電廠如何用好智能電動機保護控制器

特約撰稿人：江蘇國信靖江發電有限公司陳俊

電廠如何用好智能電動機保護控制器

特約撰稿人：江蘇國信靖江發電有限公司陳俊

核心提示：智能電動機保護控制器(以下簡稱保護控制器)在實現傳統的低壓電動機保護基礎上，融入了測控、計量、運行記錄和通訊功能，實現數字化、智能化、網絡化，做到保護和測控于一體，為發電廠生產過程控制的管理帶來了很大的便利。本文通過保護控制器在江蘇國信靖江電廠（以下簡稱國信靖江電廠）的應用以及基本原理的介紹，說明在電廠運行中應用保護控制器的必要性。

隨著DCS集中管理與分散控制系統在電廠自動化生產過程中應用越來越多的情況下，對于過去采用熱繼電器、斷路器（或熔斷器）作為電動機過負荷保護、斷相保護、短路保護和控制元件，因受到通信功能不夠靈活等多種條件的約束，已經無法滿足電廠設備自動化生產的要求，需在實現傳統的低壓電動機保護基礎上，融入測控、計量、運行記錄和通訊功能，實現數字化、智能化、網絡化，做到保護和測控于一體，對電動機進行保護控制和保障電機的安全運行。

國信靖江電廠專業人員在2007年2×660MW發電機組工程籌建過程中，當時國內的保護控制器還不成熟，同時也有人擔心通訊技術特別通訊規約的傳輸誤碼易造成設備間數據交換的失常，致使設備運行故障頻發。但我們堅信突飛猛進的計算機和網絡通信技術，通過大量的收集調研，發現已有從135～600MW工程的應用實例，采用了一種“通信＋硬接線”監控方式，即相關的控制指令及參與連鎖所需要的位置狀態經硬接線送至DCS系統的DO、DI卡件，監測信號則通過現場總線上傳至廠用電監控EFCS系統，經通信方式轉傳至DCS系統，避免了不會因保護控制器通訊故障造成對設備的控制及相關連鎖的失靈，為確定選用保護控制器提供了技術支持。恰好我們的設計院通過其他電廠工程，在這方面的設計也積累了一定經驗，最終在設計中采用了保護控制器。下面，以國信靖江電廠采用蘇州萬龍的保護控制器ST500為例，介紹在電廠的工程應用。

基本工作原理

圖1 電動機智能保護器工作原理

參數，以及電動機運行過程中的各種運動狀態等信號，經控制器內部處理運算，從而實現對電動機起動超時、過載、阻塞、欠載、斷相、三相電流不平衡、剩余電流（接地/漏電）、溫度、外部故障、相序、過壓、欠壓、欠功率、過功率、tE時間等全面綜合保護，進而保證發電廠生產工作的安全連續運行。

系統功能

1.主要功能模塊

保護控制器由電流傳感器、比較電路、微處理器及出口繼電器等幾部分組成，采用微處理器技術和模塊化設計結構，采用內置電流互感器，超過250A時采用外部保護級電流互感器。

保護控制器的基本原理及工作過程見圖1：通過采集三相交流電流、三相交流電壓、剩余電流、PTC熱電阻阻值、電動機電能等電量

保護控制器由兩部分組成：ST500控制器本體、ST522顯示操作模塊，控制器本體可以獨立運行，ST522作為控制器的輔助產品。

ST522顯示模塊用在設備現場和控制器一對一配套使用，通過ST522可以顯示測量信息，報警信息，故障信息，可以進行參數設定(保護定值，系統參數等)，可以輸入操作控制命令（如起動，停車等）。

ST522顯示模塊，不能獨立運行，只能和控制器本體配合才起作用，當設備各種運行參數，管理信息，保護參數等信息需在運行現場實時顯示時，可選配ST522。

圖2 ST500顯示模塊和控制器示意連接圖

2.保護功能

保護控制器能對低壓電動機進行綜合保護，有欠功率保護、過載保護、過熱保護、斷相保護、短路保護、缺相不平衡保護、堵轉保護、低電壓和過電壓保護、接地或漏電保護。當電機正常工作時，保護控制器面板上的液晶顯示屏，實時顯示電機的工作電流和電壓。保護控制器在微處理器空閑時，定時將采集的信號通過長串口通訊線T910-02傳至廠用電監控系統EFCS。當故障發生時，控制保護器動作，現場保存故障類型、時間以及電機運行參數，隨后通過廠用電監控系統EFCS向DCS系統報告。

