電廠如何用好智能電動(dòng)機(jī)保護(hù)控制器

特約撰稿人：江蘇國(guó)信靖江發(fā)電有限公司陳俊

電廠如何用好智能電動(dòng)機(jī)保護(hù)控制器

特約撰稿人：江蘇國(guó)信靖江發(fā)電有限公司陳俊

核心提示：智能電動(dòng)機(jī)保護(hù)控制器(以下簡(jiǎn)稱保護(hù)控制器)在實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)的低壓電動(dòng)機(jī)保護(hù)基礎(chǔ)上，融入了測(cè)控、計(jì)量、運(yùn)行記錄和通訊功能，實(shí)現(xiàn)數(shù)字化、智能化、網(wǎng)絡(luò)化，做到保護(hù)和測(cè)控于一體，為發(fā)電廠生產(chǎn)過(guò)程控制的管理帶來(lái)了很大的便利。本文通過(guò)保護(hù)控制器在江蘇國(guó)信靖江電廠（以下簡(jiǎn)稱國(guó)信靖江電廠）的應(yīng)用以及基本原理的介紹，說(shuō)明在電廠運(yùn)行中應(yīng)用保護(hù)控制器的必要性。

隨著DCS集中管理與分散控制系統(tǒng)在電廠自動(dòng)化生產(chǎn)過(guò)程中應(yīng)用越來(lái)越多的情況下，對(duì)于過(guò)去采用熱繼電器、斷路器（或熔斷器）作為電動(dòng)機(jī)過(guò)負(fù)荷保護(hù)、斷相保護(hù)、短路保護(hù)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(jīng)無(wú)法滿足電廠設(shè)備自動(dòng)化生產(chǎn)的要求，需在實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)的低壓電動(dòng)機(jī)保護(hù)基礎(chǔ)上，融入測(cè)控、計(jì)量、運(yùn)行記錄和通訊功能，實(shí)現(xiàn)數(shù)字化、智能化、網(wǎng)絡(luò)化，做到保護(hù)和測(cè)控于一體，對(duì)電動(dòng)機(jī)進(jìn)行保護(hù)控制和保障電機(jī)的安全運(yùn)行。

國(guó)信靖江電廠專業(yè)人員在2007年2×660MW發(fā)電機(jī)組工程籌建過(guò)程中，當(dāng)時(shí)國(guó)內(nèi)的保護(hù)控制器還不成熟，同時(shí)也有人擔(dān)心通訊技術(shù)特別通訊規(guī)約的傳輸誤碼易造成設(shè)備間數(shù)據(jù)交換的失常，致使設(shè)備運(yùn)行故障頻發(fā)。但我們堅(jiān)信突飛猛進(jìn)的計(jì)算機(jī)和網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)，通過(guò)大量的收集調(diào)研，發(fā)現(xiàn)已有從135～600MW工程的應(yīng)用實(shí)例，采用了一種“通信＋硬接線”監(jiān)控方式，即相關(guān)的控制指令及參與連鎖所需要的位置狀態(tài)經(jīng)硬接線送至DCS系統(tǒng)的DO、DI卡件，監(jiān)測(cè)信號(hào)則通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)總線上傳至廠用電監(jiān)控EFCS系統(tǒng)，經(jīng)通信方式轉(zhuǎn)傳至DCS系統(tǒng)，避免了不會(huì)因保護(hù)控制器通訊故障造成對(duì)設(shè)備的控制及相關(guān)連鎖的失靈，為確定選用保護(hù)控制器提供了技術(shù)支持。恰好我們的設(shè)計(jì)院通過(guò)其他電廠工程，在這方面的設(shè)計(jì)也積累了一定經(jīng)驗(yàn)，最終在設(shè)計(jì)中采用了保護(hù)控制器。下面，以國(guó)信靖江電廠采用蘇州萬(wàn)龍的保護(hù)控制器ST500為例，介紹在電廠的工程應(yīng)用。

