在不同控制模式下的输入输出管理、故障管理功能。该模块能够实现预定义的标准功能，过载模式：控制器只做状态监视而不做电机控制；独立模式：可起停单向电机（不可反转）；可逆模式：可起停可逆电机（带反转）；双速模式：起动双速电机（变极）；双步模式：分两步起动电机（Y-△等起动形式）；用户自定义模式：采用用户自定义模式。该模块有6个数字量逻辑输入，3个继电器逻辑输出（NO），1对故障继电器输出（NO+NC），与电机温度传感器的连接接口，与接地电流互感器的接口。如图1所示。

图1

LTME扩展模块为TeSys T增加了3相电压测量功能，这样可计算出众多电机参数如：频率、功率因数、功率、电度等，同时还增加了4个逻辑输入。如图2所示。

HMI人机界面操作终端可定义就地与远控两种操作模式，且实现了程序汉化功能，使得普通操作人员易于操作。如图2所示。

通过以上3个操作主要模块的结合，TeSys T可实现如下功能：通过监测电机电流损耗实现热过载保护；通过温度传感器检测实现电机温度保护；检测电流的对称性实现相不平衡保护与缺相保护；检测电机起动时间实现电机起动时间过长保护；在电机起动结束后的运行期间检测电流的突然加大实现堵转保护；通过外部接地互感器检测接地电流实现接地保护；通过检查电压实现过压与欠压保护；此外电动机保护器有着完善的测量功能、故障诊断功能。电动机运行数据统计功能。

图2

图3

宁波万华工程中TeSysT的典型接线设计图纸如图4所示。

设计控制原理说明：

（1）保护器装置电源与线路控制电源均采用交流220V。

（2）T1/T2端子接电机温度常闭点，用于联锁停车。

（3）I.1接起动按钮SB1常开点（手动有效）。

（4）I.2接停车按钮SB2常闭点（手动有效）。

（5）I.3接SA自动位常开点，闭合时自动有效。

（6）I.4接DCS常开点，闭合开车，断开停车（自动有效）。

（7）I.5接DCS常闭点，闭合时允许开车，断开时停车。

（8）I.6接空开故障跳闸接点用于检查QF故障状态。

（9）I.7接抽屉工作位置YW接点用于检查抽屉状态。

（10）I.8作为备用运行监视常开点。

图4

（11）I.9接联锁停车常闭点，断开时停车。

（12）I.10接联锁停车常开点，闭合时停车。

（13）O.1控制接触器的吸合与断开，以控制电机的开停。

（14）电气故障触发97/98去DCS报警，堵转、接地故障由O.2断开QF。

（15）电气故障、停车信号触发O.1断开停车。开车信号触发O.1闭合开车。

（16）回路动作逻辑（假设高电平有效）。

开车条件：①无连锁（I.5=1，I.9-=0，I.10=1）；②无故障。

动作原理：①I.3=1，I.4=1；O.1=1；（自动位开车）；②I.3=1，I.4=0；O.1=0；（自动位停车）；③I.3=0，I.1=1，I.2=1；O.1=1；（手动位开车）；④I.3=0，I.2=0，O.1=0；（手动位停车）；⑤电机运行状态时，I.5=0或I.9=1或I.10=0；O.1=0；（联锁停车）。

控制逻辑利用施耐德专用软件编辑，起动逻辑：

逻辑中各数字量的状态存储于寄存器457中，457的 0-15位分别对应INPUT1(I.1)至INPUT15的状态。输出逻辑：

逻辑中各逻辑输出状态存储于暂态寄存器中，15的12-15位分别对应OUT1（O.1）-OUT（O.4）的状态。

3 高端工业用户对电动机保护器高级功能的需求及实现方法

高端工业用户，如现代化工、钢铁、印染、纺织、水泥等用户对电气控制系统有着很高的要求，要求电气系统安全、可靠、稳定、长周期连续运行，在这些企业中低压电动机占有很大的比例，因而低压电机控制系统的可靠性最为重要。

除常规的控制功能外，通常期望这些低压电机在供电系统波动即晃电过程中不停机；当大面积长时间停电时，又希望生产装置中的一部分特别重要的负荷群在自备发电机成功起动后能够分批次起动，以确保生产装置安全；对一套生产装置（或一条生产线上）的上百台电机中任何一台电机故障跳闸都有可能引起装置（或生产线）全线停车，因此希望能预测电机故障的到来，以便提前采取措施；在一个大型企业中低压电机数量很多，希望对这些电机的运行数据进行有效管理。

