低壓智能電動機保護器高級應用功能的開發及高端工業用戶對電動機保護裝置應用功能的需求

呂隆壯 董桂成 張汝山 胡鄖生 岳建寧

（寧波萬華聚氨酯有限公司，浙江 寧波 315812）

1 引言

眾所周知，隨著現代微電子及計算機技術的快速發展，使電動機綜合保護裝置的普及應用成為可能。低壓電動機綜合保護裝置與傳統的熱保護裝置相比具有智能化、小型化、功能靈活、標準化的特點；裝置保護功能強大，可實現遠程監控、可與企業其他控制系統或DCS系統通信實現集中控制等優點；并有與企業計算機管理系統如 MES系統通信實現開放共享的優勢。隨著用戶的不斷增加，使制造廠商生產批量加大，成本逐漸降低，而伴隨著生產成本的降低，必將有越來越多的用戶選用電動機綜合保護裝置，而放棄使用傳統的熱繼電器，相信未來5-10年內低壓電動機保護器必將得到極大的普及應用。

作為高端工業用戶，寧波萬華聚氨酯有限公司，在寧波二期項目建設中，制定了較高的技術標準和要求，最終通過招標選用了施耐德TeSysT電動機綜合保護裝置，項目共設計選用了近1000臺。目前已經調試安裝結束，投入使用。

本文介紹使用電動機保護器的一些經驗，及對TeSys T一些高級潛在應用功能的深度開發成果，希望能為從事電氣應用技術的同行提供借鑒；同時也從應用電動機保護裝置的角度發現了一些保護裝置的缺陷與不足，希望能為從事電動機保護裝置設計研究人員提供：提升產品質量，改進產品性能，促進產品升級的思路和方向。

2 硬件接線設計及基本功能介紹

施耐德電動機保護器的全稱是：TeSys T電動機管理控制器，顧名思義，保護器具有電動機管理與控制雙重功能，可實現電動機保護、電機參數測量監視及控制功能。硬件主要有一個LTMR電機管理控制器模塊、穿芯互感器模塊、LTME擴展模塊、LTMCU操作終端、集成于 Powersuit 軟件內部的組態軟件。TeSys T支持：Modbus、Profibus DP、DeviceNet、CANopen、Ethernet Tcp/Ip等通信協議。

LTMR控制器是核心元件，它通過自帶的電流互感器測量相電流，通過外部環形電流互感器測量接地電流、測量電機預埋熱電阻（PTC）的溫度，實現在不同控制模式下的輸入輸出管理、故障管理功能。該模塊能夠實現預定義的標準功能，過載模式：控制器只做狀態監視而不做電機控制；獨立模式：可起停單向電機（不可反轉）；可逆模式：可起?？赡骐姍C（帶反轉）；雙速模式：起動雙速電機（變極）；雙步模式：分兩步起動電機（Y-△等起動形式）；用戶自定義模式：采用用戶自定義模式。該模塊有6個數字量邏輯輸入，3個繼電器邏輯輸出（NO），1對故障繼電器輸出（NO+NC），與電機溫度傳感器的連接接口，與接地電流互感器的接口。如圖1所示。

圖1

LTME擴展模塊為TeSys T增加了3相電壓測量功能，這樣可計算出眾多電機參數如：頻率、功率因數、功率、電度等，同時還增加了4個邏輯輸入。如圖2所示。

HMI人機界面操作終端可定義就地與遠控兩種操作模式，且實現了程序漢化功能，使得普通操作人員易于操作。如圖2所示。

通過以上3個操作主要模塊的結合，TeSys T可實現如下功能：通過監測電機電流損耗實現熱過載保護；通過溫度傳感器檢測實現電機溫度保護；檢測電流的對稱性實現相不平衡保護與缺相保護；檢測電機起動時間實現電機起動時間過長保護；在電機起動結束后的運行期間檢測電流的突然加大實現堵轉保護；通過外部接地互感器檢測接地電流實現接地保護；通過檢查電壓實現過壓與欠壓保護；此外電動機保護器有著完善的測量功能、故障診斷功能。電動機運行數據統計功能。