基本工作原理

圖1 電動(dòng)機(jī)智能保護(hù)器工作原理

參數(shù)，以及電動(dòng)機(jī)運(yùn)行過(guò)程中的各種運(yùn)動(dòng)狀態(tài)等信號(hào)，經(jīng)控制器內(nèi)部處理運(yùn)算，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)電動(dòng)機(jī)起動(dòng)超時(shí)、過(guò)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(guò)壓、欠壓、欠功率、過(guò)功率、tE時(shí)間等全面綜合保護(hù)，進(jìn)而保證發(fā)電廠生產(chǎn)工作的安全連續(xù)運(yùn)行。

系統(tǒng)功能

1.主要功能模塊

保護(hù)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(shù)和模塊化設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)，采用內(nèi)置電流互感器，超過(guò)250A時(shí)采用外部保護(hù)級(jí)電流互感器。

保護(hù)控制器的基本原理及工作過(guò)程見(jiàn)圖1：通過(guò)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(dòng)機(jī)電能等電量

保護(hù)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(dú)立運(yùn)行，ST522作為控制器的輔助產(chǎn)品。

ST522顯示模塊用在設(shè)備現(xiàn)場(chǎng)和控制器一對(duì)一配套使用，通過(guò)ST522可以顯示測(cè)量信息，報(bào)警信息，故障信息，可以進(jìn)行參數(shù)設(shè)定(保護(hù)定值，系統(tǒng)參數(shù)等)，可以輸入操作控制命令（如起動(dòng)，停車等）。

ST522顯示模塊，不能獨(dú)立運(yùn)行，只能和控制器本體配合才起作用，當(dāng)設(shè)備各種運(yùn)行參數(shù)，管理信息，保護(hù)參數(shù)等信息需在運(yùn)行現(xiàn)場(chǎng)實(shí)時(shí)顯示時(shí)，可選配ST522。

圖2 ST500顯示模塊和控制器示意連接圖

2.保護(hù)功能

保護(hù)控制器能對(duì)低壓電動(dòng)機(jī)進(jìn)行綜合保護(hù)，有欠功率保護(hù)、過(guò)載保護(hù)、過(guò)熱保護(hù)、斷相保護(hù)、短路保護(hù)、缺相不平衡保護(hù)、堵轉(zhuǎn)保護(hù)、低電壓和過(guò)電壓保護(hù)、接地或漏電保護(hù)。當(dāng)電機(jī)正常工作時(shí)，保護(hù)控制器面板上的液晶顯示屏，實(shí)時(shí)顯示電機(jī)的工作電流和電壓。保護(hù)控制器在微處理器空閑時(shí)，定時(shí)將采集的信號(hào)通過(guò)長(zhǎng)串口通訊線T910-02傳至廠用電監(jiān)控系統(tǒng)EFCS。當(dāng)故障發(fā)生時(shí)，控制保護(hù)器動(dòng)作，現(xiàn)場(chǎng)保存故障類型、時(shí)間以及電機(jī)運(yùn)行參數(shù)，隨后通過(guò)廠用電監(jiān)控系統(tǒng)EFCS向DCS系統(tǒng)報(bào)告。

3.在線監(jiān)測(cè)功能

ST500保護(hù)控制器提供了Modbus-RTU通訊接口和 Profibus-DP RS-485接口，實(shí)現(xiàn)多種協(xié)議的選擇，與上位機(jī)的通信，方便繼保人員和運(yùn)行人員通過(guò)計(jì)算機(jī)后臺(tái)實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程自動(dòng)控制和在線監(jiān)視設(shè)備的運(yùn)行狀況等，將信息在最短時(shí)間內(nèi)發(fā)送給后臺(tái)管理系統(tǒng)，并對(duì)故障信息發(fā)出報(bào)警信號(hào)，使運(yùn)行人員能夠在第一時(shí)間發(fā)現(xiàn)故障原因并及時(shí)排除，實(shí)現(xiàn)電廠電動(dòng)機(jī)設(shè)備數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)傳輸功能。

4.選用原則

保護(hù)控制器按結(jié)構(gòu)形式來(lái)劃分，一般分為一體式和分體式兩種：

一體式是獨(dú)立的整體，故適合于固定柜安裝，如老式開(kāi)關(guān)柜改造，可將保護(hù)控制器直接固定在安裝面板上，通過(guò)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(nèi)任意安置，故非常適合用于新建工程的抽屜式開(kāi)關(guān)柜的安裝。

