浅谈提升机类设备电动机保护器的保护范围及优化

摘要:介绍了提升机的不同保护措施，分析了电动机保护器对提升机设备的保护范围。针对提升机类的设备提出定值优化和增加DCS系统辅助保护的措施，并对可靠性进行了验证，可以做到更加准确地保护负载设备。
 
关键词:提升机；电动机保护；DCS辅助保护
 
0 引言
      我公司提升机等设备的电气保护主要由电动机保护器实现，但通过电动机电流间接保护会存在一定的保护范围，如对提升机料斗脱落等故障就无法提供保护。本文分析电动机保护器保护的局限性，介绍了优化的保护措施。
 
1电动机保护器的主要保护功能
1.1短路保护
      短路保护主要针对电动机电缆或绕组出现的短路故障，短路保护动作逻辑见图1。任意一相电流超过设定值就应立即保护动作，所以电流定值一般为额定电流的5~7倍，动作延时0s。提升机在运行时几乎不可能达到相应整定电流，因此该保护仅对电动机具有保护作用，对提升机其他部件没有保护作用。

图1短路保护动作逻辑
1.2过载保护
      过载保护是针对电动机电流超过电动机负载能力，且经过一定延时再启动的保护动作，其动作逻辑见图2。电流定值一般设定为电动机额定电流的1.1~1.3倍，延时20~60s。该保护主要也是保护电动机，对提升机其他部件保护作用不大。

图2过载保护和过负荷保护动作逻辑
1.3过负荷保护
      过负荷保护是针对负载设备（提升机）超出正常负荷情况下，经过一定延时再启动的保护动作，其动作逻辑与过载保护相同，电流的定值是正常运行负荷下电流的1.1~1.3倍，根据负荷特性延时20~60s。该保护是针对负载设备超出正常运行电流的一种保护，在一定范围内可以保护负载设备。
1.4堵转保护
      堵转保护是针对电动机或负载设备出现卡涩堵转故障时，经过一定延时再启动的保护动作，其动作逻辑见图3。电流定值一般设定为电动机额定电流的3~5倍，延时1~10s。该保护与过载、过负荷保护不同，在电动机启动完成后才会投入该保护功能，不用考虑提升机重载启动对定值的影响。同时保护电动机及负载设备。

图3堵转保护动作逻辑
 
2存在的问题
      1）过负荷定值不合理
      我公司提升机或胶带机设备由于存在重载启动等特殊情况，所以设备厂家在电动机选型时会考虑到重载情况下的启动能力，比如，一台提升机正常运行电流为100A，空载启动200A，但是重载启动可以达到500A，那么就需要以500A启动作为选型依据，选取额定电流为200A的电动机进行拖动。
      但在做保护定值计算时，设备并未投产运行，所以过负荷保护一般是以电动机额定参数作为计算依据。一般过负荷系数在1.1~1.3倍之间，存在重载启动的设备一般会取值1.3倍，那么额定电流为200A的电动机过负荷电流取值为260A。由于过负荷为电流低倍数保护，防止负荷正常波动引起误动作，所以动作延时一般在20~60s之间，时间过长。
      2）堵转保护可以优化
堵转保护一般用于设备已经出现严重卡涩或电动机已经堵转情况，所以电流定值设置一般都较大，无法保护一些较小的故障。但是我们可以利用堵转保护是在电动机启动完成后才投入的特点，进一步优化定值，不用再考虑电动机启动电流的影响。
      3）负载设备保护过于依赖于电动机保护器不同于风机、水泵等单一设备，提升机或胶带机为复杂程度相对较高的设备，某元件（如料斗、托辊等）发生故障时，往往在电流特征上反映程度较小或传递时间较长，但对设备的伤害却较大。所以可以使用DCS软保护来监控。
 
