摘要：介紹了一種集保護(hù)、測量、顯示、通信等為一體的電動機(jī)保護(hù)測控裝置，該保護(hù)測控裝置具有對電動機(jī)的過載、堵轉(zhuǎn)、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(hù)。同時(shí)可通過串口或以太網(wǎng)通訊與電力監(jiān)控系統(tǒng)Acrel-2000連接，實(shí)現(xiàn)在線監(jiān)測和自動控制。
0 引言
某化工企業(yè)熱電站鍋爐引、送風(fēng)機(jī)配套電機(jī)功率均為450kW的10kV的高壓電機(jī)，電機(jī)一旦損壞，將造成全線停車，并且維修周期長、費(fèi)用高，給生產(chǎn)造成較大的影響。鍋爐引、送風(fēng)電機(jī)長期運(yùn)行在高溫、塵多的惡劣環(huán)境中，容易發(fā)生軸承損壞，定轉(zhuǎn)子相擦故障以及機(jī)械過負(fù)荷引起電機(jī)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(shí)發(fā)現(xiàn)處理，一旦電機(jī)損壞，直接威脅著企業(yè)的安全生產(chǎn)，給企業(yè)造成較大的損失。為保證高壓電機(jī)安全穩(wěn)定運(yùn)行，提高保護(hù)的靈敏性、可靠性，高壓電機(jī)均采用安科瑞AM5SE-M電動機(jī)保護(hù)測控裝置，以達(dá)到快速切斷故障的目的。
1 電動機(jī)保護(hù)裝置概述
AM5SE-M電動機(jī)保護(hù)測控裝置可應(yīng)用于功率為2000kW及以下的高壓電動機(jī)。電動機(jī)保護(hù)測控裝置具有保護(hù)、測量、顯示、通信等在線監(jiān)測功能，通過自身完善的保護(hù)功能，對電機(jī)的軸承損壞、定轉(zhuǎn)子相擦、匝間短路等產(chǎn)生的發(fā)熱情況能起到很好的保護(hù)作用，可就地安裝于高壓開關(guān)柜上，通過串口或以太網(wǎng)通訊與電力監(jiān)控系統(tǒng)Acrel-2000連接，監(jiān)控系統(tǒng)可實(shí)時(shí)監(jiān)控和遙控，較容易實(shí)現(xiàn)自動控制及在線監(jiān)測。
2 保護(hù)配置及原理
AM5SE-M電動機(jī)保護(hù)測控裝置具有電機(jī)的過流保護(hù)、過負(fù)荷保護(hù)、過熱保護(hù)、堵轉(zhuǎn)保護(hù)、啟動時(shí)間過長保護(hù)、斷相保護(hù)、電流不平衡保護(hù)、低電壓保護(hù)及過電壓保護(hù)等對電機(jī)的全套保護(hù)，并具有測量、監(jiān)控、操作、故障記錄和通信等各項(xiàng)功能，用戶可根據(jù)需要自行選擇投入或退出。
2.1 過流保護(hù)
AM5SE-M電動機(jī)保護(hù)測控裝置中的過流保護(hù)主要用作電機(jī)內(nèi)部及進(jìn)線的短路保護(hù)，主要分為啟動中/運(yùn)行中過流一段保護(hù)、過流二段保護(hù)、反時(shí)限過流保護(hù)。
異步電動機(jī)在啟動過程中電流很大，通常能達(dá)到5～8倍額定電流(Ie)，啟動時(shí)間能長達(dá)幾十秒。裝置設(shè)兩個(gè)過流一段定值，在啟動過程中采用“啟動時(shí)過流一段定值”，該值按躲過電動機(jī)啟動電流整定，等電動機(jī)啟動過程結(jié)束后，自動采用“運(yùn)行時(shí)過流一段定值”，該值按電動機(jī)自啟動電流和區(qū)外出口短路時(shí)電動機(jī)反饋電流考慮，取兩個(gè)電流中的大者。
2.2 過熱保護(hù)
