1、引言

    在传统的以塑壳断路器(MCCB)+交流接触器(C)+热继电器(TR)为供电元件的典型MCC(MotorControl Center)馈电回路中,以控制/联锁开关、按钮、继电器、变送器、测量仪表、信号灯实现控制、保护、联锁、测量、信号传输等功能的,用户每月需要承担大量的电机维修、检测费用;还有电机控制回路逻辑繁琐,检修维护复杂造成的设计与生产效率低下,显现出设备现状与技术发展越来越不相匹配。为适应电气系统二次设备终端智能化的发展趋势,针对MCC回路的缺点推出了新一代数字式、抗干扰型智能MCC控制保护管理装置- 马达保护器 ,其完善的控制、保护、联锁、测量、信号等功能,采用通用化设计理念,极大提高了设计与生产效率,同时降低了用户现场维护工作量;其高度集成化、智能化的设计思路,革命性地解决了传统继电保护设计的缺陷和不足,满足了现代控制系统对现场执行元件的要求和基于现场总线的智能化发展方向。

2、马达保护器发展应用现状

    马达保护器(又名电动机综合保护器)在我国上世纪80年代就已经开始使用,原50年代初引进苏联技术开发的金属片机械式电动机过载保护器(热继电器),早在1994年11月22日,国家经贸委就发出第6号令《公布淘汰落后生产能力、工艺和产品的目录》要求立即淘汰JR0—16系列热继电器,到1998年国家“八部委”又联合发出272号文件《关于公布机械工业第十八批节能机电产品推广项目的通知》,把电子型电动机保护器(马达保护器)列为节能机电产品和替代热继电器的更新换代产品,推广应用,电动机保护市场日益繁荣,目前国内生产智能低压电动机保护器的厂家有几十家,型号品牌繁多,西门子3UF系列电动机保护器、上海安科瑞ARD系列智能低压电动机保护器、深圳中电PMC系列低压电动机保护测控装置、保定尤耐特UNT-MMI智能MCC控制保护器、镇江默勒MCC3000马达控制中心的产品市场占有率较多。

    由于马达保护器仍处于产品研发发展阶段,制造厂商为了满足用户不同的使用需求,派生出很多的系列产品,种类繁多,给广大用户选型带来诸多不便,国家没有相关的单独设计标准和应用规范,也给设计者带来了盲从性和随意性,设计人员一般根据产品单位提供的模板手册进行联络设计,应用者和设计者都有被动选择的因素。因此,本文结合某铝厂改造工程实践,介绍马达保护器在该项目中的设计应用和安装注意事项。

3、马达保护器的工作原理

    在工业实践中,一方面电机因电性原因出现过负荷、缺相、层间短路及线间短路、线圈的接地漏电、瞬间过电压等造成损坏,另一方面由于机械原因,如堵转、电机转动体遇到固体时,因轴承磨损或润滑油缺乏出现热传导现象,损坏电机。这会造成严重后果。对电机进行有效的保护,以便保证生产正常运行,避免事故,降低损失。对于因电性原因出现的故障,无论是过电流还是过电压,其主要现象是电流瞬间增大,超过了电机的允许电流值而造成损坏。马达保护器根据这一原理,通过监测电机的两相(三相)线路的电流值变化进行保护,对于过电压、低电压,是通过检测电机相间的电压变化进行保护。

4、马达保护器的保护功能

    由于绝缘技术的不断发展,在电机的设计上既增加了出力,又减小了体积,使新型电机的热容量越来越小,过负荷能力越来越弱;随着生产自动化程度的提高,电机需要频繁地启动、制动、正反转以及变负荷,对电机保护装置提出了更高的要求。另外,电机常工作于环境极为恶劣的场合,如潮湿、高温、多尘、腐蚀等场合。所有这些,使得电机更容易损坏,尤其是过载、短路、缺相、扫膛等故障出现频率很高。这就更进一步要求电机使用时能够选用合理可靠马达保护器来保护电机的功能。马达保护器的功能主要有以下几个方面:①过负载和过电流的保护;②缺相保护;③逆相保护;④接地漏电保护;⑤堵转保护;⑥相不平衡保护;⑦短路保护;⑧过电压保护;⑨低电压保护;⑩过热保护。

