浅谈异步电动机的保护装置与电动机的协调配合
来源：中国论文下载中心 [ 10-07-10 10:03:00 ] 作者：王卿玮 编辑：studa20
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摘要：该文介绍了异步电动机的各种保护装置。电动机保护主要有两大类：采用电流检测型的有热继电器，带有热磁脱扣的电动机保护用断路器。电于式和固态继电器，带电子式脱扣的电动机保护用断路器以及软起动器；直接检测电动机绕组温度的温度检测型有双金属片温度继电器、热保护器、检测线圈和热教电阻温度继电器等，但由于需直接埋入电机绕组，价格较贵、维修困难等原因，便在部分频繁操作扬合使用。最后指出不管采用何种保护装置，必须考虑过载保护装置与电动机、过载保护装置与短路保护装置的协调配合，
关键词 异步电动机；保护装置控制
异步电动机的保护是个复杂的问题。在实际使用中，应按照电动机的容量、型式、控制方式和配电设备等不同来选择相适应的保护装置及起动设备。
电动机保护装置
电动机的损坏主要是绕组过热或绝缘性能降低引起的，而绕组的过热往往是流经绕组的电流过大引起的。对电动机的保护主要有电流、温度检测两大类型。下面结合产品作些介绍。
一 电流检测型保护装置
热继电器利用负载电流流过经校准的电阻元件，使双金属热元件加热后产生弯曲，从而使继电器的触点在电动机绕组烧坏以前动作。其动作特性与电动机绕组的允许过载特性接近。热继电器虽则动作时间准确性一般，但对电动机可以实现有效
的过载保护。随着结构设计的不断完善和改进，除有温度补偿外，它还具有断相保护及负载不平衡保护功能等。例如从ABB公司引进的T系列双金属片式热过载继电器}从西门子引进的3UA5、3UA6系列双金属片式热过载继电器；JR20型、JR36型热过载继电器，其中Jn36型为二次开发产品，可取代淘汰产品JR16型。
带有热一磁脱扣的电动机保护用断路器热式作过载保护用，结构及动作原理同热继电器，其双金属热元件弯曲后有的直接顶脱扣装置，有的使触点接通，最后导致断路器断开。电磁铁的整定值较高，仅在短路时动作。其结构简单、体积小、价格低、动作特性符合现行标准、保护可靠，故日前仍被大量采用，特别是小容量断路器尤为显著。例如从ABB公司引进的M61 1型电动机保护用断路器，国产DWl5低压万能断路器(200—630A)、s系列塑壳断路器(100、200、400入)。
电子式过电流继电器通过内部各相电流互感器检测故障电流信号，经电子电路处理后执行相应的动作。电子电路变化灵活，动作功能多样，能广泛满足各种类型的电动机的保护。其特点是：
①多种保护功能。主要有三种：过载保护，过载保护+断相保护，过载保护+断相保护+反相保护。
⑦动作时间可选择(符合GB1404 8.4—93标准)。
标准型(10级)：7.2In(In为电动机额定电梳)，4－10 s动作，用于标准电动机过载保护，速动型(10A级)：7.2In时，2—10 s动作，用于潜水电动机或压缩电动机过载保护。慢动型(30级)：7.2In时，9—30 s动作，用于如鼓风机电机等起动时间长的电动机过载保护。
③电流整定范围广。其最大值与最小值之比一般可达3—4倍，甚至更大倍数(热继电器为1.56倍)，特别适用于电动机容量经常变动的场合(例如矿井等)。
④有故障显示。由发光二极管显示故障类别，便于检修。
固态继电器它是一种从完成继电器功能的简单电子式装置发展到具有各种功能的微处理器装置。其成本和价格随功能而异，最复杂的继电器实际上只能用于较大型、较昂贵的电动机或重要场合。它监视、测量和保护的主要功能有：
①最大的起动冲击电流和时间；
⑦热记忆；
③大惯性负载的长时间加速；
④断相或不平衡相电流；
⑤相序；
⑥欠电压或过电压；
⑦过电流(过载)运行；
⑧堵转；
⑨失载(机轴断裂，传送带断开或泵空吸造成工作电流下跌)；
⑩电动机绕组温度和负载的轴承温度；
(11)超速或失速。
上述每一种信息均可编程输入微处理器，主要是加上需要的时限，以确保在电动机起动或运转过程中产生损坏之前，将电源切断。还可用发光二极管或数字显示故障类别和原因，也可以对外向计算机输出数据。