宁波万华二期工程中应用了约1000台电动机保护器。应用中我们对TeSysT的一些潜在功能进行了深度开发，取得了良好的成果。

3.1 晃电再起动功能的实现

在使用电动机保护器之前，通常用一个电器元件实现晃电再起动功能，比如使用一个专用的时间继电器，或使用一个专用的延时晃电再起动继电器，我们宁波万华一期工程中就是使用一个延时晃电再起动继电器实现这一功能的。也有用户用UPS电源或直流电源作为控制电源来设计电动机控制回路实现晃电再起动功能；为解决这一问题也有专门设计一套PLC控制系统的用户。这些方法都能实现电机的晃电再起动，控制方案各有优缺点，在此不再赘述。我们宁波二期工程中选用了智能电动机保护装置，如果再使用单独的元件实现晃电再起动功能显然是不合理的，因此我们希望在电动机保护器上实现这一功能。

目前国内外有几百家电动机保护器制造商，产品功能各有所异，但其主要功能是电气保护和开停车控制，在与供应商的技术交流中感受到研发人员对高端工业用户的需求不是很了解。如果为保护装置设置专用的不停电装置电源，则市场上的大部分产品均能实现晃电再起动的功能。如果没有专用控制电源则大部分产品无法实现这一功能。但实际在一个工程项目中，为低压控制系统设置专用不停电电源使系统变得复杂，且会带来许多弊端。如检修管理的不方便，一旦专用电源故障会影响一大片等问题。我们还是希望在没用专用控制电源的情况下实现这一功能。

在常规电动机保护器中一般都有一个抗晃电程序，其工作原理是利用电压元件检测到电压瞬间低于某个数值，又立即恢复时即判为晃电状态，但只能在保护器工作电源不间断的前提下有效，在与施耐德工程技术人员的深入交流中，我们经过反复磋商决定抛弃原有程序，重新编程。

判断晃电状态的基本思路是：先判断电机在运行状态，再检查逻辑输入的状态变化（晃电时所有逻辑输入状态都变为0），将其状态与0比较，结果存于永久性寄存器中，结果逻辑值为真时则判断为晃电。程序如下：

我们发现保护器工作电源掉电后，其时间计数器仍在工作，先将计数器的结果存储于寄存器中，再将晃电前后的寄存器中的数据相减，即可得出晃电持续时间（数据存于暂态寄存器171中）。将晃电持续时间与许可的晃电时间比较（本工程中定义为2s），若小于或等于2s，同时无联锁停车条件存在，则判断电机原在运行状态并执行自起动程序。由于计算时间差的程序较长，在此不予提供，自起动程序如下：

编辑程序后，在试验过程中，发现有时出现晃电后不能正常起动的的现象，通过保护器的监控软件，发现在晃电期间，由于各个逻辑输入点的高低电平有效值不一致，当电源掉电时或恢复时其状态值不能同步变化从而导致判断晃电程序出现误差，为消除此种情况，将判断结果存储于永久寄存器中，并做10ms的延时，采取此措施后，降低了出现误动的概率。

3.2 分批再起动功能的实现

如前所述，对于工业用户有时会有一部分负荷是特别重要的，长时间停电会产生人身安全、有害气体泄漏或设备爆炸等危险。通常为这些负荷设计一台专用的发电机。当全停电时，发电机自动起动为这些重要负荷供电。当发电机自起动后，希望将其所带的负荷分批起动投入运行，以保证工业装置的安全。以前我们一期工程是使用一个专门的再起动继电器实现这一功能的，也有用户专门设计一套PLC控制系统实现这一功能的。对于TesysT我们在晃电再起动程序基础上加以拓展，实现了分批再起动功能。

宁波工程应急发电机自起动时间在 25s以内，若电源中断后，发电机能够顺利自起动，则分批自起动重要负荷，如不能正常起动或起动时间超出25s，各级负荷不再分批自起动，将视生产装置的情况来决定是否起动。

停电时间的计算程序、判断停电的程序如同晃电程序，在分批起动程序中将停电时间与 25s相比较，若小于或等于25s，同时无联锁条件存在，并判断电机停电前在运行状态则判断具备起动条件，并读取寄存器570（用以存储分批起动时间），实现分批自起动。程序如下：