我們?cè)趪?guó)信靖江電廠工程實(shí)踐中采用了MNSR系列低壓抽屜式開(kāi)關(guān)柜，將顯示表頭嵌入式的安裝在開(kāi)關(guān)抽屜的活動(dòng)面板內(nèi)，這樣既簡(jiǎn)化了柜內(nèi)接線、又方便了系統(tǒng)隨時(shí)調(diào)整、設(shè)定參數(shù)和顯示、監(jiān)控。同時(shí)，數(shù)字化的顯示面板也增添了柜面的統(tǒng)一性和美觀性，使得配電室內(nèi)的設(shè)備運(yùn)行情況及故障狀態(tài)一目了然，極大地方便了系統(tǒng)巡視和檢修維護(hù)。

保護(hù)控制器按額定工作電壓及電流范圍來(lái)劃分，可分為AC380V、AC660V兩種，對(duì)應(yīng)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(jí)，使用時(shí)按照電機(jī)的控制回路工作電壓及負(fù)載的額定電流選用相應(yīng)的量程范圍即可，一般采用內(nèi)置電流互感器，超過(guò)250A時(shí)采用外部保護(hù)級(jí)電流互感器，互感器為0．5級(jí),保護(hù)精度要求5P10（但當(dāng)采用外部標(biāo)準(zhǔn)0．5級(jí)電流互感器時(shí)，互感器一次額定電流建議選用3～4倍的電動(dòng)機(jī)額定電流）。

部分工程應(yīng)用實(shí)例

眾所周知，保安MCC段所帶的負(fù)荷設(shè)備，都是每臺(tái)機(jī)組重要的負(fù)荷設(shè)備，如頂軸油泵、交流潤(rùn)滑油泵等，一旦保安段掉電將給機(jī)組的安全造成很大危害，甚至造成主機(jī)設(shè)備的重大損壞。以交流潤(rùn)滑油泵為例，在發(fā)電機(jī)組因故障跳機(jī)時(shí)，由于轉(zhuǎn)速很低，主油泵（由汽輪機(jī)軸帶動(dòng)）的出力不能滿足要求，這時(shí)需要啟動(dòng)交流潤(rùn)滑油泵，用來(lái)給系統(tǒng)提供潤(rùn)滑油、保安油，保證發(fā)電機(jī)組安全停機(jī)。此時(shí)廠用電如果沒(méi)有切換成功，則由柴油發(fā)電機(jī)經(jīng)過(guò)10S的啟動(dòng)后，才能提供保安段的電源，10S時(shí)間內(nèi)應(yīng)急保安段失去電壓造成交流接觸器KM線圈失電，斷開(kāi)交流潤(rùn)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(dòng)作，但采用ST500保護(hù)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(dòng)已變得輕而易舉，具體實(shí)施情況如下：

圖3 ST500保護(hù)控制器接線圖

（1）從ST522窗口進(jìn)入運(yùn)行數(shù)據(jù)，按兩次確認(rèn)鍵后，進(jìn)入DI/DO設(shè)置，密碼1122，調(diào)節(jié)接觸器KM輸出接點(diǎn)1DO模式，將原有的脈沖模式（即觸點(diǎn)閉合后經(jīng)幾十ms后斷開(kāi)）改為電平模式（即觸點(diǎn)一直處于閉合狀態(tài)），其基本原理當(dāng)DEH發(fā)出的長(zhǎng)脈沖，在120S時(shí)間內(nèi)（可改修），在保安段來(lái)電后使接觸器再起動(dòng)。

（2）進(jìn)入?yún)?shù)修改：密碼0500，改為失壓后重啟。

（3）進(jìn)入保護(hù)修改：密碼0500，剩余電流改為3S。

控制保護(hù)器整定計(jì)算

1. 保護(hù)投退說(shuō)明

電動(dòng)機(jī)控制器出廠設(shè)置上開(kāi)放了堵轉(zhuǎn)保護(hù)、反時(shí)限過(guò)負(fù)荷保護(hù)、不平衡保護(hù)、接地保護(hù)、長(zhǎng)啟動(dòng)保護(hù)，其中不平衡保護(hù)投信號(hào)外，均投停車。過(guò)壓和欠壓保護(hù)由電廠決定投退，給出參改整定值。過(guò)熱保護(hù)、TE時(shí)間保護(hù)、欠功率保護(hù)、相序保護(hù)建議不投。接觸器分?jǐn)嚯娏鞅Ｗo(hù)、熔絲斷線告警、外部故障保護(hù)，按設(shè)備廠家的意見(jiàn)決定投退和定值。

