电动机保护装置新技术
1. 引言
虽 着微机在继电保护的应用，其快速的计算性、良好的存储及强大的网络功能，为电动机的综合保护提供许多常规继电保护无法完成的技术和功能。本文将介绍目前国 内外微机电动机保护装置（以下简称保护装置）最新的，以及常规继电保护所不具备的技术和功能及应用，为全面了解微机电动机保护提供参考。
2. 过负荷保护新功能
与常规机电式单曲线过负荷保护不同，保护装置通常提供标准、I2t、防爆电动机及自定义等多种过负荷曲线供用户选择，而且自定义过负荷保护曲线还可以随着电动机启动时机端电压的不同，在最小允许启动电压和额定电压之间动态变化，而目前多数保护装置主要采用的是热映像和温度传感器过负荷保护。
3. 接地故障保护新功能
3.1. 启动与运行保护功能分别设置
保护装置可将接地保护的启动与运行保护功能分别设置。例如，启动时设为跳闸，运行时设为发信号。
3.2. 间歇性接地故障保护
对于最初绝缘损坏由电弧作用引起的瞬时间歇性接地故障，保护装置也可将故障保护设置为延时复归，如在设定的复归时间内再次发生故障，接地保护将继续维持启动状态，这样就加宽了瞬时间歇性接地故障的脉冲宽度，可使此类故障在崩烧前得到保护。
3.3. 零序方向接地保护
保护装置中的零序方向接地保护可以设定至0.2%IN，能满足其继电特征角整定为0，且整定值在小范围内可调的要求，所以在实际应用中是很成功的。
3.4. 零序功率方向保护
由于零序功率测量是基于VO和IO检测得到的结果，因而其抗误动作的安全性大大提高，而一些铁芯平衡式电流互感器却常会在无接地故障时产生误动作输出。这也是为什么零序方向接地故障保护装置中需要设计可调极化整定值VO的原因。零序方向功率保护继电特征角的整定与零序方向接地保护相同[11]。
4. 低/过电压保护新功能
保护装置的低电压和过电压保护均可具有两段，通常I段具有反时限或定时限跳闸特性，Ⅱ段具有定时限跳闸特性，根据电压变化的严重程度动作时间亦不同。
低电压保护反时限特性计算公式如下：
过电压保护反时限特性计算公式如下：
式中： t—动作时间，秒；K—时间常数整定值；U—保护装置输入电压标幺值。
5. 整定值自动加倍功能
保护装置是对电动机进行综合性保护的装置，设有许多常规继电保护无法完成的保护技术，自动加倍功能就是其中之一。
5.1. 电流速断保护自动加倍功能
该功能是将电动机电流速断保护的整定值，设定的低于电动机的启动电流，可提高电流速断保护的灵敏系数，电动机启动时整定值自动加倍，可躲过Ist及其非周期分量。通常为：
式中：
Iset.db—电流速断保护自动加倍功能整定值； Ist—电动机起动电流[2]。
5.2. 差动保护自动加倍功能
与电流速断保护自动加倍功能相适，该功能是在电动机启动过程中将差动保护最小动作电流和比率制动系数自动加倍，以防止在电动机较大的启动电流下，由于始末端TA不平衡电流引起差动保护误动作。
在应用时应当注意，当距被保护电动机较近的供配电系统发生短路时，电动机将向短路点馈出短路电流，馈出电流的幅值和维持时间与短路的形式及电动机至短路点的电气距离以及电动机的负荷率有关。如果发生的是近距离金属性短路，电动机的馈出短路电流约为Ist，并伴有非周期分量，因此，将导致保护误动。另外，如果电动机参加再起动，当供配电系统发生瞬时失压[3]，如果不采用闭锁，自动加倍功能的使用也会使保护误动。因此，在满足保护灵敏系数时不宜使用自动加倍功能。
6. 不平衡保护保护
装置具有不平衡保护，其监测不平衡电流的方法分为负序分量法与差流法
6.1. 负序分量法
利用负序电流完成的不平衡保护有以下优点：