3.3 过载保护预告警功能的实现

工业用户的一套生产装置或一条生产线，少则几十台电机多则几百台电机，往往一台电机故障跳闸会使整个装置停车，会产生较大的经济损失，因此我们从事电气技术工作的人员有责任解决这个问题。过去尽管重要的关键设备都设计有备机，但往往由于阀门、管道、备用设备长期放置等原因，在一台设备故障跳闸后，备用设备不能可靠及时投入运行，会造成生产装置波动或停车。施耐德TeSys T电动机保护器有一个预告警功能，应用该功能可在电机电流达到告警值时，发出告警信号上传到计算机后台，并同时计算电动机的热容量预报跳闸时间，操作人员可根据预报跳闸时间及时处理故障，如关小阀门、切换到备用设备等措施。这样的智能管理功能对生产装置的稳定运行大有好处。

3.4 漏电保护功能的实现

工业用户尤其是化工企业，大多伴有易燃、易爆介质及强腐蚀环境，防止电气设备漏电引起的电击及火灾爆炸至关重要。我国的技术标准相对落后，单靠接地保护虽然符合设计规范但效果不理想。采用漏电保护是一种理想的保护方式，施耐德TeSys T有两种方式实现漏电保护。

一种方式是利用检测到的三相电流进行计算，然后判断漏电电流值输出保护动作，其电流值设定范围为20—500%电机额定电流，这种方式的优点是线路简单，不需要专用漏电互感器，投资少、占空间少，缺点是由于漏电电流值是通过三相电流来计算，但是由于采集各相电流的互感器存在误差，并且二次接线也会带来误差，造成计算结果有时会偏差较大，容易出现误动作；另一种方式是通过外接零序电流互感器实现，这样是检测到的实际泄漏电流，更准确可靠，缺点是投资多、占空间大。宁波万华二期工程采用了外置零序互感器的漏电保护方式。而一期工程使用了单独的漏电继电器实现这一功能。事实证明在化工企业使用漏电保护后，对生产装置的安全运转，对保护设备安全及漏电引起的火花火灾有重要的意义。

3.5 电动机实时监测及管理功能的实现

宁波万华二期工程使用了约1000台TeSysT电动机保护器，这些保护器主要分布安装在3套生产装置的3个变电所内。我们选用的是有通信功能8PT和MNS开关柜，保护器安装在抽屉内，每一面开关柜的保护器并行送到通信管理机处理后送到计算机后台。通过计算机后台值班人员可以随时监控每一台电机的运行状态。电动机保护器与计算机后台配合实现了电机运行时间、起动次数、控制命令次数、最后一次起动最大电流、最后一次起动持续时间、脱扣时间、重起时间、保护故障统计、保护报警统计等功能，同时也可对电机运行的平均电流、对地电流、有功、功率因数等数据整理统计报表。

同时将重要的电机运行信息通信送到DCS，使工艺操作人员随时了解电动机的运行状况。通信结构图如图5所示。

4 对电动机保护装置研发方向的建议

宁波万华二期工程首次大面积使用电动机综合保护装置，使用前我们对国内市场及用户进行了广泛的调研，发现许多制造商对用户需求了解不够，从而使产品使用起来存在一些缺陷，用户对产品的可靠性、控制功能、通信功能、操作方便程度、安装的灵活性等还不满意。从用户使用角度对未来电动机保护装置的研发方向或升级改进提出如下建议，供从事电动机保护装置研究开发的厂商参考。

（1）从用户群的分级确定产品的等级

在用户调研时我们发现，许多用户把电动机保护器只作为保护产品使用，对控制功能和通信功能没有要求，这类用户可定义为低端用户，如建筑、办公楼、一些小型企业等，这类用户对保护器的要求就是保护功能，多余的功能使成本增加，相反会影响保护装置的推广使用，建议制造商开发简易型的保护装置，使保护装置的成本尽可能低，而使其保护功能的可靠性和安全性高于传统的热保护装置。除满足低端用户需求，中高端用户在整个生产装置中也有一些不是非常重要的设备选用低端保护装置也可减少投资。