二 温度检测型保护装置
双金属片温度继电器它直接埋人电动机绕组中。当电动机过载使绕组温度升高至接近极限值时，带有一触头的双金属片受热产生弯曲，使触点断开而切断电路。产品如Jw 2温度继电器。
热保护器它是装在电动机本体上使用的热动式过载保护继电器。与温度继电器不同的是带2个触头的碗形双金属片作为触桥串在电动机回路，既有流过的过载电流使其发热，又有电动机温度使其升温，达到一定值时，双金属片瞬间反跳动作，触点断开，分断电动机电流。它可作小型三相电动机的温度、过载和断相保护。产品如sPB、DRB型热保护器。
检测线圈测温电动机定子每相绕组中埋人1—2个检测线圈，由自动平衡式温度计来监视绕组温度。
热敏电阻温度继电器它直接埋入电动机绕组中，一旦超过规定温度，其电阻值急剧增大10—1000倍。使用时，配以电子电路检测，然后使继电器动作。产品如J W 9系列船用电子温度继电器。
保护装置与异步电动机的协调配合
为了确保异步电动机的正常运行及对其进行有效的保护，必须考虑异步电动机与保护装置之间的协调配合。特别是大容量电网中使用小容量异步电动机时，保护的协调配合更为突出。
(一)过载保护装置与电动机的协调配合
过载保护装置的动作时间应比电动机起动时间略长一点。电动机过载保护装置的特性只有躲开电动机起动电流的特性，才能确保其正常运转-但其动作时间又不能太长，其特性只能在电动机热特性之下才能起到过载保护作用。
过载保护装置瞬时动作电流应比电动机起动冲击电流略大一点。如有的保护装置带过载瞬时动作功能，则其动作电流应比起动电流的峰值大一些，才能使电动机正常起动。
过载保护装置的动作时间应比导线热特性小一点，才能起到供电线路后备保护的功能。
(二)过载保护装置与短路保护装置的协调配合一般过载保护装置不具有分断短路电流的能力。一旦在运行中发生短路，需要由串联在主电路中的短路保护装置(如断路器或熔断器等)来切断电路。若故障电流较小，属于过载范围，则仍应由过载保护装置切断电路。故两者的动作之间应有选择性。
短路保护装置特性是以熔断器作代表说明的，与过载保护特性曲线的交点电流为Ij，若考虑熔断器特性的分散性，则交点电流有Is及1B两个，此时就要求Is及以下的过电流应由过载保护装置来切断电路，I b及以上直到允许的极限短路电流则由短路保护装置来切断电路，以满足选择性要求。显然，在I s—IB范围内就很难确保有选择性，因此要求该范围应尽量小。从现行I E c标准规定来看，极限值为Is=0.75Ii，Ib=1.25IJ，目前过载保护装置的额定接通和分断能力均按0.75IJ考核，显然偏低一些，从IEC标准修改的动向，今后有可能按I J考核，以提高其可靠性。因此上述的协调配合应既考虑其选择性，又考虑其额定接通和分断能力。
结语
异步电动机的保护是涉及电气装置和机械设备可靠、正常运转的关键之一。直接检测电动机绕组的温度来保护过载引起的过热是很有效的保护方式，但由于需直接埋入电动机绕组里，价格较贵、维修困难等原因，仅在部分频繁操作场合使用；从经济性考虑，采用电流检测型更为有利，加热继电器仍是一种价廉、简单、可靠的电动机保护形式(从实际使用情况看，目前使用量占大多数)；对动作性能要求较高及功能要求全或价格昂贵的大容量电动机保护，则可采用电子式或固态继电器；对一般要求，则采用带热一磁脱扣的电动机保护用断路器更为实用。但不管采用何种保护装置，必须考虑过载保护装置与电动机、过载保护装置与短路保护装置的协调配合。
摘要：电气自动化在水电站中的应用主要体现在水电站的自动化方面，本文在此基础上阐述了水电站自动化的作用和内容，并进一步分析了设备选型及自动化设计。
关键词：电气自动化 水电站 应用
一、引言
随着电力电子技术、微电子技术迅猛发展，电气自动化在水电站中也得到了广泛应用，这又主要体现在水电站的自动化方面。水电站的自动化是实现水轮发电机组自动化的关键部分，是利用计算对整个水电生产过程监控的“耳目”“手脚”，它担负自动监测机组和辅助设备的状态，发出拟定的报警信号、执行自动操作任务。水电站自动化的程度取决于电站的规模，电站的型式及主要机电设备的性能。