3案例分析
      2020年6月10日23:56，我公司4线烧成车间入窑提升机发生料斗脱落故障，故障期间投料量及电动机电流变化见图4。由于是个别料斗脱落，电流上升后又迅速回落，电动机保护器未动作。故障发生过程分析如下：
      （1）23:56:10，电流145A，投料477t/h，开始出现料斗脱落导致刮擦。
      （2）23:56:50，电流158A，投料478t/h，电流开始迅速上升。
      （3）23:56:55，电流297A，投料477t/h，瞬时卡涩严重，电流上升至297A，中控开始减料。
      （4）23:57:22，电流132A，投料50t/h，减料至低点后，中控又开始重新投料。
      （5）23:58:04，电流261A，投料284t/h，中控重新投料至450t/h左右后，电流发生二次快速上升，电流升至261A，磁力耦合器过载保护启动，电流快速下降至72A左右。
      （6）23:58:32，电流72A，投料54t/h，中控重新开始投料，但是磁力耦合器已过载脱开，电动机运转但提升机未运转，所以电动机电流不会增长。
      （7）00:04:27，电流73A，投料43t/h，停止投料。
      （8）00:06:06，电流73A，投料0t/h，停提升机。
电动机保护器主要定值见表1。
表1电动机保护器主要定值

      从故障实际电流和电动机保护器定值来看，整个过程只有在3#点位的电流297A超过了过负荷保护定值276A，但是故障电流持续时间不到1s，持续时间未超过过负荷保护的定值，所以保护器跳闸出口未输出。
 
4定值优化和保护方式
      1）定值优化
电动机保护器可以保护负载的功能只有过负荷保护和堵转保护，但过负荷保护只要保护器通电就投入，为了避开重载启动，需要有较长延时，所以对于电流不能长时间保持高位的故障起不到太大作用。
      堵转保护功能的主要特点是可以在电动机启动完成后再投入，因此，可以不用考虑启动的影响。如果将4#入窑提升机堵转保护电流定值改为200A，时间定值改为2s，那么此次故障有两个电流波峰均可以启动保护动作。一次超过200A电流持续时间为4s，二次超过200A电流持续时间为6s，见图5。

图5部分电流波峰
      由于保护器电流无法根据产量进行实时调整，所以在不同工况下保护范围也可能不一样，如6月10日4#线入窑提升机在未投料状态下发生故障，空载电流66A+故障上升电流150A=216A，但是超过200A的保持时间不足1s，所以电动机保护器仍然不会动作。
      2）DCS系统电流保护
      引用DCS电流保护作为补充保护措施。DCS可以实时根据投料量与提升机电流对应关系，做分段保护，不同的投料量对应不同的保护定值。
      根据前期4#窑点火投料情况，计算出投料量和提升机电动机电流对应关系，并乘以1.3倍可靠系数（1.1~1.3），得出保护电流定值，均加以延时2s防误动。详见表2。
表2DCS保护电流定值

      按6月10日晚故障情况做验证，当晚投料量477t/h，对应关系表中480t/h，保护电流188.5A，延时2s。
      根据电流波形图（见图6）发现，两次电流超过188.5A的时间分别为5s和8s，完全满足保护动作条件，所以在一次电流波峰23:56:55时就已经动作，比磁力耦合器保护动作（23:58:05）早1min10s，比中控操作停机（00:06:08）早9min13s。

图6电流波动趋势
 
5安科瑞智能电动机保护器介绍
5.1产品介绍
      智能电动机保护器(以下简称保护器)，采用单片机技术，具有抗干扰能力强、工作稳定可靠、数字化、智能化、网络化等特点。保护器能对电动机运行过程中出现的过载、断相、不平衡、欠载、接地/漏电、堵转、阻塞、外部故障等多种情况进行保护，并设有SOE故障事件记录功能，方便现场维护人员查找故障原因。适用于煤矿、石化、冶炼、电力、以及民用建筑等领域。本保护器具有RS485远程通讯接口，DC4-20mA模拟量输出，方便与PLC、PC等控制机组成网络系统。实现电动机运行的远程监控。
5.2技术参数
5.2.1数字式电动机保护器



 
5.3产品选型


说明：“√”表示具备，“■”表示可选。
 
6结束语
      电动机保护器主要目的是保护电动机，在过负荷和堵转保护上可以在一定程度上保护负载设备，但是范围有限，特别对多组成部分的复杂设备某单元发生故障保护更有限。因此，可以引入DCS系统找到不同工况下的正常运行电流，经过计算得出比较合理的保护值，进行分段保护，可以做到更加准确地保护负载设备。
 
参考文献
[1]刘理桃.提升机类设备电动机保护器的保护范围及优化
[2]安科瑞企业微电网设计与应用手册.2020.06版
 
作者简介：陈芳芳，女，安科瑞电气股份有限公司，主要研究方向为智能电网供配电