电厂如何用好智能电动机保护控制器

特约撰稿人：江苏国信靖江发电有限公司陈俊

电厂如何用好智能电动机保护控制器

特约撰稿人：江苏国信靖江发电有限公司陈俊

核心提示：智能电动机保护控制器(以下简称保护控制器)在实现传统的低压电动机保护基础上，融入了测控、计量、运行记录和通讯功能，实现数字化、智能化、网络化，做到保护和测控于一体，为发电厂生产过程控制的管理带来了很大的便利。本文通过保护控制器在江苏国信靖江电厂（以下简称国信靖江电厂）的应用以及基本原理的介绍，说明在电厂运行中应用保护控制器的必要性。

随着DCS集中管理与分散控制系统在电厂自动化生产过程中应用越来越多的情况下，对于过去采用热继电器、断路器（或熔断器）作为电动机过负荷保护、断相保护、短路保护和控制元件，因受到通信功能不够灵活等多种条件的约束，已经无法满足电厂设备自动化生产的要求，需在实现传统的低压电动机保护基础上，融入测控、计量、运行记录和通讯功能，实现数字化、智能化、网络化，做到保护和测控于一体，对电动机进行保护控制和保障电机的安全运行。

国信靖江电厂专业人员在2007年2×660MW发电机组工程筹建过程中，当时国内的保护控制器还不成熟，同时也有人担心通讯技术特别通讯规约的传输误码易造成设备间数据交换的失常，致使设备运行故障频发。但我们坚信突飞猛进的计算机和网络通信技术，通过大量的收集调研，发现已有从135～600MW工程的应用实例，采用了一种“通信＋硬接线”监控方式，即相关的控制指令及参与连锁所需要的位置状态经硬接线送至DCS系统的DO、DI卡件，监测信号则通过现场总线上传至厂用电监控EFCS系统，经通信方式转传至DCS系统，避免了不会因保护控制器通讯故障造成对设备的控制及相关连锁的失灵，为确定选用保护控制器提供了技术支持。恰好我们的设计院通过其他电厂工程，在这方面的设计也积累了一定经验，最终在设计中采用了保护控制器。下面，以国信靖江电厂采用苏州万龙的保护控制器ST500为例，介绍在电厂的工程应用。

基本工作原理

图1 电动机智能保护器工作原理

参数，以及电动机运行过程中的各种运动状态等信号，经控制器内部处理运算，从而实现对电动机起动超时、过载、阻塞、欠载、断相、三相电流不平衡、剩余电流（接地/漏电）、温度、外部故障、相序、过压、欠压、欠功率、过功率、tE时间等全面综合保护，进而保证发电厂生产工作的安全连续运行。

系统功能

1.主要功能模块

保护控制器由电流传感器、比较电路、微处理器及出口继电器等几部分组成，采用微处理器技术和模块化设计结构，采用内置电流互感器，超过250A时采用外部保护级电流互感器。

保护控制器的基本原理及工作过程见图1：通过采集三相交流电流、三相交流电压、剩余电流、PTC热电阻阻值、电动机电能等电量

保护控制器由两部分组成：ST500控制器本体、ST522显示操作模块，控制器本体可以独立运行，ST522作为控制器的辅助产品。

ST522显示模块用在设备现场和控制器一对一配套使用，通过ST522可以显示测量信息，报警信息，故障信息，可以进行参数设定(保护定值，系统参数等)，可以输入操作控制命令（如起动，停车等）。

ST522显示模块，不能独立运行，只能和控制器本体配合才起作用，当设备各种运行参数，管理信息，保护参数等信息需在运行现场实时显示时，可选配ST522。

图2 ST500显示模块和控制器示意连接图

2.保护功能

保护控制器能对低压电动机进行综合保护，有欠功率保护、过载保护、过热保护、断相保护、短路保护、缺相不平衡保护、堵转保护、低电压和过电压保护、接地或漏电保护。当电机正常工作时，保护控制器面板上的液晶显示屏，实时显示电机的工作电流和电压。保护控制器在微处理器空闲时，定时将采集的信号通过长串口通讯线T910-02传至厂用电监控系统EFCS。当故障发生时，控制保护器动作，现场保存故障类型、时间以及电机运行参数，随后通过厂用电监控系统EFCS向DCS系统报告。

