淺談提升機類設備電動機保護器的保護范圍及優化
更新時間：2022-02-24
瀏覽次數：453
陳志豪
安科瑞電氣股份有限公司 上海嘉定201801
摘要:介紹了提升機的不同保護措施，分析了電動機保護器對提升機設備的保護范圍。針對提升機類的設備提出定值優化和增加DCS系統輔助保護的措施，并對可靠性進行了驗證，可以做到更加準確地保護負載設備。
關鍵詞:提升機；電動機保護；DCS輔助保護
0 引言
我公司提升機等設備的電氣保護主要由電動機保護器實現，但通過電動機電流間接保護會存在一定的保護范圍，如對提升機料斗脫落等故障就無法提供保護。本文分析電動機保護器保護的局限性，介紹了優化的保護措施。
1電動機保護器的主要保護功能
1.1短路保護
短路保護主要針對電動機電纜或繞組出現的短路故障，短路保護動作邏輯見圖1。任意一相電流超過設定值就應立即保護動作，所以電流定值一般為額定電流的5~7倍，動作延時0s。提升機在運行時幾乎不可能達到相應整定電流，因此該保護僅對電動機具有保護作用，對提升機其他部件沒有保護作用。
圖1短路保護動作邏輯
1.2過載保護
過載保護是針對電動機電流超過電動機負載能力，且經過一定延時再啟動的保護動作，其動作邏輯見圖2。電流定值一般設定為電動機額定電流的1.1~1.3倍，延時20~60s。該保護主要也是保護電動機，對提升機其他部件保護作用不大。
圖2過載保護和過負荷保護動作邏輯
1.3過負荷保護
過負荷保護是針對負載設備（提升機）超出正常負荷情況下，經過一定延時再啟動的保護動作，其動作邏輯與過載保護相同，電流的定值是正常運行負荷下電流的1.1~1.3倍，根據負荷特性延時20~60s。該保護是針對負載設備超出正常運行電流的一種保護，在一定范圍內可以保護負載設備。
1.4堵轉保護
堵轉保護是針對電動機或負載設備出現卡澀堵轉故障時，經過一定延時再啟動的保護動作，其動作邏輯見圖3。電流定值一般設定為電動機額定電流的3~5倍，延時1~10s。該保護與過載、過負荷保護不同，在電動機啟動完成后才會投入該保護功能，不用考慮提升機重載啟動對定值的影響。同時保護電動機及負載設備。
圖3堵轉保護動作邏輯
2存在的問題
1）過負荷定值不合理
我公司提升機或膠帶機設備由于存在重載啟動等特殊情況，所以設備廠家在電動機選型時會考慮到重載情況下的啟動能力，比如，一臺提升機正常運行電流為100A，空載啟動200A，但是重載啟動可以達到500A，那么就需要以500A啟動作為選型依據，選取額定電流為200A的電動機進行拖動。
但在做保護定值計算時，設備并未投產運行，所以過負荷保護一般是以電動機額定參數作為計算依據。一般過負荷系數在1.1~1.3倍之間，存在重載啟動的設備一般會取值1.3倍，那么額定電流為200A的電動機過負荷電流取值為260A。由于過負荷為電流低倍數保護，防止負荷正常波動引起誤動作，所以動作延時一般在20~60s之間，時間過長。
2）堵轉保護可以優化
堵轉保護一般用于設備已經出現嚴重卡澀或電動機已經堵轉情況，所以電流定值設置一般都較大，無法保護一些較小的故障。但是我們可以利用堵轉保護是在電動機啟動完成后才投入的特點，進一步優化定值，不用再考慮電動機啟動電流的影響。
3）負載設備保護過于依賴于電動機保護器不同于風機、水泵等單一設備，提升機或膠帶機為復雜程度相對較高的設備，某元件（如料斗、托輥等）發生故障時，往往在電流特征上反映程度較小或傳遞時間較長，但對設備的傷害卻較大。所以可以使用DCS軟保護來監控。
3案例分析
2020年6月10日23:56，我公司4線燒成車間入窯提升機發生料斗脫落故障，故障期間投料量及電動機電流變化見圖4。由于是個別料斗脫落，電流上升后又迅速回落，電動機保護器未動作。故障發生過程分析如下：
（1）23:56:10，電流145A，投料477t/h，開始出現料斗脫落導致刮擦。
（2）23:56:50，電流158A，投料478t/h，電流開始迅速上升。
（3）23:56:55，電流297A，投料477t/h，瞬時卡澀嚴重，電流上升至297A，中控開始減料。
