ABB IPD系列测控模块：性能解析及应用推荐

在低压成套开关设备中，无论是进线主回路，还是馈电主回路或者电动机主回路，都需要配套测控。在智能化成套开关设备中，这些测控装置还需要配套通信接口以满足信息传输的目的。

在ABB的MNS3.0低压成套开关设备中常用的测控装置见表6-10。

这些测控仪表和装置可满足各种低压成套开关设备主回路的测控要求。

表6-10 应用在MNS3.0低压成套开关设备中的智能测控仪表和装置

1.ABB的IPD系列多功能电力仪表——EMplus

EMplus既可用于低压进线回路的遥测、遥信和遥控，也可用于低压馈电回路的遥测、遥信和遥控。

我们来看EMplus的具体参数，如图6-10所示。

EMplus需要输入的信息包括：三相电压和三相电流。电流信号引自电流互感器的二次侧。对于低压进线主回路，电压信号引自电力变压器的低压侧；对于馈电主回路，电压信号引自低压成套开关设备的主母线。

图6-10 EMplus的功能与参数

图6-11所示为应用在低压成套开关设备低压进线主回路中的EMplus。从图中我们看到断路器的状态和保护动作状态遥信信息输入到EMplus的DI输入端口，三相电流量输入到EMplus的电流输入端口，电压量输入到EMplus的电压输入端口，EMplus的出口继电器RL11～RL22可对断路器执行合闸和分闸操作。

图6-11 应用在低压成套开关设备低压进线主回路中的EMplus

当EMplus应用在低压成套开关设备中时，以下技术参数需要予以关注：

（1）EMplus的遥信、软遥信及SOE时间标签

EMplus的DI1～DI4测量的是开关量，对于电力监控系统而言开关量就是遥信量。当系统中的电压、电流等模拟量发生越限时，EMplus也能给出告警信息，这些告警信息被称为软遥信。

当遥信开关量发生变位时，EMplus会自动将日期和时间也同时记录下来作为开关量变位对应的时间标签，且即使EMplus的工作电源发生掉电也不影响已经保存的SOE信息。

用户可通过RS485/MODBUS通信接口和通信规约读取SOE信息。

（2）EMplus的电度量记录

EMplus可通过DI3/DI4实现脉冲电度表的脉冲记录，据此可准确地测量和计算出有功电度量和无功电度量，且有功电度量和无功电度量可通过RS485/MODBUS通信接口和通信规约发送给计量系统。

（3）EMplus出口继电器的动作形式

EMplus的出口继电器可实现脉冲型动作方式，也可实现保持型动作方式。脉冲型动作方式的整定时间在50ms到2s之间。

在低压成套开关设备中EMplus的遥控对象一般是各类断路器的电动操作机构，因此EMplus一般采用脉冲型动作方式来实施遥控操作。

2.ABB的IPD系列分布式遥信、遥测和遥控模块

RSI32、RCM32和RCU16可用于低压馈电回路的遥测、遥信和遥控，这三个模块的外形基本一致，均为卡轨安装，供电电源均为DC 24V。RSI32、RCM32和RCU16的主要技术数据如图6-12～图6-14所示。

图6-12 RSI32开关量遥信监测装置

图6-13 RCM32电流量遥测装置

图6-14 RCU16遥控装置

图6-15所示的是RSI32、RCM32和RCU16的用途：

从图6-15中我们可以看到：断路器的辅助触点有两种，分别是状态辅助触点S和保护动作辅助触点F，若所有馈电回路都需要采集两种辅助触点状态参量时，我们可以利用RSI32来采集这些信息。

因为RSI32有32个开关量采集能力，因此一台RSI32最多可采集16套馈电回路的遥信信息。

图6-15 RSI32、RCM32和RCU16的用途

断路器的合闸和分闸电动操作机构需要占用2组遥控通道，所以RCU16最多能够提供8套断路器的遥控操作。

对于电流采集，若每套馈电回路仅需要对B相电流进行遥测，则RCM32可以采集32套馈线回路的电流遥测信息；若每套馈电回路需要对A、B、C三相电流进行遥测，则RCM32最多能够采集10套馈线回路的电流遥测信息。

一般地，电动机回路仅需采集B相电流即可，而照明回路则需要采集三相电流。

RCM32的输入信号为0～20mA的交流电流，因此需要配套ABB的LNS系列双二次绕组电流互感器。LNS系列双二次绕组电流互感器中的第一绕组其输出电流为0～5A（或0～1A），用于就地电流显示，而第二绕组其输出电流为0～20mA，用于将电流信息传递到遥测采集模块RCM32中。

图6-16所示为应用在馈电回路中采集遥信开关量、遥测电流量信息的RSI32和RCM32。其中线位号125到129是开关量遥信信号，线位号A411～N411是电流量遥测信号。

