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浅谈微机型保护装置的技术特点及应用

王申国    赵  猛

尤耐特电气有限公司   河北保定   071051

摘要：当今的微机型保护装置，随着集成电路的迅速发展，芯片的性能越来越强，与传统的模拟式电动机保护相比，具有强大的运算能力、逻辑处理能力、事故追忆能力、高速通讯能力等优势。因此除了为电动机提供更加先进可靠的保护功能，还可以极大地提升工厂生产自动化的水平，使得电动机的各种运行管理更加简单，电动机的运行控制回路不断简化，安装、运行、维护的工作越来越方便高效，为工厂的安全生产提供强大的支持。文章以微机型保护器UNT-MMI为例，着重介绍装置的设计特点、新功能分析、典型设计及应用情况。

关键词：微机型保护、电动机、工厂自动化

1、引言

    电动机是厂矿企业中数量众多的重要电气设备。长期以来电动机的电气一次供电回路普遍采用塑壳断路器+接触器+热继电器作为典型设计方案，而电动机的电气二次回路中往往以中间继电器、时间继电器、控制/联锁开关、按钮、指示灯、变送器、测量仪表等作为实现控制、测量、信号、保护等功能的设计方案，在这种设计中工作量大且MCC柜体生产时需要时时与设计相协调，造成设计与生产效率低，增加用户成本。而随着计算机及网络通信技术的飞速发展，电动机保护必然走向智能化、网络化的微机型保护。

设计特点

2、硬件设计

1)．多CPU处理结构（人机接口CPU、通讯CPU、主CPU）。其中主CPU采用32位高性能嵌入式工业级处理器，采用数据总线、地址总线不出芯片的设计方案。能快速完成采样计算、保护判别、联锁控制。

2)．采样信号经滤波，隔离放大、A/D转换后进入主CPU进行实时处理，并由人机接口CPU负责显示出当前的三相电流值、接地电流值、电流不平衡度、发热状态等相关电动机信息。同时主CPU进行采样数据处理，如果发生了故障，达到设定时间就执行跳闸，并将故障时的参数存入EEPROM中，以便下次查询。通过RS485或Profibus通信接口(Profibus通讯芯片采用西门子SPC3)，可将各个微机型保护器的状态信息、报警信号及各种参数传送到PC机。

3)．内部模块化设计，包括控制模块、保护模块、小型PLC模块、开入模块，方便使用和维护。

4)．模拟量输出信号（4～20mA）采用PWM脉宽调制技术，方便隔离，增加了输出的灵活性。

3、软件设计

保护功能全部采用软件算法，方便配置。采样计算采用FFT算法，并采用频率跟踪方式对采样进行控制，保证了采样精度。

4、抗干扰设计

1)．采用全金属外壳设计，有效屏蔽外界的电磁场干扰。

2)．电流和电压采用回路采用滤波和放大电路，有效地抑制和排除了差模和共模干扰信号的影响。

3)．开关量输入回路采用两级光电隔离。

4)．装置设计了专门的看门狗电路。当系统运行不正常时，程序不能按照预定顺序执行，系统可以自动复位，恢复到正常运行状态。

5)．合理地安排线路板内各元件的分布位置；适当地布置线路板走线，保证在较小的线路板内，电气线的粗细、方向、长短等要合理、适当，以减少线间的杂散电容干扰。

硬件结构图

4、功能介绍：

UNT-MMI微机型电动机保护装置，主CPU选用先进的32位微处理芯片，使得数值计算和逻辑处理能力大为增强。数据采集芯片采用16位的A/D转换器，使得对模拟量的采集精度很高。并且采用专用的测量级CT，使电压、电流的测量精度达到0.5级。依赖于芯片强大的处理运算能力、逻辑分析能力、存储能力，为电动机的综合保护提供了许多常规继电器无法完成的技术和功能。下面简单介绍一下微机型保护装置的部分新功能，为大家全面了解微机型保护器提供参考。

1).电流速断保护定值自动加倍功能

电动机速断保护定值设定低于电动机的启动电流，提高速断保护的灵敏系数，而电动机在启动过程中，电动机速断保护整定值自动加倍，可以躲过电动机的启动电流及其非周期分量。

一般设定为Isd=0.75 ×Iqd    Isd=电动机速断保护整定值       Iqd＝电动机启动电流

2).堵转保护双区间判别功能

堵转保护分区间来考虑，一个为启动区间内的堵转保护；一个为正常运行期间的堵转保护。电动机在启动区间内启动电流较大，因此应该合理设定堵转保护定值，防止误判导致电机跳闸；当电动机启动完成，正常运行时，如果发生堵转故障时，此时对电动机的危害最大，因为电动机正常运行期间基本已经达到热平衡了，没有多少热容量剩余，更容易烧毁电机，因此要求堵转保护灵敏。所以两套保护定值的设计有效的防止了装置的误动，同时又提高了各个保护区间段的保护精度。

3).启动时间过长保护

电动机启动电流一般为工作电流的5～8倍，发热则是正常工作状态的25～64倍，因此启动时间过长    对于电动机的危害是很大的，该保护是做为过负荷保护和启动期间内的堵转保护的后备保护。通常电流整定值为过负荷保护电流整定值的2倍，时间为电动机启动时间的1.2倍，但应小于电动机的耐受时间。