圖2

圖3

寧波萬華工程中TeSysT的典型接線設計圖紙如圖4所示。

設計控制原理說明：

（1）保護器裝置電源與線路控制電源均采用交流220V。

（2）T1/T2端子接電機溫度常閉點，用于聯鎖停車。

（3）I.1接起動按鈕SB1常開點（手動有效）。

（4）I.2接停車按鈕SB2常閉點（手動有效）。

（5）I.3接SA自動位常開點，閉合時自動有效。

（6）I.4接DCS常開點，閉合開車，斷開停車（自動有效）。

（7）I.5接DCS常閉點，閉合時允許開車，斷開時停車。

（8）I.6接空開故障跳閘接點用于檢查QF故障狀態。

（9）I.7接抽屜工作位置YW接點用于檢查抽屜狀態。

（10）I.8作為備用運行監視常開點。

圖4

（11）I.9接聯鎖停車常閉點，斷開時停車。

（12）I.10接聯鎖停車常開點，閉合時停車。

（13）O.1控制接觸器的吸合與斷開，以控制電機的開停。

（14）電氣故障觸發97/98去DCS報警，堵轉、接地故障由O.2斷開QF。

（15）電氣故障、停車信號觸發O.1斷開停車。開車信號觸發O.1閉合開車。

（16）回路動作邏輯（假設高電平有效）。

開車條件：①無連鎖（I.5=1，I.9-=0，I.10=1）；②無故障。

動作原理：①I.3=1，I.4=1；O.1=1；（自動位開車）；②I.3=1，I.4=0；O.1=0；（自動位停車）；③I.3=0，I.1=1，I.2=1；O.1=1；（手動位開車）；④I.3=0，I.2=0，O.1=0；（手動位停車）；⑤電機運行狀態時，I.5=0或I.9=1或I.10=0；O.1=0；（聯鎖停車）。

控制邏輯利用施耐德專用軟件編輯，起動邏輯：

邏輯中各數字量的狀態存儲于寄存器457中，457的 0-15位分別對應INPUT1(I.1)至INPUT15的狀態。輸出邏輯：

邏輯中各邏輯輸出狀態存儲于暫態寄存器中，15的12-15位分別對應OUT1（O.1）-OUT（O.4）的狀態。

3 高端工業用戶對電動機保護器高級功能的需求及實現方法

高端工業用戶，如現代化工、鋼鐵、印染、紡織、水泥等用戶對電氣控制系統有著很高的要求，要求電氣系統安全、可靠、穩定、長周期連續運行，在這些企業中低壓電動機占有很大的比例，因而低壓電機控制系統的可靠性最為重要。

除常規的控制功能外，通常期望這些低壓電機在供電系統波動即晃電過程中不停機；當大面積長時間停電時，又希望生產裝置中的一部分特別重要的負荷群在自備發電機成功起動后能夠分批次起動，以確保生產裝置安全；對一套生產裝置（或一條生產線上）的上百臺電機中任何一臺電機故障跳閘都有可能引起裝置（或生產線）全線停車，因此希望能預測電機故障的到來，以便提前采取措施；在一個大型企業中低壓電機數量很多，希望對這些電機的運行數據進行有效管理。

寧波萬華二期工程中應用了約1000臺電動機保護器。應用中我們對TeSysT的一些潛在功能進行了深度開發，取得了良好的成果。

3.1 晃電再起動功能的實現

在使用電動機保護器之前，通常用一個電器元件實現晃電再起動功能，比如使用一個專用的時間繼電器，或使用一個專用的延時晃電再起動繼電器，我們寧波萬華一期工程中就是使用一個延時晃電再起動繼電器實現這一功能的。也有用戶用UPS電源或直流電源作為控制電源來設計電動機控制回路實現晃電再起動功能；為解決這一問題也有專門設計一套PLC控制系統的用戶。這些方法都能實現電機的晃電再起動，控制方案各有優缺點，在此不再贅述。我們寧波二期工程中選用了智能電動機保護裝置，如果再使用單獨的元件實現晃電再起動功能顯然是不合理的，因此我們希望在電動機保護器上實現這一功能。

