智能型電動機保護器在某水泥廠的應用

徐霜

（安科瑞電氣股份有限公司，上海 嘉定  201801）

摘要：電動機設備是水泥企業中應用zui廣泛的動力裝置，而水泥生產企業屬于能耗高、污染大又需要設備連續不間斷工作的行業，電動機作為水泥行業設備的動力來源，其安全、穩定可靠的運轉對水泥行業的平穩生產起著至關重要的作用，本文綜合介紹安科瑞ARD3智能型電動機保護器在某水泥廠的實際應用，并闡述了ARD3智能型電動機保護器產品的特點及其智能化保護、測量、控制和通訊等，供工程設計中參考。

關鍵詞：水泥行業、電動機保護、智能化、通訊

一、 引言

     隨著現代化水泥工業生產規模增大，生產設備也越來越大型化，因此所需用的拖動電動機的功率也越來越大。水泥廠生產工藝流程較復雜，可以總結水泥生產過程為生料制備（一磨）、熟料煅燒（一燒）、水泥粉磨（二磨）。因此，低壓電動機作為水泥生產過程中zui常用的機組，數量多、種類復雜，隨著科學技術的不斷進步和工藝控制過程的不斷完善，尤其是自動化生產要求，迫切需要開發和完善電動機的控制和保護設備，實現對整個自動化生產過程和大型機械的遙控、遙測、遙調、故障診斷以及集中控制等功能^[1]。

    水泥生產是一項較龐大的工程，生產流程的環境比較惡劣，粉塵污染嚴重，通風條件差，工作場所溫度較高，而且需要設定大量的工作站點，包括原料控制站、破碎站、原料粉磨站、熟料庫控制站、水泥磨控制站、水泥包裝控制站等，然而在這些站點中使用了大量低壓電動機來控制其他設備的運行，運用簡單的電壓表、電流表、電能表和頻率表等受到通信功能不夠靈活、儀表功能單一等多種條件的約束，已經無法滿足電廠設備自動化生產的要求。水泥行業生產過程的特點為長周期運行，一旦開機，在沒有特殊情況下，一般不會停機，現代化大型水泥企業年運轉率很高，這樣就有高質量的、可靠的電氣設備保證其生產過程的連續不間斷性，一旦故障停機就會造成巨大的經濟損失。特別是大型高壓電動機，一般都拖動球磨機、回轉窯、風機等重載啟動設備，對其制造質量和使用要求都很高，正確的安裝、使用、維護、保養，才能保證長周期的運轉，為企業創造更高的經濟效益。而智能型電動機保護器可實現重載起動，實現對電動機的溫度保護，還提供多種測控功能和控制模式，能夠滿足水泥生產過程對電機設備的保護、控制要求，不僅能提高電機設備的運行能力、延長電機設備的使用壽命，而且能提高企業生產效率、節約能源。本文以ARD3智能型電動機保護器在水泥生產中的實際應用進行具體介紹。

二、水泥生產對保護器的功能要求

    水泥行業電機是大容量、高負荷連續運轉的設備，電動機長期承受多大負荷，就會使溫度上升過高而損壞絕緣，縮短電動機的使用壽命，因此，對水泥生產過程中電機設備的可靠性、穩定性及功能要求非常高。在生產運行或設備檢修過程中，常見的電動機故障可分為以下幾種：

   1、機械故障

   1）掃膛：由于軸承損壞、軸彎或者檢修人員裝配不當，導致定轉子產生摩擦；

   2）軸承損壞：由于軸承裝配不當、定/轉子鐵心軸向錯位或重新對轉軸機加工后精度不夠、電動機本體運行溫升過高等；

   3）振動：由于電動機本身或傳動裝置不良等。

   2、電氣故障

   1）缺相運行：電動機發生堵轉時電流比正常工作的電流大得多。在此情況下，運行時間過長或過于頻繁起動，將會導致電動機繞組燒毀；

   2）繞組短路或接地：匝間短路的zui大原因是電機溫度異常升高而導致的，而接地故障大多是由于繞組絕緣損壞；

   3）三相電流不平衡：由于電動機外部電源電壓不平衡或內部繞組匝間短路或電動機維修時線圈匝數錯誤或接線錯誤等。

   因此，對某水泥廠電機設備進行的維護是很有必要的，對ARD3智能型電動機保護器具體功能要求如下：

  （1）完善的電機保護功能

    保護器通過采集電路中的三相交流電流、三相交流電壓、剩余電流、PTC熱電阻阻值、電動機電能等電力參數，以及電動機運行過程中的各種運動狀態等信號，經保護器內部處理運算，從而實現對電動機起動超時、過載、阻塞、欠載、斷相、三相電流不平衡、剩余電流（接地/漏電）、溫度、外部故障、相序、過壓、欠壓、欠功率、過功率等綜合保護，進而保證水泥廠生產工作的安全連續運行。

