馬達保護器在礦山電機控制系統中的選型與應用

徐霜

安科瑞電氣股份有限公司 上海嘉定20180

摘要：近年來，隨著電子技術、計算機技術、總線技術的迅速發展，智能馬達保護器以其*的性能逐漸替代傳統的熱繼電器成為電動機保護及綜合控制的發展趨勢。礦山電機系統中存在大量的大功率交流異步電機，其運行工況對電機控制及保護系統提出了較高的要求。在介紹了智能馬達保護器原理功能和選型的基礎上，深入探討了智能馬達保護器在礦山電機控制系統的綜合應用及其不可取代的技術和經濟優勢。

關鍵詞：智能型異步電動機；保護器；選擇；應用；經驗

       山東黃金三山島金礦8000t／d選礦工程是山東黃金集團的項目，項目組經過反復實踐和技術選型，確定整個工程中的電機保護采用先進的智能馬達保護器，取代傳統的熱繼電器，并利用先進的總線通訊技術，*擺脫原始的“硬接線”控制方式，實現電機保護及控制的自動化，根據現場實際應用情況來看，已取得了顯著的經濟效益。

1工作原理與系統功能

       電機往往因電性原因出現過負荷、缺相、層間短路及線間短路、線圈的接地漏電、瞬間過電壓的流入等造成損壞。對于因電性原因出現的故障，無論是過電流還是過電壓，主要是因為電流瞬間放大，超過了電機的負載電流值而造成損壞。馬達保護器根據這一原理，通過監測電機的兩相(三相)線路的電流值和相電壓的變化，進行電機的保護。

       智能馬達保護器通常由電流傳感器、比較電路、單片機、出口繼電器等幾部分組成，傳感器將電動機的電流變化線性地反映至保護器的采樣端口，經過整流、濾波等環節后，轉換成與電動機電流成正比的直流電壓信號、送到相應部分與給定的保護參數進行比較處理，再經單片機回路處理，推動功率回路，使繼電器動作。當電機由于驅動部分過載導致電流放大時，從電流傳感器取得的電壓信號將放大、此電壓值大于保護器的整定值時，過載回路工作，RC延時電路經過一定的(可調)延時，驅動出口繼電器動作，使接觸器切斷主回路。欠壓及缺相保護等功能的工作原理基本相同”。

       完善的馬達保護是對馬達運行過程中的各種運行狀況的詳細信息進行采集跟蹤，通過對故障報警、保護動作(保護脫扣)以及動作延時時間的設定來實現及時準確的保護，保證生產的順利。利用總線通訊，可以在上位機上對馬達運行狀況的詳細信息進行實時監測，并經計算機數據處理提供管理信息。在設備可能產生重大故障前，越限報警可及時提醒管理人員進行處理，避免了不必要的停機而對正常生產造成影響，保證設備運行的有效性。當馬達運行參數達到預置的報警值時，保護裝置僅進行報警，不觸發脫扣；但當越限值達到預置的脫扣值時，保護裝置進入脫扣觸發延時。在預置脫扣延時時間內若設備恢復正常運行，則取消脫扣執行；而如果超過延時時限，則保護裝置發出脫扣信號，驅動執行元件動作，停止電機運行。在馬達控制裝置實現各項保護功能的同時，各種保護信息也由裝置生成，并經通信接口上送至計算機管理系統。

2設備選型

       三山島金礦通過多方論證，并經過嚴格的電氣設備招投標后，工程選擇了性能價格好的ABB公司產品M102一P，M102一P智能馬達保護器采用現場總線技術，具有強大的電動機控制和保護功能及參數測量與顯示功能。控制功能包括直接起動、正反轉、雙速、星三角、閥門控制等；保護功能覆蓋了過載保護、欠壓保護、堵轉保護、三相不平衡與斷相保護、漏電保護、電動機熱保護等；可測量與顯示三相電流、三相電壓、有功功率、無功功率、功率因素、電度量及報告故障類型、電動機運行維護信息等。

       M102一P額定工作電壓為DC24V，按開關量外部輸入電源劃分，可分為AC240V、DC24V兩種，前者有9點開關量輸入，后者有13點開關量輸入。考慮到8000t／d選礦廠皮帶輸送機都安裝有打滑開關、撕裂開關、拉繩開關、一二級跑偏開關，所需開關量輸入較多，故為所有皮帶輸送機配置了開關量輸入電源為DC24V的M102一P，其他風機泵類設備均配置了開關量輸入電源為AC240V的M102一P。M102一P采用電流互感器直接輸入，輸入信號不需變送器變換，M102一P內置了一次側輸入電流為0．5～63A的電流互感器，由于8000Vd選礦廠大型電機較多，為方便互換及減少備件的種類，對于一次額定電流60A以上的電機，我們采用在主回路裝設外接電流互感器的方式，將一次電流變為小于5安培的二次電流，再接人量程為5安培的馬達保護器，使大型設備也得到了有效的控制和保護。