目前國內外有幾百家電動機保護器制造商，產品功能各有所異，但其主要功能是電氣保護和開停車控制，在與供應商的技術交流中感受到研發人員對高端工業用戶的需求不是很了解。如果為保護裝置設置專用的不停電裝置電源，則市場上的大部分產品均能實現晃電再起動的功能。如果沒有專用控制電源則大部分產品無法實現這一功能。但實際在一個工程項目中，為低壓控制系統設置專用不停電電源使系統變得復雜，且會帶來許多弊端。如檢修管理的不方便，一旦專用電源故障會影響一大片等問題。我們還是希望在沒用專用控制電源的情況下實現這一功能。

在常規電動機保護器中一般都有一個抗晃電程序，其工作原理是利用電壓元件檢測到電壓瞬間低于某個數值，又立即恢復時即判為晃電狀態，但只能在保護器工作電源不間斷的前提下有效，在與施耐德工程技術人員的深入交流中，我們經過反復磋商決定拋棄原有程序，重新編程。

判斷晃電狀態的基本思路是：先判斷電機在運行狀態，再檢查邏輯輸入的狀態變化（晃電時所有邏輯輸入狀態都變為0），將其狀態與0比較，結果存于永久性寄存器中，結果邏輯值為真時則判斷為晃電。程序如下：

我們發現保護器工作電源掉電后，其時間計數器仍在工作，先將計數器的結果存儲于寄存器中，再將晃電前后的寄存器中的數據相減，即可得出晃電持續時間（數據存于暫態寄存器171中）。將晃電持續時間與許可的晃電時間比較（本工程中定義為2s），若小于或等于2s，同時無聯鎖停車條件存在，則判斷電機原在運行狀態并執行自起動程序。由于計算時間差的程序較長，在此不予提供，自起動程序如下：

編輯程序后，在試驗過程中，發現有時出現晃電后不能正常起動的的現象，通過保護器的監控軟件，發現在晃電期間，由于各個邏輯輸入點的高低電平有效值不一致，當電源掉電時或恢復時其狀態值不能同步變化從而導致判斷晃電程序出現誤差，為消除此種情況，將判斷結果存儲于永久寄存器中，并做10ms的延時，采取此措施后，降低了出現誤動的概率。

3.2 分批再起動功能的實現

如前所述，對于工業用戶有時會有一部分負荷是特別重要的，長時間停電會產生人身安全、有害氣體泄漏或設備爆炸等危險。通常為這些負荷設計一臺專用的發電機。當全停電時，發電機自動起動為這些重要負荷供電。當發電機自起動后，希望將其所帶的負荷分批起動投入運行，以保證工業裝置的安全。以前我們一期工程是使用一個專門的再起動繼電器實現這一功能的，也有用戶專門設計一套PLC控制系統實現這一功能的。對于TesysT我們在晃電再起動程序基礎上加以拓展，實現了分批再起動功能。

寧波工程應急發電機自起動時間在 25s以內，若電源中斷后，發電機能夠順利自起動，則分批自起動重要負荷，如不能正常起動或起動時間超出25s，各級負荷不再分批自起動，將視生產裝置的情況來決定是否起動。

停電時間的計算程序、判斷停電的程序如同晃電程序，在分批起動程序中將停電時間與 25s相比較，若小于或等于25s，同時無聯鎖條件存在，并判斷電機停電前在運行狀態則判斷具備起動條件，并讀取寄存器570（用以存儲分批起動時間），實現分批自起動。程序如下：

3.3 過載保護預告警功能的實現

工業用戶的一套生產裝置或一條生產線，少則幾十臺電機多則幾百臺電機，往往一臺電機故障跳閘會使整個裝置停車，會產生較大的經濟損失，因此我們從事電氣技術工作的人員有責任解決這個問題。過去盡管重要的關鍵設備都設計有備機，但往往由于閥門、管道、備用設備長期放置等原因，在一臺設備故障跳閘后，備用設備不能可靠及時投入運行，會造成生產裝置波動或停車。施耐德TeSys T電動機保護器有一個預告警功能，應用該功能可在電機電流達到告警值時，發出告警信號上傳到計算機后臺，并同時計算電動機的熱容量預報跳閘時間，操作人員可根據預報跳閘時間及時處理故障，如關小閥門、切換到備用設備等措施。這樣的智能管理功能對生產裝置的穩定運行大有好處。

3.4 漏電保護功能的實現

工業用戶尤其是化工企業，大多伴有易燃、易爆介質及強腐蝕環境，防止電氣設備漏電引起的電擊及火災爆炸至關重要。我國的技術標準相對落后，單靠接地保護雖然符合設計規范但效果不理想。采用漏電保護是一種理想的保護方式，施耐德TeSys T有兩種方式實現漏電保護。