由此可见，RSI32、RCM32和RCU16非常适合于执行分布式的多回路测控。

3.ABB的IPD系列电动机综合保护装置——M102-M（P）

电动机综合保护装置已经得到广泛的应用。从结构看，电动机综合保护装置是基于微处理器技术，采用模块化设计而成的智能装置。电动机综合保护装置的保护精度高，可与计算机系统联网，实现自动化控制和管理。

我们先看看电动机需要什么样的保护：

1）当发生三相电源电压断相和电流断相时对电动机的保护；

2）当发生电源断相且电动机同时又过载的保护；

图6-16 在低压成套开关设备馈电回路中采集遥信信息的RSI32和采集遥测信息的RCM32

3）电动机堵转保护；

4）PTC热敏电阻对电动机定子线圈过热保护；

5）电动机发生漏电和接地故障的保护。

归纳起来就是：过载保护、过热保护、外部故障保护、堵转保护、相序保护、断相保护、相不平衡保护、欠电压和过电压保护、欠功率保护、接地或漏电保护等。

（1）电动机的热过载保护

我们来看图6-17所示的电动机发热曲线。

图6-17 电动机的发热曲线

当电动机起动后，电动机的温升持续增高。若电动机长时间地过载，则电动机的发热将不断趋近于最大允许值。电动机进入正常运行状态后，电动机的温升将稳定在运行状态；当电动机停机后，电动机的温升将不断降低到零，此时电动机的温度与环境温度相等。

电动机的温升可依据工作电流与热容量关系曲线计算获得，也可通过埋入电动机定子绕组中的PTC热敏电阻直接测量获得。

电动机热过载保护模式有两种，其一标准型，其二是防爆型EExe。普通三相异步电动机选用标准型热保护，通过调整t₆曲线时间来设定不同的保护等级，而防爆电机则需要设定防爆电机的专用参数I_a/I_n（堵转电流/额定电流）和t_e（堵转电流允许运行时间）来决定热过载保护参数。

在图6-18中，I_s是起动电流，TFLC是满载电流，所以横坐标就是起动电流与满载工作电流的比值。图中的纵坐标是电动机的起动时间。

图6-18 电动机冷态下起动时的t₆热过载保护特性曲线

我们来看从下往上第3条曲线，该曲线是t₆=10s。若电动机起动电流比是6倍，则对应的起动时间是10s。我们由此知道该电机工作于重载起动和运行状态。

电动机的最大热容值用百分比表示。在环境温度为40℃时，当电动机在冷态下以6倍额定电流运行t₆曲线一段时间后，热容值将达到最大值（即100%）。

电动机热保护参数见表6-11。

表6-11 电动机的热过载保护参数

注：堵转电流I_a与额定电流I_n之比：用于防爆电机的堵转参数设定，对于一般的电动机此项设定可以忽略。

热过载保护t₆曲线：t₆曲线是电动机热过载保护功能的基本参数。t₆曲线的意义在于，曲线给出了冷态下的电动机以6倍额定电流允许运行的时间。

电动机在起动过程中通常会出现短时过载现象。若电动机是从冷态起动的，则允许电动机起动两次；若电动机是从热态起动的，则只允许电动机起动一次。在实际应用中，一般都选择电动机从冷态起动。

电动机综合保护装置就是根据t₆曲线对电动机进行参数设定和保护的。

当电动机综合保护装置首次启用时，要将电动机的有关参数输入给综保装置，以便综保装置查找对应的t₆曲线。这些参数包括：

1）电动机起动电流倍数即I_s/I_n；

2）冷态下最大起动时间；

3）热态下最大起动时间；

4）电动机的环境温度。

例如，若电动机的功率是110kW，其对应的热过载保护参数基本信息是：

定义 参数

电动机起动电流倍数，即I_s/I_n 7.5

冷态下最大起动时间 30s

热态下最大起动时间 15s

电动机环境温度 40℃

当电动机起动时，电动机综合保护装置就根据基本参数形成的t₆曲线实施保护，若电动机起动超时将产生脱扣信息驱动交流接触器跳闸。

由此可知，t₆曲线的参数设定尤为重要，在实际运行中，往往要对电动机的起动参数略作调整。

若电动机需要在热态下起动，则t₆曲线要采用热态参数。电动机的热态t₆曲线如图6-19所示。

图6-19 电动机热态下起动时的t₆热过载保护特性曲线(www.xing528.com)