   （2）及時排除電動機運行故障功能

    水泥生產現場電動機運行過程中通過電動機保護器對電機設備進行檢測，當電動機出現狀況時應及時發出報警信號，并記錄故障信息，方便維護人員查找故障原因并作出及時的處理，保證故障發生時電機設備動作的可靠性和靈敏性。

   （3）對各設備進行遠程監測功能

    水泥生產現場環境較惡劣，保護器不僅要提供電機設備的保護功能，而且要能夠過RS-485通訊接口，經過Modbus-RTU/Profibus-DP通訊協議與上位機管理系統進行通訊連接，實現實時監測電動機的運行狀態以及運行過程中的電力參數，保證后臺操作人員能讀取、修改水泥成產現場電動機保護器的各種整定參數并通過后臺人機界面實時觀察當前現場電動機控制回路的工作狀態、供電電源質量等，實現遠程監控。

三、典型工程應用案例

    在水泥行業工程應用中，由于水泥生產流程復雜，電動機裝置數量較多，因此需要選用安科瑞ARD3智能型電動機保護器來對工業現場電機設備進行保護，既能使電動機充分發揮其過載能力，又能提高電力拖動系統的可靠性和生產過程的連續性。水泥廠采用保護器用于電機保護控制回路，取代熱繼電器等作為電動機的過載保護和控制元件，而且利用的通訊技術，實現了水泥生產中電機設備控制的自動化。通過將90L顯示模塊嵌入安裝在開關抽屜的活動面板內，來簡化了水泥廠控制柜內接線，使得配電室內設備運行情況及故障狀態清晰可見，方便工程師隨時調整系統、設定參數和顯示、監控以及檢修維護。將ARD3保護器應用于某水泥廠生產線電機設備的控制回路中，實現了水泥廠對電機保護的要求：（見圖1 ARD3智能型電動機保護器應用于某水泥廠電動機設備控制回路接線圖）

   （1）過載保護功能

   ARD3智能型電動機保護器通過讀取電流互感器檢測到的三相電流值，判斷電動機出現過載運行后，實現了在設定的報警或脫扣（延時）時間內發出報警或脫扣信號。

   （2）堵轉保護功能

    水泥廠電動機在起動過程中，如果由于現場工作環境影響以及電機設備自身的原因造成電機出現堵轉現象，保護器能夠及時判斷出電動機起動發生此類故障并及時作出相應處理。

   （3）三相不平衡保護功能

    斷相/不平衡故障運行時對電動機的危害很大，當電動機發生斷相或三相電流嚴重不平衡時，當不平衡率達到保護器設定值時，保護器按照設定的要求保護，發出停車或報警，確保電動機的安全運行。

   （4）故障判斷及記錄功能

    當電動機出現某種故障時，保護器切斷電動機電源的同時處于保護狀態并保存故障類型、時間及電機運行參數等信息，電機保護器通過識別與記憶電路對故障予以設別、記憶和指示，方便了檢修人員查出故障原因。故障排除后，按下顯示模塊上的復位按鈕即可復位保護器，故障指示燈消失，保證了電動機能夠再次啟動。

   （5）抗晃電功能

    在某水泥廠水泥生產過程中，在電網故障造成電壓瞬間較大幅度的波動或者短時間斷電又恢復，可以使電動機保護器重新起動，保證電動機的平穩運行。

   （6）在線監測功能

    控制室操作人員可通過保護器的通訊，在后臺人機界面上實現對水泥生產線上保護器的各種保護整定參數的讀取和設定，同時在線監測電機運行負載和供電電源質量，并記錄各電機型號、運行方式和歷史維護記錄以及出現的故障信息，為水泥生產線的安全生產提供了可靠依據。