一種方式是利用檢測到的三相電流進行計算，然后判斷漏電電流值輸出保護動作，其電流值設定范圍為20—500%電機額定電流，這種方式的優點是線路簡單，不需要專用漏電互感器，投資少、占空間少，缺點是由于漏電電流值是通過三相電流來計算，但是由于采集各相電流的互感器存在誤差，并且二次接線也會帶來誤差，造成計算結果有時會偏差較大，容易出現誤動作；另一種方式是通過外接零序電流互感器實現，這樣是檢測到的實際泄漏電流，更準確可靠，缺點是投資多、占空間大。寧波萬華二期工程采用了外置零序互感器的漏電保護方式。而一期工程使用了單獨的漏電繼電器實現這一功能。事實證明在化工企業使用漏電保護后，對生產裝置的安全運轉，對保護設備安全及漏電引起的火花火災有重要的意義。

3.5 電動機實時監測及管理功能的實現

寧波萬華二期工程使用了約1000臺TeSysT電動機保護器，這些保護器主要分布安裝在3套生產裝置的3個變電所內。我們選用的是有通信功能8PT和MNS開關柜，保護器安裝在抽屜內，每一面開關柜的保護器并行送到通信管理機處理后送到計算機后臺。通過計算機后臺值班人員可以隨時監控每一臺電機的運行狀態。電動機保護器與計算機后臺配合實現了電機運行時間、起動次數、控制命令次數、最后一次起動最大電流、最后一次起動持續時間、脫扣時間、重起時間、保護故障統計、保護報警統計等功能，同時也可對電機運行的平均電流、對地電流、有功、功率因數等數據整理統計報表。

同時將重要的電機運行信息通信送到DCS，使工藝操作人員隨時了解電動機的運行狀況。通信結構圖如圖5所示。

4 對電動機保護裝置研發方向的建議

寧波萬華二期工程首次大面積使用電動機綜合保護裝置，使用前我們對國內市場及用戶進行了廣泛的調研，發現許多制造商對用戶需求了解不夠，從而使產品使用起來存在一些缺陷，用戶對產品的可靠性、控制功能、通信功能、操作方便程度、安裝的靈活性等還不滿意。從用戶使用角度對未來電動機保護裝置的研發方向或升級改進提出如下建議，供從事電動機保護裝置研究開發的廠商參考。

（1）從用戶群的分級確定產品的等級

在用戶調研時我們發現，許多用戶把電動機保護器只作為保護產品使用，對控制功能和通信功能沒有要求，這類用戶可定義為低端用戶，如建筑、辦公樓、一些小型企業等，這類用戶對保護器的要求就是保護功能，多余的功能使成本增加，相反會影響保護裝置的推廣使用，建議制造商開發簡易型的保護裝置，使保護裝置的成本盡可能低，而使其保護功能的可靠性和安全性高于傳統的熱保護裝置。除滿足低端用戶需求，中高端用戶在整個生產裝置中也有一些不是非常重要的設備選用低端保護裝置也可減少投資。

圖5

另一類中端用戶。這類用戶的生產裝置一般不是連續生產，或規模不是很大的一般工業用戶，這種用戶要求保護功能和控制功能齊全，但對通信功能沒有要求，我們參觀的用戶中，許多都沒有利用保護器的通信功能，只是利用了電動機保護裝置的保護、控制功能，這一類用戶目前占有很大的市場量，建議開發商將這類用戶定義為中端客戶，開發針對這一用戶群的產品，著重考慮保護功能和控制功能，盡可能降低生產成本。

對于高端工業用戶，如石油化工、鋼鐵、水泥等大型工業客戶，對電動機保護裝置有著較高的要求：控制功能、保護功能、通信功能、管理分析功能等，制造廠商應在現有的技術的基礎上開發創新，使產品逐步升級，滿足這類客戶群的要求。