反时限特性能够忽略轻微的瞬时不平衡，但能快速检出严重的不平衡状态，还可选择性地清除系统中出现的外部两相故障；可以避免由于启动电流造成电流互感器饱和而引起的不必要的跳闸发生；可以保证快速切除故障，而且在使用熔断器保护电动机时仍可与熔断器相配合。
负序保护的反时限特性公式为：
式中：τ一负序反时限时间常数；I2一负序测量值；IN一电动机额定电流。
6.2 差流法
通过相差流完成不平衡的方法简单。
平均差流法
平均差流法不平衡保护的计算公式如下：
当； 当 ；
式中： Iav－平均相电流； Imax－最大相电流；
最大差流法不平衡保护的计算公式如下：
当 ；当 ；
式中： Imin一最小相电流[4]。
7. 低电流保护
保护装置设有低电流保护，对电动机与驱动设备突然丢失负荷及传动带或轴断裂进行保护。只有当电动机有功功率大于5%IN且断路器接通时保护装置才投入。在启动过程中及空载情况下，有时功率也达不到保护整定值，这时有必要在一定时间内闭锁该保护。
8. 电动机过热禁止再启动保护
当电动机因过热保护切除后，保护装置检查电动机的过热比是否降低到整定的过热闭锁值以下，如否,则保护出口继电器不返回，禁止电动机再启动，避免由启动电流引起过高温升损坏电动机。紧急情况下，如在过热比较高时，需启动电动机，可以按装置面板上的“复归”键，人为清除装置记忆的过热比值为零。
9. 堵转保护
9.1. 启动期间堵转保护
该保护仅在电动机启动期间投入，但需在电动机上装设转速检测装置，输出数字信号作为保护装置的输入。在电动机起动期间，如果在该保护延迟时间结束时转速输入仍为零，则表明电动机堵转。
9.2. 正常运行期间堵转保护
该功能是在启动及再起动期间以外投入，通常整定方式与超时起动保护相同。另外，整定时间也可以小于电动机正常启动时间，但必须在再起动期间闭锁该保护[5]。
9.3. 异步电动机自适应堵转保护
自适应堵转保护是根据异步电动机堵转与正常运行状态时转差率的差别，以视在阻抗的相角作为判据实现的。利用该方法能对起动与正常运行过程中发生的堵转实现快速保护，解决了常规保护不能保护堵转时间小于起动时间的难题[6]。
10. 超时起动保护
该保护是仅在电动机启动时投入的定时限保护，作为过负荷及启动期间堵转保护的补充。通常电流整定值为过负荷电流整定值的两倍，整定时间为电动机正常启动时间的1.2倍，但应小于电动机的耐受时间。
11. 磁平衡差动保护
磁平衡差动保护是在电动机出线盒内配有专用磁平衡互感器,无论电动机容量如何互感器的变比均为50/
12. 同步电动机保护
同步电动机除了一些常规的保护功能外还需要一些特殊的保护功能。
12.1. 失步保护
同步电动机失步会出现过电流、功率因素极低和转矩脉动，导致最终停机。保护装置检测电动机的功率因素低于整定值时，经过一段延迟时间发出跳闸信号。
12.2. 失磁保护
该保护以电动机机端视在阻抗反映低励或失磁故障，由两个阻抗圆构成，一个为静稳边界阻抗圆，另一个为稳态异步边界阻抗圆。电动机发生低励或失磁故障后，总是先通过静稳边界进入稳态异步运行。根据失磁过程中机端阻抗的变化轨迹，采用阻抗原理作为电动机的低励或失磁故障保护。
12.3. 逆功率保护
当馈线断电时，由于负载的惯性，同步电机变成了发电机，感应电机开始以发电机的形式工作。逆功率保护的目的是检测逆向的能量流，避免电机把出现的故障馈送到电网上。
12.4. 低频率保护
保护装置的低频率保护的整定取决定于实际的系统，因为即便是在正常运行状态下，系统频率也是可能存在偏差的。为了使电动机在电源频率发生波动时不会产生不必要的跳闸，应确定最低电源频率并将保护整定到该值以下。
12.5. 转子一点接地保护
该保护采用乒乓式开关切换原理，由微机控制的电子开关闭合或断开时，测得的测量电阻上电压差，通过求解两个不同的接地回路方程，实时计算转子接地电阻和接地位置。当接地电阻小于或等于整定值时，经延时发出信号或动作于跳闸。
