智能低压控保装置在工程中的应用探析

xiaonaijia

高 任 朱庆梅
摘要：文章介绍了低压控制保护装置的主要特点、功能及其优点，阐明了在工程应用中低压控制保护装置的选用原则。介绍了一个典型设计方案与传统设计方法在经济性上的比较。


随着计算机技术的不断发展和在工业领域应用的日趋成熟，工业控制系统不断向智能化、网络化方向发展。从经济和技术观点上讲，通过通讯总线方式实现控制系统的远方高级管理功能(遥测、遥控、远方整定等)成为了方案首选。这种趋势已对配套的终端控保单元提出了智能化要求。但在现阶段，低压供电回路普遍采用塑壳断路器(供电侧)或接触器加热继电器(用电侧)
保护的典型设计方案，并以继电器、控制／连锁开关、按钮、信号灯、变送器、测量仪表作为实现控制、保护、测量、连锁、信号显示功能的手段，这种方式难以与上述工业控制系统的发展相匹配，设计严重滞后于设备技术发展。现在，新一代数字式、强抗干扰性智能低压控保装置及智能连锁单元的出现，真正实现了对供配电系统保护的数字化、控制智能化和管理网络化。
1 数字式智能低压控保装置的主要特点
(1)能解决热继电器和MCCB过载部分不能模拟低压负荷的电特性和热特性的缺憾，在节省热继电器、简化MCCB构造的基础上，能更好地保护用电设备。长期以来，国内一直在低压回路中采用热继电器来保护低压电动机，由于原理上的缺点，使得热继电器难以模拟电动机发热特性，智能低压控保装置采用数字方法建立电动机的发热模型，从原理上解决了低压电动机的热保护问题；
(2)能解决MCCB瞬时脱扣器对长距离供电电动机端单相接地保护灵敏度不够的问题，省却了以往针对该问题单独加装单相接地保护的环节；
(3)具有丰富的连锁功能，可以解决复杂的工艺连锁，现场在不使用继电器搭接逻辑的前提下，可以实现非常复杂的连锁，提高了设计效率；
(4)可解决以往由二次回路采用分离元件使低压抽屉单元盲目加大的弊端，设计时可精确地规划低压配电柜的模数，保证二次图纸的设计进度和图纸修改不会影响低压柜体的规划和生产，加快了工程进度，提高了生产效益。这一点尤其适用于招、投标体制的项目；
(5)能为过程自动化系统提供一个优秀的智能终端，以节省大量的二次电缆和I／O设备，在降低了整个监控系统造价的基础上，可提高系统的可靠性。此外，由于保护装置采用总线内置、表面贴装等技术，也提高了装置的可靠性；
(6)采用在线编程技术，在装置不退出运行的情况下可实现现场编程及程序的迅速升级；
(7)采用12位快速AD采样芯片，精度高。采用现场总线技术，可以快捷地与监控系统、PLC通讯联络，实现远方高级管理功能；
(8)宽温度范围设计，可以应用于户外。抗强干扰特性，已通过Ⅲ级以上电磁干扰试验。
2 数字式智能低控保装置的功能
数字式智能控保装置具有保护、控制、测量以及通讯几个基本功能，以期保证装置安全、可靠地运行。
2．1 保护功能
2．1．1 过热保护及过热禁止再启动保护
过热保护及过热禁止再启动保护实现了对电动机堵转、过载、缺相、不平衡等的保护。装置采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乙，其表达式为：
（附1）
式中，Kl=0．5(电动机启动时间内)，K1=1(电动机启动结束后)，Kl=6。
其中，K1随电动机启动过程变化，目的是躲过电动机的启动电流。用于改变负序电流在发热模型中的热效应。由于负序电流在转子中的热效应比正序电流高得多，比例上等于在两倍系统频率下转子交流阻抗对直流阻抗之比。
电动机的累积过热量为：（附2）
2．1．2 接地保护
对较长距离供电、中性点为大电流接地系统的低压电机端发生单相接地时，瞬时脱扣器的保护灵敏度往往不够，为此，智能控保装置应设置接地保护功能。如装置通过IA+IB+IC=I0的原理，可由装置内部计算出接地电流I0，当I0大于用户设定值时，装置动作，排除故障，停止电动机工作，排除时间可以由用户整定。
2．2 控制功能
2．2．1 远方和就地控制功能
装置面板上应装设就地控制按钮，通过面板上的控制按钮可以方便地对电机实施启／停控制；通过装置的外接端子，可以实现电动机的远方硬手操作的启／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。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相闭锁。智能低压控保装置可以实现对一台或两台接触器的控制，装置内部设有接触器的控制继电器和完善的控制回路，用户只需将相应接触器的线圈连接至装置对应端子即可。当控制两台接触器时，内部继电器应设置互锁回路，可以安全可靠地实现电动机的正、反转运行。