1）冷却系数：每台电动机的热容值都不相同，并且运行状态的电动机由于环境温度不同显然其温升和冷却时间不尽相同，一般冷却时间大约是升温时间的4倍。

在实际使用中，电动机综保装置将根据电动机的冷却状态决定是否允许电动机再次起动。冷却系数通常在4～8之间选择，也可选用电动机制造商提供的参数。

2）报警值：当电动机的热容值达到告警值时，电动机综保装置将发出热过载告警信息；当电动机的热容值下降到低于告警值时，电动机综保装置的热过载告警信息将复位。

3）热过载保护脱扣值：当电动机的热容值达到脱扣值时，电动机综保装置将发出脱扣命令使得交流接触器分闸，同时将“热过载脱扣信息”置位。

4）热过载保护脱扣复位值：当电动机被停机后，热容值也将随之下降。当热容值下降到复位值以下时，电动机综保装置才允许热过载保护脱扣器复位，此时电动机被允许正常起动运行。

5）环境温度：电动机运行的环境温度的最大值通常是40℃。如果环境温度超过40℃，则电动机需要降容使用。

电动机综合保护装置在发现环境温度超过设定值时，会根据设定的温度自动降低电动机输出功率的等级。表6-12是环境温度与电动机最大电流之间的关系。

表6-12 环境温度与电动机最大电流之间的关系

电动机综合保护装置在检测了环境温度后，根据上表中的降容比监测电动机，若在某环境温度下发现电动机的工作电流超过对应值，则将发出告警信息和实施脱扣操作。

（2）电动机的堵转保护

堵转保护是防止电动机在运行中出现阻转矩异常加大，以至于电动机的转子出现运转堵塞，其直接结果就是电动机严重超负荷运行。

电动机堵转运行示意图如图6-20所示，从图中我们看到，电动机正常运行时出现了堵转，电动机电流急剧地增大到起动电流之上，电动机综合保护装置将根据电动机电流与额定电流的比值判断是否启动堵转保护脱扣。

图6-20 电动机堵转运行示意图

电动机综保装置的堵转保护参数见表6-13。

（3）断相保护

供电电源出现断相往往是由于熔断器熔断造成的，且电源断相后一般不会自行恢复。对于电动机来说，原来运行于三相交流电源供电状态，而断相后变为单相运行状态（注意：两相运行实质上就是单相运行状态），尽管电动机仍然能维持慢速运行，但此时的电流将非常大，往往在很短时间内就将电动机烧毁。

表6-13 电动机综保装置的堵转保护参数

断相故障是电动机损毁的主要原因，因此断相保护也是电动机综保装置必须要实现的一项重要保护措施。

由于电源发生断相故障时不可能自行恢复，且此时剩余两条相线中的线电流非常大，但若依靠热过载保护脱扣对电动机执行断相保护，其速度往往跟不上，等到热过载保护脱扣器动作时电动机已经烧毁了，所以断相保护装置的脱扣时间比热脱扣的时间更短。在实际的应用中，一旦电动机综保装置检测到断相且同时电流不平衡度达到20%时，就立即执行断相保护操作，如图6-21所示。

图6-21 电动机的断相运行及保护

电动机综保装置的断相保护参数见表6-14。

表6-14 电动机综保装置的断相保护参数

（4）三相不平衡电流保护

电动机的热损耗主要是由三相不平衡电流引起的。

当三相电流发生不平衡时会产生负序电流，负序电流的频率是基波频率的两倍，并且负序电流产生的反向旋转磁场会对电动机转子产生反向转矩。

当供电线路中发生轻微的三相不平衡时，因为电动机要维持正向输出转矩不变，于是电动机输出的正向转矩中会有一部分用来克服反向转矩，由此产生了电动机定子绕组的发热。

三相不平衡电流保护是根据流过电动机定子绕组的最小线电流和最大线电流的比值来判断是否启动三相不平衡保护，如图6-22所示。

在图6-22中，我们看到当第一次发生三相不平衡时启动了电动机综保装置的脱扣延时，但因为三相不平衡又返回到脱扣值以上使得脱扣操作得以解除；当三相不平衡第二次越过脱扣值后，因其迟迟不能返回到脱扣值以上，电动机综保装置在脱扣延时结束后执行脱扣操作使得电动机停机。电动机停机后再延迟一段时间，三相不平衡脱扣操作将被自动复位。

图6-22 电动机的三相不平衡保护

电动机综保装置的三相不平衡保护参数见表6-15。

表6-15 电动机综保装置的三相不平衡保护参数

（5）电动机轻载和空载保护

电动机轻载和空载保护比较类似，都是根据电动机的最大电流I_Lmax与额定电流I_n的比值来判断的，如图6-23所示。电动机综保装置的轻载保护参数见表6-16，空载保护参数见表6-17。