2. 額定電流Imn計(jì)算

3. 參數(shù)設(shè)置

（1）就地開(kāi)關(guān)投入

退出：在電機(jī)起動(dòng)后檢測(cè)10%以上電流，電流信號(hào)再次消失時(shí)，控制器停機(jī)；投入：在電機(jī)起動(dòng)后檢測(cè)10%以上電流，電流信號(hào)再次消失時(shí)，控制器繼續(xù)維持運(yùn)行。

（2）啟動(dòng)時(shí)間

（3）重起動(dòng)

保安A、B段MCC段重起動(dòng)功能投入，晃電時(shí)間0．6s，失電時(shí)間120s，延時(shí)時(shí)間6s；恢復(fù)電壓：75%Un=285V，其余段負(fù)載都不投。

（4）屏蔽時(shí)間

在所有保護(hù)項(xiàng)目中屏蔽時(shí)間運(yùn)行的情況下，保護(hù)在起動(dòng)后，經(jīng)過(guò)該時(shí)間后才進(jìn)行投入。取起動(dòng)時(shí)間10～20s。

4. 過(guò)載保護(hù)整定計(jì)算

其中：K為過(guò)載曲線取100。

N為故障電流和額定電流比值。

過(guò)載保護(hù)在電流達(dá)到額定電流的1．15倍以后啟動(dòng)。

（3）屏蔽時(shí)間：允許。

5. 負(fù)序過(guò)流保護(hù)整定計(jì)算（不平衡保護(hù)）

最大不平衡負(fù)序電流計(jì)算為：

取 0．6Im．n

（2）動(dòng)作時(shí)間：2s。

（3）屏蔽時(shí)間：禁止。

6. 零序過(guò)流保護(hù)整定計(jì)算（剩余電流保護(hù)）

（2）動(dòng)作時(shí)間：起動(dòng)延時(shí)：3．0s（該參數(shù)決定接地故障發(fā)生在起動(dòng)過(guò)程中經(jīng)過(guò)多長(zhǎng)時(shí)間實(shí)現(xiàn)保護(hù)動(dòng)作）。運(yùn)行延時(shí)：0．1s（該參數(shù)決定接地故障發(fā)生在運(yùn)行過(guò)程中經(jīng)過(guò)多長(zhǎng)時(shí)間實(shí)現(xiàn)保護(hù)動(dòng)作）。

（3）屏蔽時(shí)間：禁止。

7. 起動(dòng)超時(shí)保護(hù)投入（經(jīng)過(guò)起動(dòng)時(shí)間后，電流未下降到額定電流1．1倍以下動(dòng)作）

8. 速斷動(dòng)作電流保護(hù)整定計(jì)算

（1）動(dòng)作時(shí)間：0．1s。

（2）屏蔽時(shí)間：禁止。

9. 阻塞保護(hù)整定計(jì)算

正常最大負(fù)荷電流計(jì)算為：

（2）動(dòng)作時(shí)間按躲過(guò)電機(jī)自啟動(dòng)時(shí)間：12～24s。

（3）屏蔽時(shí)間：禁止。

10. 過(guò)電壓保護(hù)整定計(jì)算

退出不用

11. 低電壓保護(hù)整定計(jì)算

II、III類負(fù)荷為保證重要電動(dòng)機(jī)自啟動(dòng)

