电动机保护装置在某化工企业的应用

 摘要：介绍了一种集保护、测量、显示、通信等为一体的电动机保护测控装置，该保护测控装置具有对电动机的过载、堵转、断相、不平衡、接地、过/欠压等故障引起的危害予以不同的保护。同时可通过串口或以太网通讯与电力监控系统Acrel-2000连接，实现在线监测和自动控制。

关键词：电动机保护装置；电力监控系统；在线监测；自动控制

0 引言

     某化工企业热电站锅炉引、送风机配套电机功率均为450kW的10kV的高压电机，电机一旦损坏，将造成全线停车，并且维修周期长、费用高，给生产造成较大的影响。锅炉引、送风电机长期运行在高温、尘多的恶劣环境中，容易发生轴承损坏，定转子相擦故障以及机械过负荷引起电机绕组绝缘老化，定子绕组的相间短路，匝间短路及单相接地等故障。如不及时发现处理，一旦电机损坏，直接威胁着企业的安全生产，给企业造成较大的损失。为保证高压电机安全稳定运行，提高保护的灵敏性、可靠性，高压电机均采用安科瑞AM5SE-M电动机保护测控装置，以达到快速切断故障的目的。

1 电动机保护装置概述

     AM5SE-M电动机保护测控装置可应用于功率为2000kW及以下的高压电动机。电动机保护测控装置具有保护、测量、显示、通信等在线监测功能，通过自身完善的保护功能，对电机的轴承损坏、定转子相擦、匝间短路等产生的发热情况能起到很好的保护作用，可就地安装于高压开关柜上，通过串口或以太网通讯与电力监控系统Acrel-2000连接，监控系统可实时监控和遥控，较容易实现自动控制及在线监测。

2 保护配置及原理

AM5SE-M电动机保护测控装置具有电机的过流保护、过负荷保护、过热保护、堵转保护、启动时间过长保护、断相保护、电流不平衡保护、低电压保护及过电压保护等对电机的全套保护，并具有测量、监控、操作、故障记录和通信等各项功能，用户可根据需要自行选择投入或退出。

2.1 过流保护

AM5SE-M电动机保护测控装置中的过流保护主要用作电机内部及进线的短路保护，主要分为启动中/运行中过流一段保护、过流二段保护、反时限过流保护。

异步电动机在启动过程中电流很大，通常能达到5～8倍额定电流(Ie)，启动时间能长达几十秒。装置设两个过流一段定值，在启动过程中采用“启动时过流一段定值”，该值按躲过电动机启动电流整定，等电动机启动过程结束后，自动采用“运行时过流一段定值”，该值按电动机自启动电流和区外出口短路时电动机反馈电流考虑，取两个电流中的大者。

2.2 过热保护

过热保护是通过对电动机运行中热容量的跟踪计算来保护电动机免于因过热而缩短寿命或损坏。电动机过负荷、启动时间过长、堵转等会产生较大的正序电流；而断相、不对称短路、输入电压不对称时会同时产生较大的正序和负序电流，根据电动机定子正序和负序电流引起的发热特征，可对上述故障提供热过载保护。

用正、负序综合测量值Ieq作为等效电流来模拟电动机的发热效应，即：

其中：Ieq ：等效电流

I1：正序电流

I2：负序电流

K1：正序电流发热系数，在电机启动过程中K1＝0.5，启动完毕K1＝1

根据电动机的发热模型反时限特性，为合理保护电动机，保护的动作时间t和等效电流Ieq的关系有如下两条曲线可供选择：

1）

其中：τ：过热时间常数

I∞：允许电机长期运行的电流值，一般可设为1.1

2）

其中：τ：过热时间常数

I∞：允许电机长期运行的电流值，一般可设为1.1

Ip：过负荷前的负载电流，若过负荷前处于冷态，则Ip=0

选择上述两曲线之一进行计算，当热积累值达到τ时，装置发出告警信号或保护跳闸。

保护逻辑见图1。

图1 过热保护逻辑

2.3 堵转保护

堵转保护是防止电动机在运行时，由于转子堵塞而发生电流突然升高，以致烧毁电动机，这种情况可能出现在滚动轴承碎裂、负载转矩突然升高。在电动机启动过程中堵转保护闭锁，电机进入运行状态后堵转保护才合理。在一定意义上，堵转保护可作为电动机运行过程中短路保护的后备保护。当电动机三相电流IA、IB、IC任一相超过堵转电流定值，并有转速低信号输入，达到整定延时时间后保护跳闸。保护逻辑见图2。