水电站自动化就是要使水电站生产过程的操作、控制和监视，能够在无人(或少人)直接参与的情况下，按预定的计划或程序自动地进行。水电站自动化程度是水电站现代化水平的重要标志，同时，自动化技术又是水电站安全经济运行必不可少的技术手段。水电站自动化具有提高工作的可靠性、提高运行的经济性、保证电能质量、提高劳动生产率、改善劳动条件等作用。
二、水电站自动化的内容
水电站自动化的内容，与水电站的规模及其在电力系统中的地位和重要性、水电站的型式和运行方式、电气主接线和主要机电设备的型式和布置方式等有关。总的来说，水电站自动化包括完成对水轮发电机组运行方式的自动控制、完成对水轮发电机组及其辅助设备运行工况的监视、完成对辅助设备的自动控制、完成对主要电气设备的控制、完成对水工建筑物运行工况的控制和监视几个方面。
(一)完成对水轮发电机组运行方式的自动控制
一方面，实现开停机和并列、发电转调相和调相转发电等的自动化，使得上述各项操作按设定的程序自动完成；另一方面，自动维持水轮发电机组的经济运行，根据系统要求和电站的具体条件自动选择最佳运行机组数，在机组间实现负荷的经济分配，根据系统负荷变化自动调节机组的有功和无功功率等。此外，在工作机组发生事故或电力系统频率降低时，可自动起动并投入备用机组；系统频率过高时，则可自动切除部分机组。
(二)完成对水轮发电机组及其辅助设备运行工况的监视
如对发电机定子和转子回路各电量的监视，对发动机定子绕组和铁芯以及各部轴承温度的监视，对机组润滑和冷却系统工作的监视，对机组调速系统工作的监视等。出现不正常工作状态或发生事故时。迅速而自动地采取相应的保护措施，如发出信号或紧急停机。
(三)完成对辅助设备的自动控制
包括对各种油泵、水泵和空压机等的控制，并发生事故时自动地投入备用的辅助设备。
(四)完成对主要电气设备(如变压器、母线及输电线路等)的控制、监视和保护。
(五)完成对水工建筑物运行工况的控制和监视
如闸门工作状态的控制和监视，拦污栅是否堵塞的监视，上下游水位的测量监视，引水压力管的保护(指引水式电站)等。中心
火电厂输煤系统的任务是卸煤、堆煤、上煤和配煤，以达到按时保质、保量为机组（原煤
仓）提供燃煤的目的。整个输煤系统是火电厂十分重要的支持系统。它是保证机组稳发满发的
重要条件。
输煤系统是火电厂的重要组成部分，其安全可靠运行是保证电厂实现安全、高效不可缺少的环节。输煤系统的工艺流程随锅炉容量、燃料品种、运输方式的不同而差别较大，并且使用设备多，分布范围广。作为一种具有本安性且远距离传输能力强的分布式智能总线网络，lonworks总线能将监测点做到彻底的分散（在一个网络内可带32000多个节点），提高了系统的可靠性，可以满足输煤系统监控的要求。火电厂输煤系统一般都采用顺序控制和报警方式，为相对独立的控制单元系统，系统配备了各种性能可靠的测量变送器。通过运用Lonworks现场总线技术将各种测量变送器的输出信号接入对应的智能节点组成多个检测单元，然后挂接在Lonworks总线上，再通过Lonworks总线与已有的DCS系统集成，实现了对输煤系统更加有效便捷的监控。
在输煤系统中，常用的测量变送器一般有以下几种： （1）开关量皮带速度变送器（2）皮带跑偏开关（3）煤流开关（4）皮带张力开关（5）煤量信号（6）金属探测器（7）皮带划破探测（8）落煤管堵煤开关（9）煤仓煤位开关。
每一种测量变送器和其相对应节点共同组成智能监测单元，对需要监测的工况参数进行实时的监控。监测单元通过收发器接入Lonworks总线网络进行通信，可根据监测到的参数进行控制和发出报警信号，系统的结构如图1所示。
3、 Lonworks总线智能节点的一般设计
智能节点是总线网络中分布在现场级的基本单元，其设计开发分为两种：一种是基于neuron芯片的设计，即节点中不再包含其它处理器，所有工作均由neuron芯片完成。另一种是基于主机的节点设计，即neuron芯片只完成通信的工作，用户应用程序由其它处理器完成。前者适合设计相对简单的场合，后者适应于设计相对复杂的场合。一般情况下，多采用基于芯片的设计。由于智能节点不外乎输入/输出模拟量和输入/输出开关量四种形式，节点的设计也大同小异，对此本文只给出了节点设计的一般方法。