（4）23:57:22，電流132A，投料50t/h，減料至低點后，中控又開始重新投料。
（5）23:58:04，電流261A，投料284t/h，中控重新投料至450t/h左右后，電流發生二次快速上升，電流升至261A，磁力耦合器過載保護啟動，電流快速下降至72A左右。
（6）23:58:32，電流72A，投料54t/h，中控重新開始投料，但是磁力耦合器已過載脫開，電動機運轉但提升機未運轉，所以電動機電流不會增長。
（7）00:04:27，電流73A，投料43t/h，停止投料。
（8）00:06:06，電流73A，投料0t/h，停提升機。
電動機保護器主要定值見表1。
表1電動機保護器主要定值
從故障實際電流和電動機保護器定值來看，整個過程只有在3#點位的電流297A超過了過負荷保護定值276A，但是故障電流持續時間不到1s，持續時間未超過過負荷保護的定值，所以保護器跳閘出口未輸出。
4定值優化和保護方式
1）定值優化
電動機保護器可以保護負載的功能只有過負荷保護和堵轉保護，但過負荷保護只要保護器通電就投入，為了避開重載啟動，需要有較長延時，所以對于電流不能長時間保持高位的故障起不到太大作用。
堵轉保護功能的主要特點是可以在電動機啟動完成后再投入，因此，可以不用考慮啟動的影響。如果將4#入窯提升機堵轉保護電流定值改為200A，時間定值改為2s，那么此次故障有兩個電流波峰均可以啟動保護動作。一次超過200A電流持續時間為4s，二次超過200A電流持續時間為6s，見圖5。
圖5部分電流波峰
由于保護器電流無法根據產量進行實時調整，所以在不同工況下保護范圍也可能不一樣，如6月10日4#線入窯提升機在未投料狀態下發生故障，空載電流66A+故障上升電流150A=216A，但是超過200A的保持時間不足1s，所以電動機保護器仍然不會動作。
2）DCS系統電流保護
引用DCS電流保護作為補充保護措施。DCS可以實時根據投料量與提升機電流對應關系，做分段保護，不同的投料量對應不同的保護定值。
根據前期4#窯點火投料情況，計算出投料量和提升機電動機電流對應關系，并乘以1.3倍可靠系數（1.1~1.3），得出保護電流定值，均加以延時2s防誤動。詳見表2。
表2DCS保護電流定值
按6月10日晚故障情況做驗證，當晚投料量477t/h，對應關系表中480t/h，保護電流188.5A，延時2s。
根據電流波形圖（見圖6）發現，兩次電流超過188.5A的時間分別為5s和8s，*保護動作條件，所以在一次電流波峰23:56:55時就已經動作，比磁力耦合器保護動作（23:58:05）早1min10s，比中控操作停機（00:06:08）早9min13s。
圖6電流波動趨勢
5安科瑞智能電動機保護器介紹
5.1產品介紹
智能電動機保護器(以下簡稱保護器)，采用單片機技術，具有抗干擾強、工作穩定可靠、數字化、智能化、網絡化等特點。保護器能對電動機運行過程中出現的過載、斷相、不平衡、欠載、接地/漏電、堵轉、阻塞、外部故障等多種情況進行保護，并設有SOE故障事件記錄功能，方便現場維護人員查找故障原因。適用于煤礦、石化、冶煉、電力、以及民用建筑等領域。本保護器具有RS485遠程通訊接口，DC4-20mA模擬量輸出，方便與PLC、PC等控制機組成網絡系統。實現電動機運行的遠程監控。
5.2技術參數
5.2.1數字式電動機保護器
5.3產品選型
說明：“√”表示具備，“■”表示可選。
6結束語
電動機保護器主要目的是保護電動機，在過負荷和堵轉保護上可以在一定程度上保護負載設備，但是范圍有限，特別對多組成部分的復雜設備某單元發生故障保護更有限。因此，可以引入DCS系統找到不同工況下的正常運行電流，經過計算得出比較合理的保護值，進行分段保護，可以做到更加準確地保護負載設備。
參考文獻
[1]劉理桃.提升機類設備電動機保護器的保護范圍及優化
[2]安科瑞企業微電網設計與應用手冊.2020.06版
作者簡介：陳志豪，安科瑞電氣股份有限公司，主要研究方向為智能電網供配電
