淺談智能電機保護器集成及智能化研究與選型

張娟

安科瑞電氣股份有限公司 上海嘉定 20180111

1概述

傳統(tǒng)電機控制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統(tǒng)熱繼電器對電機的保護）、輔助電器（時間繼電器、按鈕開關(guān)及指示燈、電流互感器、電流表等構(gòu)成）來完成相應保護。而今控制回路則由集成化程度很高的智能控制器與保護開關(guān)所替代，智能控制器與保護開關(guān)完成電機的各種保護功能（電機的短路、過壓、欠壓、堵轉(zhuǎn)等）相應的按鈕開關(guān)、轉(zhuǎn)換旋鈕開關(guān)、及指示燈由人機交互智能控制器（替代傳統(tǒng)面板指示燈、轉(zhuǎn)換開關(guān)、按鈕等）來完成。控制與保護開關(guān)具有控制與保護自配合特性，集控制與保護功能于一體，很好地解決了分立電器器件不能或很難解決的器件之間的保護與控制特性匹配問題，使保護與控制特性配合更完善合理，實現(xiàn)了**配合。人機交互智能控制器通過網(wǎng)線、控制模塊、控制與保護開關(guān)來完成電機的控制。以集成應用實現(xiàn)了對電動機及配電負載控制與保護特性，在產(chǎn)品內(nèi)部自配合無死角的多功能電器及人機交互智能控制器，集成了傳統(tǒng)電機控制的所有功能：手自動選擇、消防接口、樓宇智能化接口、遠程控制接口、遠程通訊接口，無論從控制可靠性以及降低人工成本和節(jié)省材料方面使傳統(tǒng)電機控制保護理念一次革ming，標志電機控制，建筑用風機等真正進入數(shù)字化時代。

2 CPS控制與保護開關(guān)

2.1應用范圍

控制保護開關(guān)，主要用于交流50Hz（60Hz）、額定電壓低于690V。工作電流小于125A以下的電力系統(tǒng)中接通、承載和分斷正制造與測試Manufacturing&Test常條件下包括規(guī)定的過載條件下的電流，且能夠接通承載并分斷規(guī)定的非正常條件下的電流（如短路電流）。

2.2保護原理

控制保護開關(guān)目前市場主導產(chǎn)品，采用模塊化的單一產(chǎn)品結(jié)構(gòu)型式，應用MCU數(shù)字處理技術(shù)，類似接觸器的電磁控制系統(tǒng)能接受通斷操作指令，控制主回路電路接通與分斷（替代傳統(tǒng)控制接觸器和熱繼電器）。其主電路的控制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(gòu)組成，每極相互獨立，裝有限流式快速短路脫扣器與高分段能力的滅弧系統(tǒng)，實現(xiàn)高限流特性的后備保護。在負載發(fā)生短路時，脫扣器快速（2～3ms）沖擊打開主接觸組，同時帶動操作機構(gòu)切斷控制線圈，使主電路各級全部斷開。替代傳統(tǒng)電機控制接觸器及熱繼電器保護控制。

2.3執(zhí)行標準

控制與保護器整合了傳統(tǒng)低壓電器器件完成的電機保護功能諸如：具有協(xié)調(diào)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(zhuǎn)、短路、欠流、過壓、欠壓、三相不平衡、啟動延時（避開啟動大電流與過載動作時間區(qū)分開）等諸多預警和保護功能。相應控制與保護開關(guān)符合：GB/T14048.1低壓開關(guān)設(shè)備和控制設(shè)備總則；GB14048.9idtIEC947-6-2低壓開關(guān)設(shè)備和控制設(shè)備多功能電器(設(shè)備)控制與保護開關(guān)電器(設(shè)備CPS)標準。

2.4保護開關(guān)特點

CPS具有多種分立元器件的組合功能，且這些功能在產(chǎn)品內(nèi)部具有協(xié)調(diào)配合的特性，因此，由CPS構(gòu)成的電控系統(tǒng)與由分立元件構(gòu)成的系統(tǒng)對比具有以下的特點和優(yōu)勢：

（1）只要根據(jù)負載功率（380V電動機1kW約等于2A、220V電動機1kW約等于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(shè)計人員，安裝工程的工作量。