基于芯片的智能节点的硬件结构包括控制电路、通信电路和其它附加电路组成，其基本结构如图2所示。
图2 智能节点基本结构图
Fig 2 Basic Structure Of Node Based On The Neuron Chip
控制电路
①神经元芯片：采用Toshiba公司生产的3150芯片，主要用于提供对节点的控制，实施与Lon网的通信，支持对现场信息的输入输出等应用服务。
②片外存储器：采用Atmel公司生产的AT29C256（Flash存储器）。AT29C256共有32KB的地址空间，其中低16KB空间用来存放神经元芯片的固件（包括LonTalk协议等）。高16KB空间作为节点应用程序的存储区。采用ISSI公司生产的IS61C256作为神经元芯片的外部RAM。
③I/O接口：是neuron芯片上可编程的11个I/O引脚，可直接与外部接口电路连接，其功能和应用由编程方式决定。
通信电路
通信电路的核心收发器是智能节点与Lon网之间的接口。目前，Echelon公司和其他开发商均提供了用于多种通信介质的收发器模块。通常采用Echelon公司生产的适用于双绞线传输介质的FTT-10A收发器模块。
附加电路
附加电路主要包括晶振电路、复位电路和Service电路等。
①晶振电路：为3150神经元芯片提供工作时钟。
②复位电路：用于在智能节点上电时产生复位操作。另外，节点还将一个低压中断设备与3150的Reset引脚相连，构成对神经元芯片的低压保护设计，提高节点的可靠性稳定性。
③Service电路：专为下载应用程序设计。Service指示灯对诊断神经元芯片固件状态有指示作用
节点的软件设计采用Neuron C编程语言设计。Neuron C是为neuron芯片设计的编程语言，可直接支持neuron芯片的固化，并定义了34种I/O对象类型。节点开发的软件设计分为以下几步：
（1）定义I/O对象：定义何种I/O对象与硬件设计有关。在定义I/O对象时，还可设置I/O对象的工作参数及对I/O对象进行初始化。
（2）定义定时器对象：在一个应用程序中最多可以定义15个定时器对象（包括秒定时器和毫秒定时器），主要用于周期性执行某种操作情况，或引进必要的延时情况。
（3）定义网络变量和显示报警：既可以采用网络变量又可以采用显示报警形式传输信息，一般情况采用网络变量形式。
（4）定义任务：任务是neuron C实现事件驱动的途径，是对事件的反应，即当某事件发生时，应用程序应执行何种操作。
（5）定义用户自定义的其它函数 ：可以在neuron C程序中编写自定义的函数，以完成一些经常性功能，也将一些常用的函数放到头文件中，以供程序调用。
4、基于Lonworks总线的火电厂输煤系统与DCS的网络集成
现场总线技术与传统的系统DCS系统实现网络集成并协同工作的情况目前在火电厂中尚为数不多。进一步推动火电厂数字化和信息化的发展，逐步推行现场总线技术与DCS系统的集成是火电厂工业控制及自动化水平发展的趋势。就目前来讲，现场总线技术与DCS集成方式有多种，且组态灵活。根据现场的实际情况，我们知道不少大型火电厂都已装有DCS系统并稳定运行，而现场总线很少或首次引入系统，因此可采用将现场总线层与DCS系统I/O层连接的集成，该方案结构简便易行，其原理如图3所示。从图中可以看出现场总线层通过一个接口卡挂在DCS的I/O层上,将现场总线系统中的数据信息映射成与DCS的I/O总线上的数据信息，使得在DCS控制器所看到的从现场总线开来的信息如同来自一个传统的DCS设备卡一样。这样便实现了在I/O总线上的现场总线技术集成。火电厂输煤系统无论是在规模上，还是在利用已有生产资源的基础上，采用该方案都是可行的，同时也体现了把火电厂某些相对独立控制系统通过现场总线技术纳入DCS系统的合理性。由此可见，现阶段现场总线与系统的并存不仅会给生产用户带来大量收益，而且使用户拥有更多的选择，以实现更合理的监测与控制。
参考文献：
大跨度输煤栈桥结构设计探讨
火电厂输煤控制系统的开发
发电厂输煤计量集控的理论与实践
参考资料：
