電動機保護裝置在某化工企業(yè)的應用

安科瑞 陳聰

摘要：介紹了一種集保護、測量、顯示、通信等為一體的電動機保護測控裝置，該保護測控裝置具有對電動機的過載、堵轉、斷相、不平衡、接地、過/欠壓等故障引起的危害予以不同的保護。同時可通過串口或以太網通訊與電力監(jiān)控系統Acrel-2000連接，實現在線監(jiān)測和自動控制。

關鍵詞：電動機保護裝置；電力監(jiān)控系統；在線監(jiān)測；自動控制

0 引言

     某化工企業(yè)熱電站鍋爐引、送風機配套電機功率均為450kW的10kV的高壓電機，電機一旦損壞，將造成全線停車，并且維修周期長、費用高，給生產造成較大的影響。鍋爐引、送風電機長期運行在高溫、塵多的惡劣環(huán)境中，容易發(fā)生軸承損壞，定轉子相擦故障以及機械過負荷引起電機繞組絕緣老化，定子繞組的相間短路，匝間短路及單相接地等故障。如不及時發(fā)現處理，一旦電機損壞，直接威脅著企業(yè)的安全生產，給企業(yè)造成較大的損失。為保證高壓電機安全穩(wěn)定運行，提高保護的靈敏性、可靠性，高壓電機均采用安科瑞AM5SE-M電動機保護測控裝置，以達到快速切斷故障的目的。

1 電動機保護裝置概述

     AM5SE-M電動機保護測控裝置可應用于功率為2000kW及以下的高壓電動機。電動機保護測控裝置具有保護、測量、顯示、通信等在線監(jiān)測功能，通過自身完善的保護功能，對電機的軸承損壞、定轉子相擦、匝間短路等產生的發(fā)熱情況能起到很好的保護作用，可就地安裝于高壓開關柜上，通過串口或以太網通訊與電力監(jiān)控系統Acrel-2000連接，監(jiān)控系統可實時監(jiān)控和遙控，較容易實現自動控制及在線監(jiān)測。

2 保護配置及原理

AM5SE-M電動機保護測控裝置具有電機的過流保護、過負荷保護、過熱保護、堵轉保護、啟動時間過長保護、斷相保護、電流不平衡保護、低電壓保護及過電壓保護等對電機的全套保護，并具有測量、監(jiān)控、操作、故障記錄和通信等各項功能，用戶可根據需要自行選擇投入或退出。

2.1 過流保護

AM5SE-M電動機保護測控裝置中的過流保護主要用作電機內部及進線的短路保護，主要分為啟動中/運行中過流一段保護、過流二段保護、反時限過流保護。

異步電動機在啟動過程中電流很大，通常能達到5～8倍額定電流(Ie)，啟動時間能長達幾十秒。裝置設兩個過流一段定值，在啟動過程中采用“啟動時過流一段定值"，該值按躲過電動機啟動電流整定，等電動機啟動過程結束后，自動采用“運行時過流一段定值"，該值按電動機自啟動電流和區(qū)外出口短路時電動機反饋電流考慮，取兩個電流中的大者。

2.2 過熱保護

過熱保護是通過對電動機運行中熱容量的跟蹤計算來保護電動機免于因過熱而縮短壽命或損壞。電動機過負荷、啟動時間過長、堵轉等會產生較大的正序電流；而斷相、不對稱短路、輸入電壓不對稱時會同時產生較大的正序和負序電流，根據電動機定子正序和負序電流引起的發(fā)熱特征，可對上述故障提供熱過載保護。

用正、負序綜合測量值Ieq作為等效電流來模擬電動機的發(fā)熱效應，即：

其中：Ieq ：等效電流

I1：正序電流

I2：負序電流

K1：正序電流發(fā)熱系數，在電機啟動過程中K1＝0.5，啟動完畢K1＝1

根據電動機的發(fā)熱模型反時限特性，為合理保護電動機，保護的動作時間t和等效電流Ieq的關系有如下兩條曲線可供選擇：

1）

其中：τ：過熱時間常數

I∞：允許電機長期運行的電流值，一般可設為1.1

2）

其中：τ：過熱時間常數

I∞：允許電機長期運行的電流值，一般可設為1.1

Ip：過負荷前的負載電流，若過負荷前處于冷態(tài)，則Ip=0

選擇上述兩曲線之一進行計算，當熱積累值達到τ時，裝置發(fā)出告警信號或保護跳閘。

保護邏輯見圖1。

圖1 過熱保護邏輯

2.3 堵轉保護

堵轉保護是防止電動機在運行時，由于轉子堵塞而發(fā)生電流突然升高，以致燒毀電動機，這種情況可能出現在滾動軸承碎裂、負載轉矩突然升高。在電動機啟動過程中堵轉保護閉鎖，電機進入運行狀態(tài)后堵轉保護才合理。在一定意義上，堵轉保護可作為電動機運行過程中短路保護的后備保護。當電動機三相電流IA、IB、IC任一相超過堵轉電流定值，并有轉速低信號輸入，達到整定延時時間后保護跳閘。保護邏輯見圖2。