（2）具有很高的運行可靠性和系統(tǒng)的連續(xù)運行性能，即CPS在分斷短路電流后無需維護即可投入使用，即具有分斷短路故障后的連續(xù)運行性能。

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

2.5各項保護簡述

主要的保護功能：與電流相關(guān)的過載、斷相、短路等保護功能，以及與電壓相關(guān)的欠壓、過壓等保護功能。這些功能經(jīng)內(nèi)在固有的協(xié)調(diào)配合，使得CPS能夠在分斷直至其額定運行短路分斷電流Ics后連續(xù)運行。主要控制功能，能夠就地手動控制與遠程的手動控制，以及自動控制等。

2.5.1啟動延時時間及過流保護

啟動延時時間設(shè)定范圍：1～99s，在啟動時間內(nèi)，只對過壓、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(guī)控制：通常采用時間繼電器（時間可以預置，預置時間范圍1～99s）和相應電動機保護器（具有過流保護功能，保護器的規(guī)格根據(jù)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(shè)定的時間還未啟動則強制轉(zhuǎn)換：如電機星三角啟動）。

2.5.2過流保護

根據(jù)負載電流I值來設(shè)定保護脫扣器工作電流Ie，通常設(shè)定原則：負載電流I＞80%Ie（Ie＜1.25I）如負載電流I=100A，則設(shè)定電流Ie=125A。過流保護動作時間：根據(jù)負載特性設(shè)定（傳統(tǒng)熱繼電器的反時限特性、來確定）。控制保護開關(guān)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(shù)，與保護時間對應關(guān)系遵循反時限特性。選擇不同F(xiàn)1、F2、F3、F4確定開關(guān)過流保護動作時間。

控制保護開關(guān)、起動、過流I-t曲線圖解析：

1)起動階段：可根據(jù)負載選擇設(shè)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時控制預警發(fā)出，進入過流延時脫扣工作準備，只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(guān)動作進行過流保護。

2.5.3過壓、欠壓保護

過壓、欠壓參數(shù)值通常根據(jù)用電設(shè)備長期工作情況下而確定，保證被保護的電器產(chǎn)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工作時間不足于使電器在過壓及欠壓狀況下?lián)p壞）

2.5.4欠流保護

欠流保護設(shè)定，可以避免用戶未根據(jù)負載電流設(shè)定欠流值，使電機在控制保護開關(guān)范圍內(nèi)，尤其對不能空載的電機進行有效保護。通常欠流值設(shè)定在30Ie，一旦電機運行電流值小于欠流設(shè)定值，保護器預警發(fā)出，并在規(guī)定的保護動作時間內(nèi)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(shè)備電機在運行過程中，三相不平衡會導致達到數(shù)倍電流不平衡的發(fā)生。誘導電動機逆扭矩增加，從而使電動機的溫度上升，效率下降，能耗增加，發(fā)生震動，輸出虧耗等影響。各相之間的不平衡也使用電設(shè)備壽命縮短，加速設(shè)備部件更換頻率，增加設(shè)備維護成本。

目前判定三相電流不平衡度的方法用兩種：

a)取三相*大線電流Imax和*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*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;

采用上述兩種三相電流不平衡度分別計算為：

a)(120-85)/120·100%＝29.2%;

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

從計算數(shù)據(jù)來分析，a）方案明顯要比b）方案要嚴苛，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(shè)定三相電流不平衡度保護范圍：20%～75%，不平衡度越小表明三相電流*大與*小差值越小，相應越大則三相電流*大與*小差值越大，大到超出設(shè)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(tài)，此時保護器呈不平衡保護狀態(tài)，并在相應保護時間內(nèi)（≤3s）起到保護作用。

2.5.6堵轉(zhuǎn)保護

堵轉(zhuǎn)保護是防止電機驅(qū)動設(shè)備出現(xiàn)嚴重運轉(zhuǎn)堵塞或電機超負荷運轉(zhuǎn)而發(fā)熱損壞電機。其堵轉(zhuǎn)電流可達到額定電流4～8Ie，與電機啟動電流值相當，但與之不同的是電機啟動電流*大值通常在電機接通電源0.025s內(nèi)產(chǎn)生，隨后電流隨時間推移按指數(shù)規(guī)律衰減，衰減速度與電機的時間常數(shù)有關(guān)；而電機堵轉(zhuǎn)電流并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*為嚴重的就是堵轉(zhuǎn)。