13. 可编程方案逻辑
保护装置可以实现丰富的可编程方案逻辑功能，用户可以根据需要自己编程电动机起动次数限制、工艺联锁控制、紧急起动、跳闸输出接点自保持、接点输入、输出参数、LED指示灯等定义保护和控制的逻辑功能，满足独特需要的特殊功能的保护。
14. 多套整定值的切换
保护装置可设有多套整定值，通过输入接点或远程控制可在各套整定值之间切换，可完成降压启动及双速电动机等精确保护。
15. 负荷终端保护
将电动机、变压器及线路等的各种保护综合为统一的负荷终端保护是保护装置方向的发展。利用模块化技术，负荷终端保护装置不但可完成上述各种电动机保护，而且可作为各种变压器、线路及其他电器设备的保护。
16. 报警及控制功能
保护装置除保护功能外还具有报警及控制功能等其它功能。
16.1. 过热预报警
当热状态达到过热预报整定值时保护装置将发出报警信号，通常，过热预报整定值用电动机热状态的百分比表示。
16.2. 控制回路异常报警
保护装置采集断路器的跳位和合位，当控制电源正常、断路器位置辅助接点正常时，必有一个跳位或合位，否则，经延时控制回路发出异常报警信号。
16.3. 启动时闭锁过热跳闸
当电动机的启动条件较为恶劣时，如较长的启动时间或很大的启动电流，这种情况下，有可能需要闭锁保护装置的热过负荷功能。当投入该功能后，如果在电动机启动结束前，计算得出的热状态达到90%，那么在剩余的启动时间内，该值将被一直保持为90%。直到启动结束后，保护装置才解除闭锁。需要注意的是，该禁止功能不影响过热报警动作。
16.4. 短时重复启动闭锁
该项功能用于防止运行人员在较短的时间内频繁地起动电动机。闭锁热状态整定值宜根据电动机的热再启动承受能力而定。当热状态回落至整定值以下时，将解除启动闭锁功能。
16.5. 低电压启动闭锁
该功能用于防止电动机在低电压时启动。典型整定是为80% - 90%Vn。
16.6. 逆相序闭锁
保护装置可检测电动机输入电压的相序及幅值。在正常情况下，电动机正序电压应大于负序电压，且三相电压应大于整定值，如果不满足将发出报警，并闭锁控制回路。只有当供电相序正确，电压幅值符合要求时才能启动电动机。
16.7. 接触器互锁控制功能
保护装置可以对两台接触器的控制，实现保护装置内部互锁，可以安全可靠地保证电动机的正、反转运行。
16.8. 熔断器闭锁
对于采用F-C柜控制的电动机，当保护电流超过熔断器遮断电流整定值时，保护装置闭锁电流保护出口，并发出闭锁信息，而后，如电流突变为零而接触器仍吸合，即发出熔断器熔断指示信号 [9]。
16.9. 差流越限告警
当任一相差电流大于
16.10. 差动保护TA断线检测功能
延时差流越限告警功能：装置实时检测差流，当任一相差流大于0.2倍门槛电流整定值时间超过10秒时，发差流越限告警信号，但不闭锁差动保护， 这也兼起保护装置交流回路的自检功能。
瞬时TA断线告警在差流越限或差流大于差动门坎时投入，当此时最大相电流大于“TA断线投入上限”定值时（此定值由用户给定，一般为
16.11. 差动保护TA断线闭锁功能
与常规的保护不同，保护装置的TA断线报警和闭锁功能是在差动组件动作后进行判别的。为防止瞬动时TA断线的误闭锁，下述任意一个条件满足均不进行TA断线判别：
¨ 比率差动保护起动前各侧最大相电流小于
¨ 比率差动保护起动后最大相电流大于
¨ 比率差动保护起动后电流比起动前电流增加。
机端与中性点两侧六路电流同时满足下列条件认为是TA断线：
¨ 一侧TA的一相或两相电流减小至比率差动保护起动；
¨ 其余各路电流不变。
可选择TA断线发报警信号的同时是否闭锁差动保护。如果保护装置中的差动保护退出运行，则TA断线的报警和闭锁功能自动退出。当TA断线条件不满足后，TA断线信号及指示灯自动复归，并自动解除保护出口闭锁[7]。