圖1  ARD3智能型電動機保護器應用于某水泥廠電動機設備控制回路接線圖

    水泥生產工藝流程較多，所以將保護器的應用于電動機保護設備控制回路的同時要能夠滿足水泥廠的大型控制系統的要求。如圖2是某水泥廠控制系統的整體結構圖，現場由多個控制站點組成，通過標準RS-485通訊接口與PC機、接觸器、電動機以及其他設備構成集中式控制系統，工程師通過監控計算機以及生產管理軟件完成對整個系統設備的數據采集、處理、顯示和監視功能，并在滿足權限和邏輯時，通過遠程控制軟件實現對現場相應的電機設備等的控制。由于現代水泥工廠采用的大型電機設備較多，大于110KW及以上的電機，均采用在主回路裝設電流互感器。考慮到水泥生產工藝的不同和企業投入的資金，電動機需要不同的起動方式，ARD3智能型電動機保護器提供靈活的聯鎖功能，實現直接啟動、雙向啟動、星/三角啟動、自耦變壓器啟動等，使大型設備的電機得到了保護和控制^[2]。

圖2 某水泥廠控制系統結構圖

    由圖3 所示為ARD3智能型電動機保護器在水泥廠的實際工程應用，主要由服務器、各個控制站點、保護器和現場設備組成，服務器通過現場總線采集現場各電機設備的運行工況，并為工程師站和操作員站提供服務，其中帶有Modbus總線的保護器通過通訊管理機接入監控網絡，Profibus總線直接接入服務器網絡，服務器與工程師站、操作員站通過交換機連接在同一個網絡中。

圖3  ARD3智能型電動機保護器工程應用

    系統功能：（1）各電動機的工況顯示：三相交流電流、三相交流電壓、零序電流、功率、電動機電能、接觸器狀態、保護器的各個報警信息等；（2）各電機保護整定數據的調整、修改和整定；（3）完善的數據存儲機制，可實時查看各電機設備的管理信息和報警信息、故障信息；（4）電能統計、電源供電質量等；（5）故障未發生時提前報警。綜上所述，將保護器應用于水泥生產自動控制系統中后方便了工程師對控制系統進行維護、管理^[2]。

四、ARD3智能型電動機保護器在某水泥行業運行效果

    水泥生產線上使用的電機設備使用的周期、壽命越長，其為企業帶來的經濟價值也就越高，因此對電動機的保護也是相當重要。ARD3智能型電動機保護器運用到水泥行業，給水泥的自動化生產過程帶來如下運行效果：

   （1）系統信息集中化

    水泥廠電氣設計除了用于一般供配電外，還要完成大量電機設備的拖動控制設計。采用ARD3智能型電動機保護器的通訊功能進行組網后，用戶可以通過上位機讀取各個裝置節點的參數，如：電動機三相交流電流、三相交流電壓、電動機運行狀態、電動機電能、電動機運行故障信息等，工程師根據這些信息實現了對現場所有的電機設備的運行情況實時分析處理，不再需要現場每個裝置處配備一個工程師來進行實時監視，提高了整個控制系統的安全性、可靠性。保護器模擬量輸出4-20mA模擬量信號給控制系統，便于工程師集中控制。

    （2）智能化控制保護

    保護器直接串接于控制回路，電動機出現過電流、斷相、超溫等故障時，將及時終止電動機的運行，并對各種故障信息作出相應的指示。保護器能自動識別手動控制回路和自動控制回路，對于自動控制回路，能記憶自鎖，避免電動機在故障狀態時重復起動，加劇電動機損壞。同時，水泥廠大型電機檢測元件采用穿芯式結構的電流互感器，與主電路形成*隔離，提高了自身的可靠性，又*解決了接線端子的發熱問題，且互換性好^[3]。

    （3）故障記錄便于現場問題分析

    電動機工作在環境惡劣的水泥生產中，很容易出現故障，并且故障原因多樣化。采用ARD3智能型電動機保護器，電動機發生故障后，將備用電動機及時投入而不影響運行機制，保護器強大的故障記錄功也為維護人員節省了大量的時間，提高了生產的效率及系統運行可靠性。

五 結束語

    隨著電子技術及通訊技術的不斷發展。電動機保護器也在朝著多元化方向發展，電動機保護器在水泥企業的應用也越來越廣泛，合理選擇電機設備的保護功能和保護方式，可提高設備運行的可靠性，能夠預防并杜絕電機燒毀，同時減少了因非計劃停車而造成的損失，降低了企業的生產成本。

參考文獻：

[1]智能電網用戶端電力監控/電能管理/電器安全系統解決方案產品手冊.安科瑞電氣股份有限公司.2013.01

[2]楊建華,劉葳.電動機保護器在水泥行業的應用.水泥技術.2009(05)

[3]電動機保護器的歷史及現狀.上海神引雙華電器有限公司

作者簡介：徐霜，女，安科瑞電氣股份有限公司，主要研究方向為電機保護節能控制