圖2 堵轉保護邏輯

2.4 啟動時間過長保護

正常的啟動結束后電動機的運行電流將低于額定值或在額定值附近，而啟動時間過長則是在啟動時間過后電動機的運行電流仍保持較大值（一般為機械原因）。AM5SE-M電動機保護測控裝置可自動識別當前過程是否為啟動過程，如是則當整定的啟動時間到達后，電動機的三相電流仍大于啟動電流定值時，本保護動作于跳閘。

2.5 斷相保護

斷相保護是為了防止電動機在運行過程中發(fā)生斷線而導致電動機兩相運行產生過熱而燒毀，斷相保護功能通過檢測回路電壓，判斷電動機回路斷相故障，在檢測到斷相故障后，斷相保護功能啟動并觸發(fā)延時，在設定的延時結束后發(fā)出跳閘命令。

2.6 電流不平衡保護

電流不平衡保護是為了防止因三相電流不平衡可能引起的電動機過熱，當電流不平衡度超過電流不平衡度設定值，電動機處于已運行狀態(tài)時，經延時，裝置保護跳閘或者告警。保護邏輯見圖3。

圖3 電流不平衡保護邏輯

2.7 低電壓保護

電動機低壓運轉時轉矩急劇下降，會造成電動機嚴重過載，因此設置低電壓保護。當三個線電壓均小于低電壓跳閘/告警定值時，經過延時，裝置跳閘或者告警。為防止因PT斷線使保護誤動，設置有PT斷線閉鎖。當發(fā)生PT斷線時，裝置將發(fā)出告警信號并閉鎖失壓保護，該閉鎖條件可選擇投入或者退出。裝置可以設置是否加入合位作為判斷失壓的條件，此外，裝置可以根據用戶使用的場合選擇何時解除低電壓故障信息，若投入低電壓閾值投退，則裝置電壓小于無壓定值時，保護動作即可返回，若退出低電壓閾值投退，則裝置電壓需恢復至正常電壓，才可解除故障信息。低電壓保護開放條件：三個線電壓有一個大于1.05倍低電壓定值，且延時500ms。該條件一旦成立，低電壓保護合理。

3 裝置存在的問題及改造

      AM5SE-M電動機保護測控裝置雖具有高壓電機的全套保護功能，當出現故障保護動作后，故障已經形成，只能停車處理。裝置正常運行時只是監(jiān)視  電機的運行電壓、電流，僅憑這些很難發(fā)現故障隱患。為盡早發(fā)現事故隱患，把事故消滅在萌芽狀態(tài)，經充分研究論證后認為：電機的損壞多是繞組、軸承發(fā)熱，過熱保護只是綜合計算電機正序和負序電流的熱效應，軸承發(fā)熱后如果再繼續(xù)運行可能會使電機發(fā)生損壞。因此在電機內部預埋PT100電阻型溫度傳感器用來測量電機內部繞組、軸承溫度，并將PT100與ARTM-8溫度巡檢儀連接，利用ARTM-8實時監(jiān)測溫度，同時通過RS485通訊接口將溫度數據也傳輸至Acrel-2000電力監(jiān)控系統，便于運行維護人員實時查看溫度，為設備的安全、穩(wěn)定運行提供了技術支持。

圖4 改造后電力監(jiān)控網絡拓撲圖

4 結語

該化工企業(yè)擁有10kV高壓電機二十余臺，采用AM5SE-M電動機保護測控裝置后，當發(fā)生過流、短路、接地等故障時保護均能可靠動作，防止事故的進一步擴大。利用Acrel-2000電力監(jiān)控系統對各回路電動機保護裝置實時監(jiān)控，同時也合理地監(jiān)視到軸承、繞組溫度明顯升高的事故隱患，并及時地進行處理，確保電機運行狀況良好，避免事故的擴大，保證設備安全穩(wěn)定運行，為企業(yè)的連續(xù)、穩(wěn)定生產提供了有力的技術保障。

參考文獻

[1] 蔡澤祥，侯勇，劉振武.高壓異步電動機的智能化綜合保護[J].2004

[2] 蔣麥占.電動機及其驅動機械電氣保護.2005

[3] 電動機微機保護監(jiān)控裝置在石化企業(yè)的應用

[4] 趙水星.高壓電機綜合保護測控裝置的應用及改造

[5] 安科瑞用戶變電站綜合自動化與運維解決方案.2021.11月版