16.12. 跳闸回路监视
保护装置可以在断路器开断和合闸状态下，对跳闸回路进行监视。监视是通过光电隔离输入接点和可编程的方案逻辑来实现。
16.13. TV断线检测
TV 断线后，闭锁低电压保护，发出报警信号，待电压恢复正常后保护返回。
16.14. 紧急重启动
如果电动机对生产工艺和安全比电动机保护更为重要，即使在严重过载条件下也必须持续运行，可投入本功能。此时清除保护装置中的热记忆。
16.15. 再起动功能
当供配电系统发生电压骤降时，保护装置可以将停运的电动机在设定的时间自动恢复至运行状态。
16.16. 断路器状态监视功能
对于断路器的每一次跳闸，保护装置都将予以记录。每当保护装置发出一次跳闸指令，断路器状态监视计数器就会更新一次。
16.16.1. 断路器分断电流监视
油断路器换油周期根据故障跳闸次数来确定，气体/真空断路器需要测试压力。保护装置监视故障电流的平方和的累计值，以便于对断路器状态作出更准确的判断。
16.16.2. 断路器操作次数监视
断路器的每一次操作都会使其部件受到一定程度的磨损。所以，应根据断路器的操作次数来确定定期维护。适当的设定维护整定值可以让保护装置在断路器达到预设的动作次数后发出报警信号，提醒维护人员适时对断路器进行常规维护。
某些断路器如油开关，在不进行维护的情况下，只允许动作一定的次数。这是因为每一次的故障跳闸都会使油炭化，从而降低绝缘性能。此时，应设定合适的维护报警整定值，以提醒维护人员及时对断路器进行油样绝缘测试或全面的维护保养。
16.16.3. 断路器动作时间监视
断路器动作迟缓也是操作机构需要维护的征兆之一。所以保护装置设计报警整定值，可变范围在5–500ms之间。该时间的整定取决于断路器本身的设计动作时间。
16.17. 断路器的控制
断路器用就地/远 程选择开关可实现远程控制及保护跳闸。断路器合、跳闸控制脉冲宽度可以由合、跳闸脉冲持续时间来进行整定，以保证在控制脉冲消失前，断路器已经完成合闸和 跳闸操作。如果在出现合闸命令的同时，出现了保护跳闸信号，保护跳闸信号优先于合闸命令。如果断路器未能响应控制命令，那么当相应的合闸或跳闸控制脉冲消 失后，保护装置将产生断路器跳闸失败或断路器合闸失败的报警信号。
16.18. 远方和就地控制功能
保 护装置面板上装有就地控制按钮，通过面板上的控制按钮可以方便地对电动机实施启、停控制；另外通过保护装置的外接端子，可以实现电动机的远方硬手操的启、 停控制；通过现场通讯总线方式，也可以实现对电动机的远方软手操的启、停控制。保护装置面板上设有远方和就地控制切换开关，可以实现远方和就地控制的互为 闭锁。
此外，保护装置还具有两次起动间的最小时间间隔及允许再起动控制功能，以及电动机全部运行时间（包括启动条件下）及最后一次成功启动过程中的最大平均电流监视和记录等功能。
17. 非保护功能
保护装置还集成许多常规保护不具备的非保护功能。
17.1. 测量功能
保护装置内部设有高速采集芯片，通过对采集的数据进行滤波计算之后，显示各序电流、各序电压、热状态、功率因数、频率、功率、电度、轴承温度及累计运行时间等物理量，实现就地监测；同时，这些量也可以通过通讯总线或其它输入接口传送到控制中心，实现远方监测功能。
17.2. 通讯功能
保护装置具有标准的ProfiBus-DP接口或双线ModBus@RTU协议RS485通讯接口。无论哪种总线接口，都可以方便、快捷地实现与监控系统、PLC通讯联网，从而实现远方智能管理，完成遥测、遥信及遥控等功能。
串口的作用是在保护装置和各种远端的计算机、可编程控制器（PLC）以及分散控制系统 (DCS)之间进行通信。可以用来安装在计算机查看电动机的状态、实时数据，查看或者修改设置。