保護器一旦檢測到電機呈堵轉(zhuǎn)工作狀態(tài)，控制保護開關(guān)動作時間在≤0.5s保護工作。

2.5.7短路短延時保護

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

2.5.8漏電保護

控制保護開關(guān)漏電保護是通過內(nèi)置的零序互感器來測量電機運轉(zhuǎn)與接地故障情況，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(jù)用戶要求有幾種漏電電流值可供選擇：50mA、75mA、100mA、150mA、200mA、300mA、400mA、500mA）。控制保護開關(guān)動作時間≤0.2s。

3智能控制器

將傳統(tǒng)的按鈕、指示燈、轉(zhuǎn)換開關(guān)等集成至智能控制器中，來完成ren機交互智能控制。面板上設(shè)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。安裝方式采用面板安裝與控制模塊用RJ45網(wǎng)線連接。使控制類似與PLC配套的工控屏HMI，使控制面板簡捷明了。

4控制模塊

控制模塊在該系統(tǒng)中起到智能控制器與電機保護開關(guān)的連接及鈕帶作用。模塊內(nèi)部軟件采用冗余邏輯分析處理算法實現(xiàn)控制邏輯，從而可靠的實現(xiàn)對保護開關(guān)（CPS）與智能控制器連接與控制。保護器采樣和執(zhí)行情況由控制模塊來完成，并將信息通過標準RJ45網(wǎng)線傳輸至智能控制器面板?？刂颇K根據(jù)不同的保護控制選擇相應規(guī)格來完成電機的保護。

控制模塊上配有可插拔端子，便于連線和維護?？刂颇K可以直接驅(qū)動交流接觸器、CPS控制保護器、也可通過AC220V中間繼電器驅(qū)動軟啟動器。模塊類型按需求控制分為：高低速電機控制器、兩臺電機獨立控制、降壓啟動控制器、正反轉(zhuǎn)控制器、排風送風控制器、三臺電機控制（兩用一備型，軟啟動型）、兩用一備三角型、污水泵、消防泵、軟啟動型、星三角型電路電機控制等。

5控制流程框圖簡介

在智能控制器（人機界面）上無論手動狀態(tài)還是自動狀態(tài)均可控制電機（消防泵、污水泵、星三角、軟啟動）正常啟停?？刂颇K與電機控制保護器（類似KBO）配套，并將電機控制保護器所采集的故障經(jīng)反饋回路反饋至控制模塊中，并通過網(wǎng)線傳輸至智能控制器（人機界面）上的故障指示（用聲光報警）。

（1）高度集成，數(shù)字化控制降低控制成本。

（2）在控制連接上采用RJ45接口網(wǎng)線控制，極大簡化維修及售后成本，沒有以往復雜的二次線路連接，如有問題可更換智能控制器和相應控制模塊即可。

（3）整體控制質(zhì)量得到提升，由原始的多個分離控制器件及導線、接線端子而成，無論分離器件或?qū)Ь€連接出現(xiàn)松動都會引發(fā)控制故障?，F(xiàn)將上述功能高度集成為控制器件，大大提升了控制質(zhì)量及品質(zhì)。

（4）采用模塊化的設(shè)計，體積小、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(diào)試的整個過程。

6安科瑞ARD系列智能電動機保護器介紹與綜合選型

6.1產(chǎn)品簡介

ARD該系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(zhuǎn)等保護功能?？膳c接觸器、電動機起動器等電器元件構(gòu)成電動機控制保護單元，具有遠程自動控制、現(xiàn)場直接控制、面板指示、信號報警、現(xiàn)場總線通信等功能。應用范圍：可廣泛應用于煤礦、石化、冶煉、電力、建筑等行業(yè)的配電領(lǐng)域。

6.2產(chǎn)品選型

產(chǎn)品功能