3.在线监测功能

ST500保护控制器提供了Modbus-RTU通讯接口和 Profibus-DP RS-485接口，实现多种协议的选择，与上位机的通信，方便继保人员和运行人员通过计算机后台实现远程自动控制和在线监视设备的运行状况等，将信息在最短时间内发送给后台管理系统，并对故障信息发出报警信号，使运行人员能够在第一时间发现故障原因并及时排除，实现电厂电动机设备数据的实时传输功能。

4.选用原则

保护控制器按结构形式来划分，一般分为一体式和分体式两种：

一体式是独立的整体，故适合于固定柜安装，如老式开关柜改造，可将保护控制器直接固定在安装面板上，通过馈出电缆穿芯即可。分体式由于互感器部分与显示部分分为两体，可在一定范围内任意安置，故非常适合用于新建工程的抽屉式开关柜的安装。

我们在国信靖江电厂工程实践中采用了MNSR系列低压抽屉式开关柜，将显示表头嵌入式的安装在开关抽屉的活动面板内，这样既简化了柜内接线、又方便了系统随时调整、设定参数和显示、监控。同时，数字化的显示面板也增添了柜面的统一性和美观性，使得配电室内的设备运行情况及故障状态一目了然，极大地方便了系统巡视和检修维护。

保护控制器按额定工作电压及电流范围来划分，可分为AC380V、AC660V两种，对应量程为2A(0．5～2A)、5A(1～5A)、6．3A(1．6 ～ 6．3A)、25A(6．3 ～ 25A)、100A(25 ～ 100A)、250A(63 ～250A)等若干等级，使用时按照电机的控制回路工作电压及负载的额定电流选用相应的量程范围即可，一般采用内置电流互感器，超过250A时采用外部保护级电流互感器，互感器为0．5级,保护精度要求5P10（但当采用外部标准0．5级电流互感器时，互感器一次额定电流建议选用3～4倍的电动机额定电流）。

部分工程应用实例

众所周知，保安MCC段所带的负荷设备，都是每台机组重要的负荷设备，如顶轴油泵、交流润滑油泵等，一旦保安段掉电将给机组的安全造成很大危害，甚至造成主机设备的重大损坏。以交流润滑油泵为例，在发电机组因故障跳机时，由于转速很低，主油泵（由汽轮机轴带动）的出力不能满足要求，这时需要启动交流润滑油泵，用来给系统提供润滑油、保安油，保证发电机组安全停机。此时厂用电如果没有切换成功，则由柴油发电机经过10S的启动后，才能提供保安段的电源，10S时间内应急保安段失去电压造成交流接触器KM线圈失电，断开交流润滑油泵电源主回路，造成10S后保安段得电KM接触器不再能动作，但采用ST500保护控制器失压重启功能后，解决接触器失去电压后再重新启动已变得轻而易举，具体实施情况如下：

图3 ST500保护控制器接线图

（1）从ST522窗口进入运行数据，按两次确认键后，进入DI/DO设置，密码1122，调节接触器KM输出接点1DO模式，将原有的脉冲模式（即触点闭合后经几十ms后断开）改为电平模式（即触点一直处于闭合状态），其基本原理当DEH发出的长脉冲，在120S时间内（可改修），在保安段来电后使接触器再起动。

（2）进入参数修改：密码0500，改为失压后重启。

（3）进入保护修改：密码0500，剩余电流改为3S。

控制保护器整定计算

1. 保护投退说明

电动机控制器出厂设置上开放了堵转保护、反时限过负荷保护、不平衡保护、接地保护、长启动保护，其中不平衡保护投信号外，均投停车。过压和欠压保护由电厂决定投退，给出参改整定值。过热保护、TE时间保护、欠功率保护、相序保护建议不投。接触器分断电流保护、熔丝断线告警、外部故障保护，按设备厂家的意见决定投退和定值。