3.在線監測功能

ST500保護控制器提供了Modbus-RTU通訊接口和 Profibus-DP RS-485接口，實現多種協議的選擇，與上位機的通信，方便繼保人員和運行人員通過計算機后臺實現遠程自動控制和在線監視設備的運行狀況等，將信息在最短時間內發送給后臺管理系統，并對故障信息發出報警信號，使運行人員能夠在第一時間發現故障原因并及時排除，實現電廠電動機設備數據的實時傳輸功能。

4.選用原則

保護控制器按結構形式來劃分，一般分為一體式和分體式兩種：

一體式是獨立的整體，故適合于固定柜安裝，如老式開關柜改造，可將保護控制器直接固定在安裝面板上，通過饋出電纜穿芯即可。分體式由于互感器部分與顯示部分分為兩體，可在一定范圍內任意安置，故非常適合用于新建工程的抽屜式開關柜的安裝。

我們在國信靖江電廠工程實踐中采用了MNSR系列低壓抽屜式開關柜，將顯示表頭嵌入式的安裝在開關抽屜的活動面板內，這樣既簡化了柜內接線、又方便了系統隨時調整、設定參數和顯示、監控。同時，數字化的顯示面板也增添了柜面的統一性和美觀性，使得配電室內的設備運行情況及故障狀態一目了然，極大地方便了系統巡視和檢修維護。

保護控制器按額定工作電壓及電流范圍來劃分，可分為AC380V、AC660V兩種，對應量程為2A(0．5～2A)、5A(1～5A)、6．3A(1．6 ～ 6．3A)、25A(6．3 ～ 25A)、100A(25 ～ 100A)、250A(63 ～250A)等若干等級，使用時按照電機的控制回路工作電壓及負載的額定電流選用相應的量程范圍即可，一般采用內置電流互感器，超過250A時采用外部保護級電流互感器，互感器為0．5級,保護精度要求5P10（但當采用外部標準0．5級電流互感器時，互感器一次額定電流建議選用3～4倍的電動機額定電流）。

部分工程應用實例

眾所周知，保安MCC段所帶的負荷設備，都是每臺機組重要的負荷設備，如頂軸油泵、交流潤滑油泵等，一旦保安段掉電將給機組的安全造成很大危害，甚至造成主機設備的重大損壞。以交流潤滑油泵為例，在發電機組因故障跳機時，由于轉速很低，主油泵（由汽輪機軸帶動）的出力不能滿足要求，這時需要啟動交流潤滑油泵，用來給系統提供潤滑油、保安油，保證發電機組安全停機。此時廠用電如果沒有切換成功，則由柴油發電機經過10S的啟動后，才能提供保安段的電源，10S時間內應急保安段失去電壓造成交流接觸器KM線圈失電，斷開交流潤滑油泵電源主回路，造成10S后保安段得電KM接觸器不再能動作，但采用ST500保護控制器失壓重啟功能后，解決接觸器失去電壓后再重新啟動已變得輕而易舉，具體實施情況如下：

圖3 ST500保護控制器接線圖

（1）從ST522窗口進入運行數據，按兩次確認鍵后，進入DI/DO設置，密碼1122，調節接觸器KM輸出接點1DO模式，將原有的脈沖模式（即觸點閉合后經幾十ms后斷開）改為電平模式（即觸點一直處于閉合狀態），其基本原理當DEH發出的長脈沖，在120S時間內（可改修），在保安段來電后使接觸器再起動。

（2）進入參數修改：密碼0500，改為失壓后重啟。

（3）進入保護修改：密碼0500，剩余電流改為3S。

控制保護器整定計算

1. 保護投退說明

電動機控制器出廠設置上開放了堵轉保護、反時限過負荷保護、不平衡保護、接地保護、長啟動保護，其中不平衡保護投信號外，均投停車。過壓和欠壓保護由電廠決定投退，給出參改整定值。過熱保護、TE時間保護、欠功率保護、相序保護建議不投。接觸器分斷電流保護、熔絲斷線告警、外部故障保護，按設備廠家的意見決定投退和定值。