2．2．2 可编程的连锁逻辑功能
智能控保装置可以实现丰富的连锁控制功能，装置设有一路固定输入用来连接现场事故按钮，以实现电动机的紧急停车。除此之外，装置还应设置四回路及以上可编输入，与工艺有连锁要求的一些物理量可以通过这些端子实现与电动机的连锁控制。这些连锁输入端子接受外来信号均为无源接点方式，信号传输均采用交流220V输送模式，信号传输距离远，且简单、可
靠，节省用户费用，便于工程设计。
可编程输入可以实现电动机的启／停控制。另外，每个可编程输入可以单独设定输入延时，可方便地进行工程设计。除连锁输入功能外，装置还应设计连锁输出接点，这些连锁输出接点可以反映回路电动机的运行状态和智能低压控保装置的保护信息，通过这些端子的不同方式连接，可以实现与其它电动机或设备的多种连锁方式。
2．2．3 电压恢复自启动功能
智能低压控保装置应设置电压恢复自启动功能。当电动机回路断电时，只要在用户设定的时间内电动机回路恢复供电电压，智能低压控保装置就可以自动恢复电动机的运行。
2．3 测量功能
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，可以从装置的6位数码管中实时显示IA、IB、IC、I0及电机热状态等物理量，实现就地监测，这些量也可以通过通讯总线传送到控制中心，实现远方监测功能。另外，装置设有一路420mA输人接口，可以实现420mA输入信号的测量、显示、控制和远传。如果用户需要420mA输出接口，装置应配套有420mA输出接口附件。
2．4通讯功能
根据不同的型号，装置可以提供一个标准的ProfiBus-DP接口或一个双线ModBus@RTU协议的RS485通讯接口。总之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，从而实现对低压回路的远方智能管理，完成对低压回路的遥测、遥信及遥控等功能。
3 相对于传统设计方式的几个优点
3．1 智能低压控保装置在二次回路设计中的优势
智能低压控保装置可以取代合闸继电器、跳闸继电器、连锁继电器、热继电器、开关／按钮、变送器和测量仪表，通过简单的接线及编程逻辑可以方便地实现控制、信号测量、连锁、保护功能，节省了设备及电缆，方便了现场整定和维护。对于现场改造工程，增加工艺设备连锁及增加设备容量极为方便。
3．2 智能低压控保装置在配电柜结构设计上的优势
由于智能低压控保装置体积小，可以方便地同接触器、塑壳断路器布置在同一抽屉内，极大地减少由于在一个抽屉内布置不下多个继电器引起的开关柜模数增加而造成的开关柜数量增加，从而节省了投资，提高了工程的进度和效益，并且避免了由于二次回路设备的增加引起的开关柜结构变化。
3．3 智能低压控保装置在通信上的优势
智能低压控保装置应设置一个RS485／RS422通信接口，通过通信总线与监控系统连接，可以实现远程管理。通过远程管理可以实现遥测、遥控、遥信、定值整定、故障记录查询等功能，节省大量控制电缆及I／0设备，亦可实现现场编程，在不改变任何硬件的情况下使程序迅速升级，使终端元件变成了智能终端，降低了工程投资，并使工业自动化水平更加完善。
4 选用智能低压控保装置时的注意事项
智能低压控保装置在工程中的应用，为该装置的普及创造了良好的技术氛围。但由于种种原因，现在推出的这类装置存在着性能、功能参差不齐的问题，设计选型时主要注意以下两点：
(1)功能要合理、完善。目前，有的智能低压控保装置功能残缺，设计、应用时需要额外增加开关、按钮、继电器、变送器等，其二次图纸相当复杂，体现不出装置技术进步的概念；
(2)性能一定要符合电力行业标准《静态继电保护及安全自动装置通用技术条件一DL／T478-2001》的有关要求，通过Ⅲ级以上电磁干扰试验。
5经济性比较
一典型设计方案中以继电器、控制／连锁开关、按钮、信号灯、变送器、测量仪表作为实现控制、保护、测量、信号功能的控保元件，并含有合闸继电器、跳闸继电器、联锁继电器、热继电器、开关／按钮、变送器和测量仪表，投资约为3500元。而采用智能低压控保装置投资约为2200元。可见，智能低压控保装置在经济性上占有较大的优势。
6 结论
(1)智能低压控保装置的问世是技术发展的必然，它使供配电系统实现保护数字化、控制智能化、管理网络化成为可能；
(2)智能低压控保装置不单纯是“智能化”概念的应用，它更能全面体现“二次分离元件就地集成化、智能终端化”的理念；
(3)智能低压控保装置简化了传统设计，实现了现场零维护；
(4)智能低压控保装置所遵从的系统开放性、互操作性、通用性、智能化与功能自治性、系统结构的高度分散性及对现场环境的适应性原则，完全满足了现代工业控制系统对现场执行元件的要求，具有极其广阔的应用前景。