2. 额定电流Imn计算

3. 参数设置

（1）就地开关投入

退出：在电机起动后检测10%以上电流，电流信号再次消失时，控制器停机；投入：在电机起动后检测10%以上电流，电流信号再次消失时，控制器继续维持运行。

（2）启动时间

（3）重起动

保安A、B段MCC段重起动功能投入，晃电时间0．6s，失电时间120s，延时时间6s；恢复电压：75%Un=285V，其余段负载都不投。

（4）屏蔽时间

在所有保护项目中屏蔽时间运行的情况下，保护在起动后，经过该时间后才进行投入。取起动时间10～20s。

4. 过载保护整定计算

其中：K为过载曲线取100。

N为故障电流和额定电流比值。

过载保护在电流达到额定电流的1．15倍以后启动。

（3）屏蔽时间：允许。

5. 负序过流保护整定计算（不平衡保护）

最大不平衡负序电流计算为：

取 0．6Im．n

（2）动作时间：2s。

（3）屏蔽时间：禁止。

6. 零序过流保护整定计算（剩余电流保护）

（2）动作时间：起动延时：3．0s（该参数决定接地故障发生在起动过程中经过多长时间实现保护动作）。运行延时：0．1s（该参数决定接地故障发生在运行过程中经过多长时间实现保护动作）。

（3）屏蔽时间：禁止。

7. 起动超时保护投入（经过起动时间后，电流未下降到额定电流1．1倍以下动作）

8. 速断动作电流保护整定计算

（1）动作时间：0．1s。

（2）屏蔽时间：禁止。

9. 阻塞保护整定计算

正常最大负荷电流计算为：

（2）动作时间按躲过电机自启动时间：12～24s。

（3）屏蔽时间：禁止。

10. 过电压保护整定计算

退出不用

11. 低电压保护整定计算

II、III类负荷为保证重要电动机自启动

（1）动作电压整定值，去0．7Un

（2）动作时间取 0．5s。

重要电机退出不用

12. 禁止电流Iic

考虑到设计的接触器允许分断电流都大于10Im．n，这里取最大值10Im．n。

靖电电厂选用ST500智能型电动机控制器产生的效果

1. 模块化结构，便于维护保护控制器采用模块化的产品结构形式，包括主体控制模块、显示模块。通过采用ST500智能型电动机控制器安装在低压开关柜，与转换开关、接触器等电器元件构成电动机控制保护单元，实现了远程自动控制、现场直接控制、液晶界面参数指示、信号报警、现场总线通信等功能，提高了整个控制回路的可靠性和稳定性。同时，降低了继电保护人员现场调试和维护工作量。

2. 实时显示参数，便于现场巡检

ST500保护控制器采用模块化的产品结构，将显示模块安装在MSNR MCC柜体，通过液晶界面即可实时观察当前电动机的运行状态，便于继保人员和运行人员对现场电动机的维护和控制。

3. 节能降耗

ST500保护控制器在电动机设备处于欠载等运行状态时，能自动停机，避免了能源浪费。

4. 信息集中化

在后台实时监测各电动机的运行状况，实时观察设备的运行参数，如电动机电流、电压、运行状况、电能等参数，对采集到的信息分析以及各设备的电动机运行情况实时进行处理，提高了控制系统的安全可靠性。

5. 智能化自控保护

一旦低压电动机发生故障，控制器及时停止电动机运行，并对各种故障信息作出相应的指示和记录，方便继保人员及时查询故障信息。在厂用电故障造成电压瞬间的波动或者短时中断又恢复，带抗晃电功能时可使保护控制器重新起动。

6. 记录故障信息，便于现场分析

由于发电厂电动机的工作环境较恶劣，多数处于高温、潮湿、多尘的工况下，经常容易发生堵转、短路、断相或长期过载运行等故障，所以保护控制器需对恶劣环境中工作的电动机进行实时保护、控制，保证电动机的正常运行。为此，当发生故障时，继电保护人员很难在第一时间发现故障原因，ST500保护控制器有着较强的故障和事件记录及运行管理信息，能为继电保护人员现场分析和处理故障节省大量时间，及时消除故障，保证电厂设备正常运行。

通过电厂建成后的运行情况来看，采用保护控制器不但有效地保障了电机的安全运行，利用先进的通讯技术，提高了控制回路的自动化水平和可靠性，实现了部分电机控制的自动化，做到了可靠性和经济性的统一。事实证明，当初工程设计阶段选用保护控制器的决断是正确的，及时投入电厂运行应用非常必要。