過熱保護(hù)是通過對電動機(jī)運(yùn)行中熱容量的跟蹤計(jì)算來保護(hù)電動機(jī)免于因過熱而縮短壽命或損壞。電動機(jī)過負(fù)荷、啟動時(shí)間過長、堵轉(zhuǎn)等會產(chǎn)生較大的正序電流;而斷相、不對稱短路、輸入電壓不對稱時(shí)會同時(shí)產(chǎn)生較大的正序和負(fù)序電流，根據(jù)電動機(jī)定子正序和負(fù)序電流引起的發(fā)熱特征，可對上述故障提供熱過載保護(hù)。
用正、負(fù)序綜合測量值Ieq作為等效電流來模擬電動機(jī)的發(fā)熱效應(yīng)，即：
其中：Ieq ：等效電流
I1：正序電流
I2：負(fù)序電流
K1：正序電流發(fā)熱系數(shù)，在電機(jī)啟動過程中K1=0.5，啟動完畢K1=1
根據(jù)電動機(jī)的發(fā)熱模型反時(shí)限特性，為合理保護(hù)電動機(jī)，保護(hù)的動作時(shí)間t和等效電流Ieq的關(guān)系有如下兩條曲線可供選擇：
1) 
其中：τ：過熱時(shí)間常數(shù)
I∞：允許電機(jī)長期運(yùn)行的電流值，一般可設(shè)為1.1
2) 
其中：τ：過熱時(shí)間常數(shù)
I∞：允許電機(jī)長期運(yùn)行的電流值，一般可設(shè)為1.1
Ip：過負(fù)荷前的負(fù)載電流，若過負(fù)荷前處于冷態(tài)，則Ip=0
選擇上述兩曲線之一進(jìn)行計(jì)算，當(dāng)熱積累值達(dá)到τ時(shí)，裝置發(fā)出告警信號或保護(hù)跳閘。
保護(hù)邏輯見圖1。
圖1 過熱保護(hù)邏輯
2.3 堵轉(zhuǎn)保護(hù)
堵轉(zhuǎn)保護(hù)是防止電動機(jī)在運(yùn)行時(shí)，由于轉(zhuǎn)子堵塞而發(fā)生電流突然升高，以致燒毀電動機(jī)，這種情況可能出現(xiàn)在滾動軸承碎裂、負(fù)載轉(zhuǎn)矩突然升高。在電動機(jī)啟動過程中堵轉(zhuǎn)保護(hù)閉鎖，電機(jī)進(jìn)入運(yùn)行狀態(tài)后堵轉(zhuǎn)保護(hù)才合理。在一定意義上，堵轉(zhuǎn)保護(hù)可作為電動機(jī)運(yùn)行過程中短路保護(hù)的后備保護(hù)。當(dāng)電動機(jī)三相電流IA、IB、IC任一相超過堵轉(zhuǎn)電流定值，并有轉(zhuǎn)速低信號輸入，達(dá)到整定延時(shí)時(shí)間后保護(hù)跳閘。保護(hù)邏輯見圖2。
圖2 堵轉(zhuǎn)保護(hù)邏輯
2.4 啟動時(shí)間過長保護(hù)
正常的啟動結(jié)束后電動機(jī)的運(yùn)行電流將低于額定值或在額定值附近，而啟動時(shí)間過長則是在啟動時(shí)間過后電動機(jī)的運(yùn)行電流仍保持較大值(一般為機(jī)械原因)。AM5SE-M電動機(jī)保護(hù)測控裝置可自動識別當(dāng)前過程是否為啟動過程，如是則當(dāng)整定的啟動時(shí)間到達(dá)后，電動機(jī)的三相電流仍大于啟動電流定值時(shí)，本保護(hù)動作于跳閘。
2.5 斷相保護(hù)
斷相保護(hù)是為了防止電動機(jī)在運(yùn)行過程中發(fā)生斷線而導(dǎo)致電動機(jī)兩相運(yùn)行產(chǎn)生過熱而燒毀，斷相保護(hù)功能通過檢測回路電壓，判斷電動機(jī)回路斷相故障，在檢測到斷相故障后，斷相保護(hù)功能啟動并觸發(fā)延時(shí)，在設(shè)定的延時(shí)結(jié)束后發(fā)出跳閘命令。
2.6 電流不平衡保護(hù)
電流不平衡保護(hù)是為了防止因三相電流不平衡可能引起的電動機(jī)過熱，當(dāng)電流不平衡度超過電流不平衡度設(shè)定值，電動機(jī)處于已運(yùn)行狀態(tài)時(shí)，經(jīng)延時(shí)，裝置保護(hù)跳閘或者告警。保護(hù)邏輯見圖3。