       三山島金礦8000t／d選礦工程為M102一P配置了MD2型操作面板，操作面板集成了儀表、指示燈、按鈕的功能及故障檢測功能，通過操作面板提供的調試接口，用筆記本電腦就可很方便地對M102一P進行現場設置及在線編程。8000t／d選礦廠低壓配電系統采用了新型的MNS系列低壓抽屜式開關柜，因而可以將MD2安裝在開關抽屜的活動面板內，這樣既簡化了柜內接線又保持了柜面的統一性和美觀性；使得配電室內的設備運行情況及故障狀態一目了然，方便了系統和檢修維護。在8000t／d選礦廠工程設計上，由于系統的自動化控制要求較高，所以我們提出了對馬達保護器的通訊要求。M102一P智能馬達保護器采用現場總線技術，通過RS485接口，采用ProfibusDP通訊協議與上層通訊系統進行通訊，使用PLC作為ProfibusDP主站，M102一P作為從站。8000Vd選礦廠共有15個低壓配電室，每個配電室均有PLC站，各配電室的M102一P通過總線型連接方式掛到網絡上，為保證通訊傳輸速率，每個總線上不超過20個節點，各配電室PLC站通過光纖與控制室主PLC構成環網，將M102一P數據上傳至上位機，快速響應上位機的實時查詢等要求并執行相應操作，為電氣操作及工藝控制人員通過計算機瀏覽生產負荷和生產過程的情況，及時調整生產進度，預防和處理突發事故。

3效益分析

       三山島金礦8000Vd選礦廠于2013年達產，試車期間電力系統運行平穩，為達產做出了重要保證。馬達保護器前期投資大，但后期收益可觀。其經濟效益主要體現在能大幅降低后期維護費用、減員增效、創造良好的社會效益等方面。

(1)硬件投資

       設備及零部件使用分析：項目共采購160臺M102一P馬達保護器及配件，投資120萬元；增加了馬達保護器后，可節省160個熱繼電器。現場總線系統的智能設備分散在各配電室，能直接執行控制和計算功能，可減少大量的變送器及調節器、計算單元等，也不再需要DCS系統的信號傳輸處理單元及其大量復雜的硬線連接，與采用硬接線連接相比，PLC系統可減少23個32點DI模塊，1O個32點DO模塊，1O個16點AI模塊，還可節省160個品牌電流變送器。按照以上設備招標價格計算，除去馬達保護器，設備投資可節省22萬元。

       電纜使用及安裝費用分析：按照配電柜離儀控柜之間的距離15m計算，如果采用硬接線方式，每個節點需敷設KW14$1．5電纜和DJYPVP121．5電纜，如果安裝馬達保護器則每個配電室平均敷設20mDP電纜即可。現場總線系統的接線十分簡單，一條通信總線上可掛接幾個甚至上百個設備，節省安裝附件，安裝工作量大大減少，設計及接線校對的工作量也大大減少。資料顯示，與DCS相比，現場總線系統的安裝費用可節省60％以上。按照電纜招標價格及安裝工程定額計算，此項可節省投資4萬元。

       從硬件投資來看，從傳統的熱繼電器更換為智能馬達保護器需一次性投資94萬元。

(2)減少維護維修費用，達到減員增效的目的

       由于馬達保護器具有自診斷及一定的故障處理能力，可以早期分析與排除故障，短維護停工時間。同時，由于系統結構簡化、接線簡單，減少了維護工作量。加裝馬達保護器后，每年可減少電動機燒毀事故，總容量在500kW左右，每年可節約電機更換或維修費用約15萬元；換裝智能馬達保護器后，8000Vd選礦廠電氣維護人員可比原來減少4人，4人年工資共計25萬；由于馬達保護器保護的都是重要電機設備，換裝智能馬達保護器后，選廠設備故障停機率可由3％o降低到2‰，即每年可減少停車時間7．92小時，按照含金量為2克／噸，回收率為0．95，金價為280元／克計算，由此產生的經濟效益為57萬元。

       綜上所述，8000t／d選礦廠項目對智能馬達保護器需一次性投資94萬元，在達產運行后，每年可產生的經濟效益為97萬元。

4安科瑞ARD系列智能電動機保護器介紹與綜合選型

4.1產品簡介

       ARD該系列低壓電動機保護器，具有過載、斷相、不平衡、欠載、接地/漏電、堵轉等保護功能。可與接觸器、電動機起動器等電器元件構成電動機控制保護單元，具有遠程自動控制、現場直接控制、面板指示、信號報警、現場總線通信等功能。應用范圍：可廣泛應用于煤礦、石化、冶煉、電力、建筑等行業的配電領域。

4.2產品選型

5結束語

       智能馬達保護器性能先進，能對低壓電機提供一整套專業化的集控制、保護與監測于一體的智能化管理模式，是過程控制系統電動機智能化管理的理想選擇，為8000Vd選礦廠產生了良好的經濟效益。因此，廣泛采用智能馬達保護器，不但可以提高選礦廠工藝控制的準確性、科學性，降低事故率，而且對于提高三山島金礦選礦廠電氣控制系統的自動化水平起到推動作用。

【參考文獻】 

【1】高文東,李錦昕,宋運偉,淺談電動機智能保護器的工程應用[J].氯堿工業,2004(2):41—43

【2】李濤,蘆新濤,段銀聯,智能馬達保護器在礦山電機控制系統中的應用

【3】安科瑞企業微電網設計與應用手冊，2019.11版