2. 額定電流Imn計算

3. 參數設置

（1）就地開關投入

退出：在電機起動后檢測10%以上電流，電流信號再次消失時，控制器停機；投入：在電機起動后檢測10%以上電流，電流信號再次消失時，控制器繼續維持運行。

（2）啟動時間

（3）重起動

保安A、B段MCC段重起動功能投入，晃電時間0．6s，失電時間120s，延時時間6s；恢復電壓：75%Un=285V，其余段負載都不投。

（4）屏蔽時間

在所有保護項目中屏蔽時間運行的情況下，保護在起動后，經過該時間后才進行投入。取起動時間10～20s。

4. 過載保護整定計算

其中：K為過載曲線取100。

N為故障電流和額定電流比值。

過載保護在電流達到額定電流的1．15倍以后啟動。

（3）屏蔽時間：允許。

5. 負序過流保護整定計算（不平衡保護）

最大不平衡負序電流計算為：

取 0．6Im．n

（2）動作時間：2s。

（3）屏蔽時間：禁止。

6. 零序過流保護整定計算（剩余電流保護）

（2）動作時間：起動延時：3．0s（該參數決定接地故障發生在起動過程中經過多長時間實現保護動作）。運行延時：0．1s（該參數決定接地故障發生在運行過程中經過多長時間實現保護動作）。

（3）屏蔽時間：禁止。

7. 起動超時保護投入（經過起動時間后，電流未下降到額定電流1．1倍以下動作）

8. 速斷動作電流保護整定計算

（1）動作時間：0．1s。

（2）屏蔽時間：禁止。

9. 阻塞保護整定計算

正常最大負荷電流計算為：

（2）動作時間按躲過電機自啟動時間：12～24s。

（3）屏蔽時間：禁止。

10. 過電壓保護整定計算

退出不用

11. 低電壓保護整定計算

II、III類負荷為保證重要電動機自啟動

（1）動作電壓整定值，去0．7Un

（2）動作時間取 0．5s。

重要電機退出不用

12. 禁止電流Iic

考慮到設計的接觸器允許分斷電流都大于10Im．n，這里取最大值10Im．n。

靖電電廠選用ST500智能型電動機控制器產生的效果

1. 模塊化結構，便于維護保護控制器采用模塊化的產品結構形式，包括主體控制模塊、顯示模塊。通過采用ST500智能型電動機控制器安裝在低壓開關柜，與轉換開關、接觸器等電器元件構成電動機控制保護單元，實現了遠程自動控制、現場直接控制、液晶界面參數指示、信號報警、現場總線通信等功能，提高了整個控制回路的可靠性和穩定性。同時，降低了繼電保護人員現場調試和維護工作量。

2. 實時顯示參數，便于現場巡檢

ST500保護控制器采用模塊化的產品結構，將顯示模塊安裝在MSNR MCC柜體，通過液晶界面即可實時觀察當前電動機的運行狀態，便于繼保人員和運行人員對現場電動機的維護和控制。

3. 節能降耗

ST500保護控制器在電動機設備處于欠載等運行狀態時，能自動停機，避免了能源浪費。

4. 信息集中化

在后臺實時監測各電動機的運行狀況，實時觀察設備的運行參數，如電動機電流、電壓、運行狀況、電能等參數，對采集到的信息分析以及各設備的電動機運行情況實時進行處理，提高了控制系統的安全可靠性。

5. 智能化自控保護

一旦低壓電動機發生故障，控制器及時停止電動機運行，并對各種故障信息作出相應的指示和記錄，方便繼保人員及時查詢故障信息。在廠用電故障造成電壓瞬間的波動或者短時中斷又恢復，帶抗晃電功能時可使保護控制器重新起動。

6. 記錄故障信息，便于現場分析

由于發電廠電動機的工作環境較惡劣，多數處于高溫、潮濕、多塵的工況下，經常容易發生堵轉、短路、斷相或長期過載運行等故障，所以保護控制器需對惡劣環境中工作的電動機進行實時保護、控制，保證電動機的正常運行。為此，當發生故障時，繼電保護人員很難在第一時間發現故障原因，ST500保護控制器有著較強的故障和事件記錄及運行管理信息，能為繼電保護人員現場分析和處理故障節省大量時間，及時消除故障，保證電廠設備正常運行。

通過電廠建成后的運行情況來看，采用保護控制器不但有效地保障了電機的安全運行，利用先進的通訊技術，提高了控制回路的自動化水平和可靠性，實現了部分電機控制的自動化，做到了可靠性和經濟性的統一。事實證明，當初工程設計階段選用保護控制器的決斷是正確的，及時投入電廠運行應用非常必要。