總之，制造商應根據不同客戶群的要求開發生產滿足不同客戶群的產品。

（2）編程語言的升級

低壓電動機保護裝置與高中壓保護裝置的使用條件不同。屬于電動機的終端保護器件，使用量大、使用的人群面廣。因此，對編程語言更應該大眾化、簡單化，最好是“傻瓜”型，讓一般文化程度的操作人員即可輕松掌握，但目前市場上的產品并非如此。保護器的定值參數設定簡單，但控制程序的修改卻很不方便，大多數產品的編程語言是匯編語言，需要在電腦上修改，然后再灌入到保護器中，費時費力不方便，建議廠商開發更簡單易操作的高級編程方法，會有利于產品的推廣。

（3）短路保護功能的增加

目前市場的主流保護器，其保護功能主要集中在過流、堵轉等功能，大多數產品沒有考慮短路保護功能，如電動機控制系統合閘在短路負載上，保護器控制接觸器斷開容易燒毀接觸器，因此建議制造商增加短路保護功能，當檢測到短路電流后先通過輸出控制上側空氣開關跳閘，再斷開接觸器。

（4）電流互感器的一體化

目前市場上的許多產品在小電流范圍（如≤100A）內電流互感器三相是一體化的。而大于100A三相互感器不是一體的，單相互感器增加了安裝空間，使用不方便，建議廠家研發生產一體化的電流互感器，大電流互感器與控制模塊可以不在一體。

更值得一提的是，目前還沒有廠家將外置漏電互感器與三相電流互感器集成生產在一體，如果開發出集漏電與三相電流檢測一體化的電流互感器，一定會大受用戶的歡迎。

（5）電機漏電電流起動過程中的屏蔽默認功能

在現場設備調試中發現，因電纜布線等原因，在電動機起動過程中，漏電電流有時會較大，超過保護整定值，使電機跳閘，但電動機起動結束后，這個漏電電流是很小的，盡管可以通過設置保護動作時間來解決這個問題，但因為每一臺電機的功率、線路長度均不相同，漏電電流值也不相同，逐臺設定很費精力，因此希望開發商在開發產品過程中增加起動過程漏電電流屏蔽默認功能，使用戶調試設備更加簡單高效。

（6）晃電再起動和分批起動功能的開發

目前各廠家定型產品都有晃電及再起動功能，但前提條件是停電或晃電時保護器的裝置電源不能停。這就要求為保護器設置專用不停電電源，設置單獨的電源使工廠整個低壓系統變得復雜，且可靠性隨著下降，大部分用戶還是習慣于低壓控制單元的主電路和控制電路使用同一個電源，這樣簡單、安全、可靠。這就要求保護器開發研究人員在保護裝置的硬件及軟件設計中，實現控制電源同主電源一起停電后還能實現這一功能，這一功能的實現無疑將給用戶帶來極大的方便，更有利于保護器的推廣使用。

（7）智能管理功能的開發

智能型電動機保護裝置的出現，喚起了用戶對保護裝置更高的要求，如前所述電流過載預告警及跳閘時間的預報極大地方便了運行管理人員，對生產線的穩定運行是有重要意義的。具有這一功能的保護裝置還不夠完善，有待于進一步研究開發。再如，如果保護器能根據電流負荷的變化、沖擊、不平衡、相位角等的變化，分析電機及機械設備的運行情況，將又是一個重大的技術突破。總之，用戶期待著保護裝置為人們提供更多的服務。

（8）高效通信管理機的開發

工業用戶的電動機保護裝置大部分集中安裝在電動機控制中心（MCC），傳統的做法是靠系統集成商將每個電動機保護器通信集中處理送到計算機后臺。筆者認為電動機保護器制造商更了解自己的產品，有責任研究開發高速通信管理系統，以滿足用戶需求，這對電動機保護器的推廣使用具有重要意義。

5 結論

本文介紹使用TeSysT的一些經驗及體會，由于作者知識能力有限，對裝置的硬件及軟件理解認識深度還不夠，懇請讀者批評指正。

電動機保護器這一新型的電子控制保護器件，由于其強大的控制功能、完善的保護功能、超前的智能管理功能，已經越來越多地應用于各個領域，相信在不久的將來，隨著保護裝置的可靠性、安全性的進一步提高，生產成本的逐步降低，保護裝置將逐步取代傳統的熱保護裝置，這將是低壓控制領域的一場革命。

[1]施耐德電動機管理控制器使用手冊.

[2]施耐德電動機管理控制器編程手冊.