4).过热保护，数字化发热模型

装置用数字方法建立电动机的发热模型，在各种运行工况下，对电动机提供准确的过热保护。考虑到正、负序电流的热效应不同，在发热模型中采用热等效电流Ieq，其表达式为：

另外还有电压恢复自启动、接地保护、过电压保护、欠电压保护、欠功率保护等,就不一一介绍了。

7).控制功能：

可以实现电动机完善的启动方式，如：单相运行、可逆运行、电阻降压启动、星三角启动、自耦变压器启动；对电动机进行三地闭锁控制时（就地、远方、通讯），无需外接转换开关，通过装置本身软件设定即可实现三地闭锁控制；内置了可编程的输入输出模块，方便了工程的联锁逻辑控制，如：水位联锁、温度联锁、压力联锁、转速联锁、工备电机互投联锁等。

8).信息采集功能：

三相电流（Ia、Ib、Ic）、正序电流、负序电流、三相电压（Ua、Ub、Uc）、或者Uab、Ubc、过热百分比（直观显示电机的发热状态）、有功功率、无功功率、视在功率、功率因数、电度（内置EEPROM和计时芯片，数据可长期保存）。

9、4～20mA远传功能

装置内置4~20mA模拟量输出模块、经过光电隔离、范围可调，20mA可以对应任意倍的额定电流、可将以上测量量中的任意一项上传（电度除外）。

10).事故记录功能：

可以记录事故信息，包括事故动作时间、事故动作原因、事故动作值，方便用户查询。

11).通讯功能：

装置支持Profibus/Modbus通讯协议，装置可提供一个标准的Profibus-DP接口或一到两个遵循Modbus@RTU协议的RS485通讯接口，可通过组网对MCC回路实现遥测、遥信、遥控。

12).过热预告警功能：

基于Profibus现场总线网络平台，可对电动机运行中各参数进行实时监测。检测到关键部位的电机处于过载状态；装置所检测的电动机过热百分比开始上升，电机却继续运行；当超过预报警设定值时：智能电动机保护器将向操作站的人机交互界面发送报警信息。操作员检查相应电动机，消除故障。

13).自检功能：

保护装置设有自检功能，包括EEPROM异常、AD采样异常、外围芯片异常在开机及正常运行中不断对硬件及软件进行自检，监视运行时的故障状态，如果自检出现问题，将闭锁保护功能和输出接点，防止保护装置误动，故障消失后自动复位并恢复运行。

性能介绍

a)       采用32位高性能嵌入式工业处理器，处理速度快、精度高。

b)       电流、电压采样精度0.5级。

c)       4～20mA输出接口，采用PWM脉宽调制技术，精度达到0.5级，负载能力达到300Ω。

d)       控制继电器采用镀银继电器，接点容量达到AC250V  8A。

e)       电源模块达到 AC/DC  85～265V宽范围使用。

f)       优化的抗干扰设计,通过了“国家继电器质量监督检验中心”的认证,通过了“国家继电器质量监督检验中心”的15项电磁兼容检验，严酷等级为Ⅳ级。

g)       通过了“国家防爆电气产品质量监督检验中心”的检验，适用于增安型防爆电动机。

h)       PROFIBUS总线为西门子专用通讯芯片SPC3，通讯速率高，最高通讯速率为6M，并且功能通过“中国PROFIBUS产品认证中心”的认证。

典型设计及应用：

在贵州大龙电厂的设计中采用了本公司生产的MMI型智能MCC控制保护管理装置，与传统的接线相比丛经济性能上，工程施工时间上，工程设计维护各个方面都体现了微机型保护装置的优越性。

   采用智能微机保护装置的接线与传统的接线方式比较，除了完成回路所有功能外，还减少了大量的二次分立原件如：热继电器、热保护器、欠压过压保护器等多种保护器；取消了时间继电器中间继电器、辅助继电器、电流互感器、仪表、转换开关、指示灯、可编程逻辑控制器等，对于大功率电动机回路，经过经济比较,采用MMI智能控保装置的设计方案每个电动机回路可节省资金1000元左右。

工程施工时间比较：

工程设计维护

(1)一次回路、二次回路接线更清楚、简单且标准化，对不同控制保护监测要求的电动机接线，可以采用CAD大量拷贝制图，节省了制图时间，且随着工艺专业条件的改变，不会影响业已布置好的380V PC段、380V MCC段柜体，保证了生产与设计的相对独立性，提高了生产效率和设计水平。

(2)具备5路可编程输入及2路可编程输出回路。可编程输入回路可实现对输入节点类型、时间逻辑功能进行设定，使得联锁逻辑设计大为简单，设计人员仅需搞清输入/输出清单，剩下的交由智能控保装置完成。可这样节省了大量的逻辑回路以及相应继电器；节省了DCS或PLC的输入/输出模块；同时加快了设计进度。可编程输出功能可定义为任意信号的输出，方面灵活。

(3)数字化保护装置，实现了电动机的全面保护。

(4)具备4～20mA输出功能，节省了电流变送器，且可根据所安装回路的额定电流来设定变比关系，比外配的变送器灵敏度高。

(5)体积小，可以方便地同接触器、塑壳断路器布置在一个抽屉内，避免了由于二次回路设备的增加而引起的开关柜结构的变化。

(6)简化了备品备件的种类，便于定购和更换；柜内接线简单维护检修方便；智能化数字保护不需要每年定期的校验，不会因此影响生产。

6、总结

    本文给出了微机保护装置UNT-MMI的设计特点、新功能及应用情况，随着微机技术的飞速发展，针对电动机的监测、保护和管理功能将更加完善。同时也有很多新的问题函待解决：如与机械量联锁，机械过载、轴承损坏等，如果解决了将会更好的完善对电动机的保护，保障安全生产。这也是大家共同努力的方向。