圖3 電流不平衡保護(hù)邏輯
2.7 低電壓保護(hù)
電動機(jī)低壓運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)轉(zhuǎn)矩急劇下降，會造成電動機(jī)嚴(yán)重過載，因此設(shè)置低電壓保護(hù)。當(dāng)三個(gè)線電壓均小于低電壓跳閘/告警定值時(shí)，經(jīng)過延時(shí)，裝置跳閘或者告警。為防止因PT斷線使保護(hù)誤動，設(shè)置有PT斷線閉鎖。當(dāng)發(fā)生PT斷線時(shí)，裝置將發(fā)出告警信號并閉鎖失壓保護(hù)，該閉鎖條件可選擇投入或者退出。裝置可以設(shè)置是否加入合位作為判斷失壓的條件，此外，裝置可以根據(jù)用戶使用的場合選擇何時(shí)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(shí)，保護(hù)動作即可返回，若退出低電壓閾值投退，則裝置電壓需恢復(fù)至正常電壓，才可解除故障信息。低電壓保護(hù)開放條件：三個(gè)線電壓有一個(gè)大于1.05倍低電壓定值，且延時(shí)500ms。該條件一旦成立，低電壓保護(hù)合理。
3 裝置存在的問題及改造
AM5SE-M電動機(jī)保護(hù)測控裝置雖具有高壓電機(jī)的全套保護(hù)功能，當(dāng)出現(xiàn)故障保護(hù)動作后，故障已經(jīng)形成，只能停車處理。裝置正常運(yùn)行時(shí)只是監(jiān)視電機(jī)的運(yùn)行電壓、電流，僅憑這些很難發(fā)現(xiàn)故障隱患。為盡早發(fā)現(xiàn)事故隱患，把事故消滅在萌芽狀態(tài)，經(jīng)充分研究論證后認(rèn)為：電機(jī)的損壞多是繞組、軸承發(fā)熱，過熱保護(hù)只是綜合計(jì)算電機(jī)正序和負(fù)序電流的熱效應(yīng)，軸承發(fā)熱后如果再繼續(xù)運(yùn)行可能會使電機(jī)發(fā)生損壞。因此在電機(jī)內(nèi)部預(yù)埋PT100電阻型溫度傳感器用來測量電機(jī)內(nèi)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(shí)時(shí)監(jiān)測溫度，同時(shí)通過RS485通訊接口將溫度數(shù)據(jù)也傳輸至Acrel-2000電力監(jiān)控系統(tǒng)，便于運(yùn)行維護(hù)人員實(shí)時(shí)查看溫度，為設(shè)備的安全、穩(wěn)定運(yùn)行提供了技術(shù)支持。
圖4 改造后電力監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱D
4 結(jié)語
該化工企業(yè)擁有10kV高壓電機(jī)二十余臺，采用AM5SE-M電動機(jī)保護(hù)測控裝置后，當(dāng)發(fā)生過流、短路、接地等故障時(shí)保護(hù)均能可靠動作，防止事故的進(jìn)一步擴(kuò)大。利用Acrel-2000電力監(jiān)控系統(tǒng)對各回路電動機(jī)保護(hù)裝置實(shí)時(shí)監(jiān)控，同時(shí)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(shí)地進(jìn)行處理，確保電機(jī)運(yùn)行狀況良好，避免事故的擴(kuò)大，保證設(shè)備安全穩(wěn)定運(yùn)行，為企業(yè)的連續(xù)、穩(wěn)定生產(chǎn)提供了有力的技術(shù)保障。
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