图6-23 电动机的轻载和空载保护

表6-16 电动机综保装置的轻载保护参数

例如水泵机组因为泵体渗水使得机组进入轻载甚至空载，电动机的转速接近同步转速，水泵会因为空转而剧烈发热，继而因为防渗漏装置和润滑剂高温失效使得水泵出现损坏。

表6-17 电动机综保装置的空载保护参数

（6）电动机的接地故障保护

当电动机出现相线碰壳的接地故障时，在TN系统中执行接地故障保护的是回路中的断路器。因为在TN系统中，接地故障被放大为短路故障，断路器的过电流保护装置启动了过流保护脱扣跳闸功能。

当TN系统中的电动机出现碰壳接地时，电动机的工作电流将出现三相电流不平衡现象，电动机综合保护装置外接的零序电流互感器二次绕组将出现感应零序电流I₀，当零序电流越过告警值时电动机综合保护装置将发出告警信息；当零序电流越过脱扣值时，电动机综保装置将启动接地故障脱扣延迟判误。当延迟结束后零序电流仍然大于脱扣值，则电动机综合保护装置将启动脱扣操作，否则将解除接地故障脱扣操作，如图6-24所示。

图6-24 电动机的接地故障保护

电动机综保装置的接地故障保护参数见表6-18。

表6-18 电动机综保装置的接地故障保护参数

一般来说，若接地故障的动作电流在30～100mA，则被认为是高灵敏的具备保护人身安全的接地故障保护装置，100～2000mA被认为是兼有保护人身安全和保护设备安全的接地故障保护装置，2000mA以上被认为是保护设备的接地故障保护装置。

由此可知，电动机接地故障保护装置兼具有人身安全防护和设备防护，但以设备防护为主。

（7）电动机的欠电压保护

电动机的输出转矩T与电源电压U₁的关系见式（6-3）：

式（6-3）较复杂，但我们只需要注意到电动机的输出转矩T与电压U₁的平方成正比即可。

当电压略微偏低时，电动机为了维持输出转矩基本不变，必然要加大电动机定子绕组电流从而保持转矩。电动机定子绕组电流加大后的直接结果就是发热。

若电源电压降低的比较多，电动机已经无法维持正常的输出转矩，此时除了电动机转矩大幅跌落外，还伴随着电动机严重发热。此时必须对电动机实施欠电压保护。

若电源电压出现很短暂的失压，一般在20ms以下，我们把这种瞬间断电现象称为电源“闪断”。若闪断后驱动电动机的交流接触器仍然保持吸合状态，则由于电动机的转动惯性使得电力拖动系统不会受到太大的影响。

若电源电压持续大幅跌落，或低压电网出现失压，电动机综合保护装置将切断电动机的电源使得电动机停机；若电压恢复正常后且未出现断相等现象，则电动机综合保护装置允许电动机重新起动，也可执行自动重起动操作。电动机的欠电压保护如图6-25所示，电动机综保装置的欠电压保护参数见表6-19。

图6-25 电动机的欠电压保护

表6-19 电动机综保装置的欠电压保护参数

（8）电动机的自动重起动功能

当电压跌落时，如果电压跌落的时间超出欠电压保护的脱扣延迟时间，则电动机综合保护装置将使接触器脱扣跳闸，电动机停止运行。

当电压恢复后，如果电压恢复的时间不超过电压跌落的最大时间，则电动机综合保护装置将启动自动重起动功能。

如果电压恢复的时间超过电压跌落的最大时间，则电动机综合保护装置将进入顺序起动延时，顺序起动延时结束后开始执行自动重起动功能。

自动重起动的执行过程如图6-26所示，自动重起动参数见表6-20。

图6-26 自动重起动功能

表6-20 自动重起动参数

当低压电网中有众多的电动机在电压恢复后需要重起动，由于电机起动及设备投运涉及工艺流程及过程控制，所以电动机的重起动功能最好在DCS的直接操作下行使分批起动，而不要简单地依靠电动机综合保护装置实现自动重起动功能。要实现这一点，依靠电动机综合保护装置的遥控功能即可，或者通过外部引线直接对电动机执行起动控制。

（9）ABB的M102-M（P）

M102-M（P）是ABB的一款功能强大的电动机综合保护装置。M102-M支持MODBUS通信，而M102-P则支持PROFIBUS-DP通信。本书中讨论的对象以M102-M为主。

M102-M能够实现电动机的各种起动方式，能够对电动机执行各种综合保护，是一种多功能的电动机综保装置。

M102-M（P）能采集电动机回路的三相电压、电流、功率、电度等信息，还可以采集断路器和交流接触器的状态。同时，M102-M还能提供与电动机起动、运行和保护相关的各种参数以及控制时间信息。

M102-M应用于MODBUS-RTU总线，并且有两套独立的RS485总线接口；M102-P则用于PROFIBUS-DP总线。

M102-M的应用模式如图6-27所示。

图6-27 M102-M的应用模式