（1）動(dòng)作電壓整定值，去0．7Un

（2）動(dòng)作時(shí)間取 0．5s。

重要電機(jī)退出不用

12. 禁止電流Iic

考慮到設(shè)計(jì)的接觸器允許分?jǐn)嚯娏鞫即笥?0Im．n，這里取最大值10Im．n。

靖電電廠選用ST500智能型電動(dòng)機(jī)控制器產(chǎn)生的效果

1. 模塊化結(jié)構(gòu)，便于維護(hù)保護(hù)控制器采用模塊化的產(chǎn)品結(jié)構(gòu)形式，包括主體控制模塊、顯示模塊。通過(guò)采用ST500智能型電動(dòng)機(jī)控制器安裝在低壓開(kāi)關(guān)柜，與轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)、接觸器等電器元件構(gòu)成電動(dòng)機(jī)控制保護(hù)單元，實(shí)現(xiàn)了遠(yuǎn)程自動(dòng)控制、現(xiàn)場(chǎng)直接控制、液晶界面參數(shù)指示、信號(hào)報(bào)警、現(xiàn)場(chǎng)總線通信等功能，提高了整個(gè)控制回路的可靠性和穩(wěn)定性。同時(shí)，降低了繼電保護(hù)人員現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試和維護(hù)工作量。

2. 實(shí)時(shí)顯示參數(shù)，便于現(xiàn)場(chǎng)巡檢

ST500保護(hù)控制器采用模塊化的產(chǎn)品結(jié)構(gòu)，將顯示模塊安裝在MSNR MCC柜體，通過(guò)液晶界面即可實(shí)時(shí)觀察當(dāng)前電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)，便于繼保人員和運(yùn)行人員對(duì)現(xiàn)場(chǎng)電動(dòng)機(jī)的維護(hù)和控制。

3. 節(jié)能降耗

ST500保護(hù)控制器在電動(dòng)機(jī)設(shè)備處于欠載等運(yùn)行狀態(tài)時(shí)，能自動(dòng)停機(jī)，避免了能源浪費(fèi)。

4. 信息集中化

在后臺(tái)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)各電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行狀況，實(shí)時(shí)觀察設(shè)備的運(yùn)行參數(shù)，如電動(dòng)機(jī)電流、電壓、運(yùn)行狀況、電能等參數(shù)，對(duì)采集到的信息分析以及各設(shè)備的電動(dòng)機(jī)運(yùn)行情況實(shí)時(shí)進(jìn)行處理，提高了控制系統(tǒng)的安全可靠性。

5. 智能化自控保護(hù)

一旦低壓電動(dòng)機(jī)發(fā)生故障，控制器及時(shí)停止電動(dòng)機(jī)運(yùn)行，并對(duì)各種故障信息作出相應(yīng)的指示和記錄，方便繼保人員及時(shí)查詢故障信息。在廠用電故障造成電壓瞬間的波動(dòng)或者短時(shí)中斷又恢復(fù)，帶抗晃電功能時(shí)可使保護(hù)控制器重新起動(dòng)。

6. 記錄故障信息，便于現(xiàn)場(chǎng)分析

由于發(fā)電廠電動(dòng)機(jī)的工作環(huán)境較惡劣，多數(shù)處于高溫、潮濕、多塵的工況下，經(jīng)常容易發(fā)生堵轉(zhuǎn)、短路、斷相或長(zhǎng)期過(guò)載運(yùn)行等故障，所以保護(hù)控制器需對(duì)惡劣環(huán)境中工作的電動(dòng)機(jī)進(jìn)行實(shí)時(shí)保護(hù)、控制，保證電動(dòng)機(jī)的正常運(yùn)行。為此，當(dāng)發(fā)生故障時(shí)，繼電保護(hù)人員很難在第一時(shí)間發(fā)現(xiàn)故障原因，ST500保護(hù)控制器有著較強(qiáng)的故障和事件記錄及運(yùn)行管理信息，能為繼電保護(hù)人員現(xiàn)場(chǎng)分析和處理故障節(jié)省大量時(shí)間，及時(shí)消除故障，保證電廠設(shè)備正常運(yùn)行。

通過(guò)電廠建成后的運(yùn)行情況來(lái)看，采用保護(hù)控制器不但有效地保障了電機(jī)的安全運(yùn)行，利用先進(jìn)的通訊技術(shù)，提高了控制回路的自動(dòng)化水平和可靠性，實(shí)現(xiàn)了部分電機(jī)控制的自動(dòng)化，做到了可靠性和經(jīng)濟(jì)性的統(tǒng)一。事實(shí)證明，當(dāng)初工程設(shè)計(jì)階段選用保護(hù)控制器的決斷是正確的，及時(shí)投入電廠運(yùn)行應(yīng)用非常必要。