图2 堵转保护逻辑

2.4 启动时间过长保护

正常的启动结束后电动机的运行电流将低于额定值或在额定值附近，而启动时间过长则是在启动时间过后电动机的运行电流仍保持较大值（一般为机械原因）。AM5SE-M电动机保护测控装置可自动识别当前过程是否为启动过程，如是则当整定的启动时间到达后，电动机的三相电流仍大于启动电流定值时，本保护动作于跳闸。

2.5 断相保护

断相保护是为了防止电动机在运行过程中发生断线而导致电动机两相运行产生过热而烧毁，断相保护功能通过检测回路电压，判断电动机回路断相故障，在检测到断相故障后，断相保护功能启动并触发延时，在设定的延时结束后发出跳闸命令。

2.6 电流不平衡保护

电流不平衡保护是为了防止因三相电流不平衡可能引起的电动机过热，当电流不平衡度超过电流不平衡度设定值，电动机处于已运行状态时，经延时，装置保护跳闸或者告警。保护逻辑见图3。

图3 电流不平衡保护逻辑

2.7 低电压保护

电动机低压运转时转矩急剧下降，会造成电动机严重过载，因此设置低电压保护。当三个线电压均小于低电压跳闸/告警定值时，经过延时，装置跳闸或者告警。为防止因PT断线使保护误动，设置有PT断线闭锁。当发生PT断线时，装置将发出告警信号并闭锁失压保护，该闭锁条件可选择投入或者退出。装置可以设置是否加入合位作为判断失压的条件，此外，装置可以根据用户使用的场合选择何时解除低电压故障信息，若投入低电压阈值投退，则装置电压小于无压定值时，保护动作即可返回，若退出低电压阈值投退，则装置电压需恢复至正常电压，才可解除故障信息。低电压保护开放条件：三个线电压有一个大于1.05倍低电压定值，且延时500ms。该条件一旦成立，低电压保护合理。

3 装置存在的问题及改造

      AM5SE-M电动机保护测控装置虽具有高压电机的全套保护功能，当出现故障保护动作后，故障已经形成，只能停车处理。装置正常运行时只是监视  电机的运行电压、电流，仅凭这些很难发现故障隐患。为尽早发现事故隐患，把事故消灭在萌芽状态，经充分研究论证后认为：电机的损坏多是绕组、轴承发热，过热保护只是综合计算电机正序和负序电流的热效应，轴承发热后如果再继续运行可能会使电机发生损坏。因此在电机内部预埋PT100电阻型温度传感器用来测量电机内部绕组、轴承温度，并将PT100与ARTM-8温度巡检仪连接，利用ARTM-8实时监测温度，同时通过RS485通讯接口将温度数据也传输至Acrel-2000电力监控系统，便于运行维护人员实时查看温度，为设备的安全、稳定运行提供了技术支持。

图4 改造后电力监控网络拓扑图

4 结语

该化工企业拥有10kV高压电机二十余台，采用AM5SE-M电动机保护测控装置后，当发生过流、短路、接地等故障时保护均能可靠动作，防止事故的进一步扩大。利用Acrel-2000电力监控系统对各回路电动机保护装置实时监控，同时也合理地监视到轴承、绕组温度明显升高的事故隐患，并及时地进行处理，确保电机运行状况良好，避免事故的扩大，保证设备安全稳定运行，为企业的连续、稳定生产提供了有力的技术保障。

参考文献

[1] 蔡泽祥，侯勇，刘振武.高压异步电动机的智能化综合保护[J].2004

[2] 蒋麦占.电动机及其驱动机械电气保护.2005

[3] 王明博.电动机微机保护监控装置在石化企业的应用

[4] 赵水星.高压电机综合保护测控装置的应用及改造

[5] 安科瑞用户变电站综合自动化与运维解决方案.2021.11月版