17.3. 自检功能
保 护装置设有自检功能，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，如果自检系统检测到内部故障或控制电源消失等异常现象，所有保 护功能和输出接点都将被闭锁，以防止保护装置误动作，此时，状态指示灯熄灭或闪烁，并在显示屏上显示故障信息，实现快速故障分析，同时维护端子打开（看门 狗电路），接点接至适当的系统信号输入，将根据故障类型做出相应的处理，故障消失后可以迅速复位并恢复正常运行。
17.4. 固件升级
嵌入保护装置内系统最底层的工作软件称为固件。通过面向对象的设计和编程技术设计各种功能模块方式，生成保护类。在这个保护类中，保护组件如延时过电流、瞬时过电流、电流差动、低电压、过电压、低频、距离等都是类中的对象。可以安装在任何保护装置中，用于测量、I/O 控制、HMI、通信，或者系统中的其它任何功能体，获得与硬件构造一样的模块性、可测量性和灵活性。固件可通过软件就地或远程进行升级[8]。
电动机监控和统计功能
保护装置记录下各种数据以供电动机维修保养计划作参考。由电动机统计功能所存储的信息包括：
¨ 运转和停止时间； ¨ 总的兆瓦小时；¨ 启动次数；¨ 启动时间和电流的平均值和峰值；¨ 运转时电流和功率的平均值和峰值； ¨ RTD温度的平均值和峰值； ¨ 所检测到的电动机参数；¨ 保护元件发出警告和跳闸次数。
17.5. 负荷和事件记录及故障录波
保护装置投用后，负荷记录、事件记录及故障录波对电动机故障的分析非常重要。
保护装置负荷记录功能可以跟踪记下电动机的相电流和中心点电流的幅值、热容的百分数、不平衡电流的百分数、相间电压值、有功功率值、无功功率值、视在功率值及系统频率等负荷及使用情况[12]。
保护装置可以存储带时标的事件记录，并由电池备电。这些记录可通过通讯端口提取或通过面板上的液晶显示器显示。保护装置内的故障录波器可录入故障前后的波形，每个周波为32点采样，记录内容包括模拟数据通道、逻辑开入、开出数据通道以及系统频率。录波的触发方式为任一被选保护报警信号、动作越限信号、逻辑开入信号以及远控命令，所有通道和触发源均可由用户设置，并存储在有电池备电的内存中，也可以经远程通信从保护装置中提取。
17.6. GPS 对时
各保护装置内的时标对事件记录和故障录波非常重要，通过与变电站自动化主站通信可得到年月日时分秒的信息，也可通过GPS接收器实现毫秒级对时，精度可小于1ms。
18. 保护装置调试
18.1. 密码保护
保护装置的整定值、延时、通信参数、输入输出的功能分配等受密码保护。保护装置访问级别通常分为二级。读取所有的设定、预警、事件记录和故障记录不需要密码。输入第一级密码，授权操作者可将LEDs、故障和预警状况复位，并可将事件和故障记录清除。输入第二级密码，授权操作者可在第一级的基础上完成所有其它的设定。用户可自行修改密码，如果密码不小心遗忘，用户可与制造商联系，提供保护装置的序列号，以获得该保护装置的备用密码。
18.2. 安全钥匙开关
除了密码保护外，安全钥匙开关是另一种典型的设置允许接线方式。设置允许接线端必须被短接，才能通过控制面板的键盘存储新的设置，但通过串口传来的设置命令不受安全钥匙开关的控制。
18.3. 保护装置设置
保护装置可存储多套保护定值。在运行保护装置以前，必须先进行系统参数以及保护参数的设置，有以下几种方法可以进行设置：
¨ 通过前面的控制面板，利用上面的各种按键以及显示屏进行设置；
¨ 通过通讯接口，利用保护装置调试软件进行设置。
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