    使用马达保护器既可减少电机的损坏,又可方便故障判断,有利于生产现场的故障处理,缩短恢复生产时间。另外,利用电机气隙磁场进行电机偏心检测,使电机磨损状态在线监测成为可能,通过曲线显示电机偏心程度的变化趋势,可早期发现轴承磨损和走内圆、走外圆等故障,做到早发现、早处理,避免扫膛事故发生。

5、马达保护器的选用原则

    在大量的工业实践中要求设备既能充分发挥电机的过载能力,又能避免损坏,提高电力拖动系统设备的可靠性和实现工业生产的连续性。结合电机应用具体的功能,选择马达保护器应综合考虑,如:电机本身的价值、负载类型、使用环境、以及电机主体设备的重要程度、电机退出运行是否对生产系统造成严重影响等因素,全面评估力争做到选型经济合理实用。

    理想的电机保护器不是功能最多,也不是所谓最先进的,而是应该满足现场实际需求,做到经济性和可靠性的统一,具有较高性价比的。根据现场的实际情况合理地选择保护器的种类、功能,考虑保护器安装、调整、使用简单方便,更重要的是要选择高质量的保护器。

5.1、马达保护器选型的基本方法

    选择马达保护器要了解电机的规格型号、功能特性、防护型式、额定电压、额定电流、额定功率、电源频率、绝缘等级等;电机的使用环境,主要指常温、高温、高寒、腐蚀度、震动度、风沙、海拔、电磁污染等;电机的用途,主要指拖动机械设备要求特点,如风机、水泵、空压机、车床、油田抽油机等不同负载的机械特性。要清楚电机的控制模式有手动、自动、就地控制、远程控制、单机独立运行、生产线集中控制等情况。启动方式有直接、降压、星三角、频敏变阻器、变频器、软起动等,以及用户对生产现场的监护管理情况,非正常性的停机对生产影响的严重程度等。同时还要考虑相关的其它因素,如安装位置、电源情况、配电系统情况等;要考虑是对新购电机配置保护,或是对电机保护升级,还是对事故电机保护的完善等;要考虑电机保护方式改变的难度和对生产的影响程度;需根据现场实际工作条件综合考虑保护器的选型和调整。全面了解这些内容是正确选择保护器的重要参考依据。

5.2、马达保护器的常见类型     目前工业应用中常见的马达保护器主要有以下几种类型:①热继电器:适用于普通小容量交流电机,工作条件良好,不存在频繁启动等恶劣工况的场合。由于精度较差,可靠性不能保证,不推荐使用。②电子型:检测三相电流值,整定电流值采用电位器或拔码开关,电路一般采用模拟式,利用反时限或定时限工作特性。保护功能包括过载、缺相、堵转等,故障类型由指示灯显示,运行电量由数码管显示。③智能型:检测三相电流值,保护器使用单片机,实现电机智能化综合保护,集保护、测量、通讯、显示为一体。整定电流采用数字设定,通过操作面板按钮来操作,用户可以根据电机具体情况在现场对各种参数修正设定;采用数码管作为显示窗口,或采用大屏幕液晶显示,能支持多种通讯协议,如Mod bus、Profi bus等,价格相对较高,用于较重要场合;目前高压电机保护均采用智能型保护装置。④热保护型:在电机中埋入热元件,根据电动机绕组的温度进行保护,保护效果好;但电机容量较大时,需与电流监测型配合使用,避免电机堵转时温度急剧上升时,由于测温元件的滞后性,导致电机绕组受损。⑤磁场温度检测型:在电机中埋入磁场检测线圈和测温元件,根据电机内部旋转磁场的变化和温度的变化进行保护,主要功能包括过载、堵转、缺相、过热保护和磨损监测,保护功能完善,缺点是需在电机内部安装磁场检测线圈和温度传感器。

5.3、结合工程实际谈谈保护器类型的选择

    在某铝厂气化及循环水改造项目中,①环境条件:环境温度为年均18.0℃,降水量为年均1301.4mm,蒸发量为年均109.07mm,湿度为年均相对湿度80%;②供电条件:额定电压为380V,额定频率为50Hz,额定控制与操作电压为AC 220V/DC 220V,电压波动为额定电压的±70%,频率波动为额定频率的±2.5%;③接线方式:三相五线制,中性点直接接地。