图5

另一类中端用户。这类用户的生产装置一般不是连续生产，或规模不是很大的一般工业用户，这种用户要求保护功能和控制功能齐全，但对通信功能没有要求，我们参观的用户中，许多都没有利用保护器的通信功能，只是利用了电动机保护装置的保护、控制功能，这一类用户目前占有很大的市场量，建议开发商将这类用户定义为中端客户，开发针对这一用户群的产品，着重考虑保护功能和控制功能，尽可能降低生产成本。

对于高端工业用户，如石油化工、钢铁、水泥等大型工业客户，对电动机保护装置有着较高的要求：控制功能、保护功能、通信功能、管理分析功能等，制造厂商应在现有的技术的基础上开发创新，使产品逐步升级，满足这类客户群的要求。

总之，制造商应根据不同客户群的要求开发生产满足不同客户群的产品。

（2）编程语言的升级

低压电动机保护装置与高中压保护装置的使用条件不同。属于电动机的终端保护器件，使用量大、使用的人群面广。因此，对编程语言更应该大众化、简单化，最好是“傻瓜”型，让一般文化程度的操作人员即可轻松掌握，但目前市场上的产品并非如此。保护器的定值参数设定简单，但控制程序的修改却很不方便，大多数产品的编程语言是汇编语言，需要在电脑上修改，然后再灌入到保护器中，费时费力不方便，建议厂商开发更简单易操作的高级编程方法，会有利于产品的推广。

（3）短路保护功能的增加

目前市场的主流保护器，其保护功能主要集中在过流、堵转等功能，大多数产品没有考虑短路保护功能，如电动机控制系统合闸在短路负载上，保护器控制接触器断开容易烧毁接触器，因此建议制造商增加短路保护功能，当检测到短路电流后先通过输出控制上侧空气开关跳闸，再断开接触器。

（4）电流互感器的一体化

目前市场上的许多产品在小电流范围（如≤100A）内电流互感器三相是一体化的。而大于100A三相互感器不是一体的，单相互感器增加了安装空间，使用不方便，建议厂家研发生产一体化的电流互感器，大电流互感器与控制模块可以不在一体。

更值得一提的是，目前还没有厂家将外置漏电互感器与三相电流互感器集成生产在一体，如果开发出集漏电与三相电流检测一体化的电流互感器，一定会大受用户的欢迎。

（5）电机漏电电流起动过程中的屏蔽默认功能

在现场设备调试中发现，因电缆布线等原因，在电动机起动过程中，漏电电流有时会较大，超过保护整定值，使电机跳闸，但电动机起动结束后，这个漏电电流是很小的，尽管可以通过设置保护动作时间来解决这个问题，但因为每一台电机的功率、线路长度均不相同，漏电电流值也不相同，逐台设定很费精力，因此希望开发商在开发产品过程中增加起动过程漏电电流屏蔽默认功能，使用户调试设备更加简单高效。

（6）晃电再起动和分批起动功能的开发

目前各厂家定型产品都有晃电及再起动功能，但前提条件是停电或晃电时保护器的装置电源不能停。这就要求为保护器设置专用不停电电源，设置单独的电源使工厂整个低压系统变得复杂，且可靠性随着下降，大部分用户还是习惯于低压控制单元的主电路和控制电路使用同一个电源，这样简单、安全、可靠。这就要求保护器开发研究人员在保护装置的硬件及软件设计中，实现控制电源同主电源一起停电后还能实现这一功能，这一功能的实现无疑将给用户带来极大的方便，更有利于保护器的推广使用。

（7）智能管理功能的开发

智能型电动机保护装置的出现，唤起了用户对保护装置更高的要求，如前所述电流过载预告警及跳闸时间的预报极大地方便了运行管理人员，对生产线的稳定运行是有重要意义的。具有这一功能的保护装置还不够完善，有待于进一步研究开发。再如，如果保护器能根据电流负荷的变化、冲击、不平衡、相位角等的变化，分析电机及机械设备的运行情况，将又是一个重大的技术突破。总之，用户期待着保护装置为人们提供更多的服务。

（8）高效通信管理机的开发

工业用户的电动机保护装置大部分集中安装在电动机控制中心（MCC），传统的做法是靠系统集成商将每个电动机保护器通信集中处理送到计算机后台。笔者认为电动机保护器制造商更了解自己的产品，有责任研究开发高速通信管理系统，以满足用户需求，这对电动机保护器的推广使用具有重要意义。