    适应于电动机的直接在线启动,电动机保护器采用分体显示,保护模式接线,并要求具有模拟量输出,电流模拟量上传DCS,根据以上要求后建议用户在选型时充分考虑电动机保护实际,合理选择保护功能和保护方式,才能达到良好的保护效果,提高设备运行的可靠性,减少保护干扰性停车,减少停机事故损失,考虑所控制电动机的配合参数,掌握电机的规格型号、功能特性、防护类别及额定的电压、电流、功率、频率、绝缘等级等;考虑马达保护器使用环境条件,环境温度、腐蚀度、震动度、风沙等自然条件,综合考虑被控制电动机的用途,马达保护器控制风机、水泵、空压机、车床、油田抽油机等不同负载机械特性的回路设计模式是不同的,控制模式有手动、自动、就地控制、远程控制、单机独立运行、生产线集中控制等情况;启动方式有直接、降压、星三角、频敏变阻器、变频器、软起动等启动方式。

    针对该工程工作条件恶劣,对可靠性要求高,涉及自动化生产线的电动机,选用中高档、功能较全的智能型保护器。经过详细比较选择了型号为:YD2310、YD2310T两类马达保护器。

    此款马达保护器具有电流、电压等十几种保护,满足各种启动方式,采用LCD显示,具备全电量测量、两路RS-485接口通讯(ModBus-RTU通讯协议)、一路DC 4-20mA输出可选。此款马达保护器结构新颖、经济实惠、安装方便、显示控制分体式。可以适应此项目工程内电动机的多种控制方式;针对用户对生产现场监护管理比较严谨,非正常性的停机对生产的影响较大,而且马达保护器主要是应用在PLC系统,是由人操作监控的生产线,也要充分考虑通讯协议规约方式;还考虑到电器产品升级换代较快,功能日益强大,在选型时注重考虑企业未来的发展及使用产品的拓展问题,还要结合安装位置、电源情况、与配电系统的配合等相关因素;比如马达保护器的电流互感器一般装在塑壳断路器的二次下游,一旦出现故障,马达保护器启动保护,塑壳断路器跳闸,马达保护器单元有记忆功能,可存储故障记录;最终决定选择这款产品。并且在需要电能、功率因数测量的回路直接选用具备该功能的马达保护器,避免重复选用相关测量数显表;节省了开支,降低了成本。

    生产实践证明,选择的这款产品对电机起到了很好的保护作用,。

5.4、马达保护器安装使用时应注意的事项

    马达保护器的智能化和电子模块的集成化,在低压配电设备内安装应用,首先要注意合理布局,遵循控制单元与执行单元,馈电单元与测量单元、强电元件与弱电元件分开布置组装的原则;在同一个低压配电盘柜、箱内安装多个马达保护器时,马达保护器要集中布置、同方向安装,并且马达保护器之间的通讯线要串联连接好,网络连接线端子要留在盘柜、箱体容易引出部位的接线端子处;盘柜内通讯线由盘柜箱制造厂家配置连接,盘柜箱之间的网络连接线应由安装单位施工,要提前界定清楚;马达保护器所匹配的电流互感器不能等同于普通的电流互感器,该电流互感器是经过特殊制作的,控制器本体提供的电流输入端子(IA、IB、IC、IN)只能接控制器配套的电流互感器模块,绝不允许接入其它外部电流互感器的电流输入线;马达保护器配套的电流互感器安装时应注意主回路A、B、C三相分别对应互感器的A、B、C三相,穿线时须注意互感器的进出线方向一致、顺序一致,即按ABC、BCA、CAB正序方向接入,最好在通电前用相序表校好相序,绝不允许ACB、CBA、BAC逆序接入,否则负序电流出现致使马达保护器不能正常工作;要注意电流互感器CT变比数的正确设置,否则网络监控系统因设备运行电流不正常报警停机或显示异常;设置马达保护器控制器开关量输入闭点、开点的单支路单开关量接入线路,设置其接点开、闭点输入状态有效性时,要与开关的硬接点工作状态相对应,控制器单支路有逻辑互锁关系的开闭点,尽量与开关的硬接点本身状态要相对应;尤其要注意每台马达保护器的控制通讯地址是唯一的;马达保护器的参数设置、状态设置根据设计选型和马达保护器手册规约进行,至于控制器的十几种保护功能,要根据所用设备选用,不必全启用,避免次要保护因素的干扰。只有将马达保护器安装好、设置好、应用好才有能力保护好电机。

6、结论

    结合工程实践,介绍了马达保护器应用、设计选型和安装需注意的事项,对节约投资、合理利用马达保护器保护电机十分必要,掌握这些基本要领是工程技术人员在实际工程中必备的技能。
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