馬達保護器在礦山電機控制系統中的選型與應用

摘要：近年來(lái)，隨著(zhù)電子技術(shù)、計算機技術(shù)、總線(xiàn)技術(shù)的迅速發(fā)展，智能馬達保護器以其越的性能逐漸替代傳統的熱繼電器成為電動(dòng)機保護及綜合控制的發(fā)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(shù)和經(jīng)濟勢。
 
關(guān)鍵詞：智能型異步電動(dòng)機；保護器；選擇；應用；經(jīng)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(jīng)過(guò)反復實(shí)踐和技術(shù)選型，確定整個(gè)工程中的電機保護采用先進(jìn)的智能馬達保護器，取代傳統的熱繼電器，并利用先進(jìn)的總線(xiàn)通訊技術(shù)，*擺脫原始的“硬接線(xiàn)”控制方式，實(shí)現電機保護及控制的自動(dòng)化，根據現場(chǎng)實(shí)際應用情況來(lái)看，已取得了顯著(zhù)的經(jīng)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(guò)負荷、缺相、層間短路及線(xiàn)間短路、線(xiàn)圈的接地漏電、瞬間過(guò)電壓的流入等造成損壞。對于因電性原因出現的故障，無(wú)論是過(guò)電流還是過(guò)電壓，主要是因為電流瞬間放大，超過(guò)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(guò)監測電機的兩相(三相)線(xiàn)路的電流值和相電壓的變化，進(jìn)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(dòng)機的電流變化線(xiàn)性地反映至保護器的采樣端口，經(jīng)過(guò)整流、濾波等環(huán)節后，轉換成與電動(dòng)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(jìn)行比較處理，再經(jīng)單片機回路處理，推動(dòng)功率回路，使繼電器動(dòng)作。當電機由于驅動(dòng)部分過(guò)載導致電流放大時(shí)，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(shí)，過(guò)載回路工作，RC延時(shí)電路經(jīng)過(guò)一定的(可調)延時(shí)，驅動(dòng)出口繼電器動(dòng)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(guò)程中的各種運行狀況的詳細信息進(jìn)行采集跟蹤，通過(guò)對故障報警、保護動(dòng)作(保護脫扣)以及動(dòng)作延時(shí)時(shí)間的設定來(lái)實(shí)現及時(shí)準確的保護，保證生產(chǎn)的順利。利用總線(xiàn)通訊，可以在上位機上對馬達運行狀況的詳細信息進(jìn)行實(shí)時(shí)監測，并經(jīng)計算機數據處理提供管理信息。在設備可能產(chǎn)生重大故障，越限報警可及時(shí)提醒管理人員進(jìn)行處理，避免了不必要的停機而對正常生產(chǎn)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(shí)，保護裝置僅進(jìn)行報警，不觸發(fā)脫扣；但當越限值達到預置的脫扣值時(shí)，保護裝置進(jìn)入脫扣觸發(fā)延時(shí)。在預置脫扣延時(shí)時(shí)間內若設備恢復正常運行，則取消脫扣執行；而如果超過(guò)延時(shí)時(shí)限，則保護裝置發(fā)出脫扣信號，驅動(dòng)執行元件動(dòng)作，停止電機運行。在馬達控制裝置實(shí)現各項保護功能的同時(shí)，各種保護信息也由裝置生成，并經(jīng)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(guò)多方論證，并經(jīng)過(guò)嚴格的電氣設備招投標后，工程選擇了性能價(jià)格好的ABB公司產(chǎn)品M102一P，M102一P智能馬達保護器采用現場(chǎng)總線(xiàn)技術(shù)，具有強大的電動(dòng)機控制和保護功能及參數測量與顯示功能?？刂乒δ馨ㄖ苯悠饎?dòng)、正反轉、雙速、星三角、閥門(mén)控制等；保護功能覆蓋了過(guò)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(dòng)機熱保護等；可測量與顯示三相電流、三相電壓、有功功率、無(wú)功功率、功率因素、電度量及報告故障類(lèi)型、電動(dòng)機運行維護信息等。
M102一P額定工作電壓為DC24V，按開(kāi)關(guān)量外部輸入電源劃分，可分為AC240V、DC24V兩種，者有9點(diǎn)開(kāi)關(guān)量輸入，后者有13點(diǎn)開(kāi)關(guān)量輸入?？紤]到8000t／d選礦廠(chǎng)皮帶輸送機都安裝有打滑開(kāi)關(guān)、撕裂開(kāi)關(guān)、拉繩開(kāi)關(guān)、一二級跑偏開(kāi)關(guān)，所需開(kāi)關(guān)量輸入較多，故為所有皮帶輸送機配置了開(kāi)關(guān)量輸入電源為DC24V的M102一P，其他風(fēng)機泵類(lèi)設備均配置了開(kāi)關(guān)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(chǎng)大型電機較多，為方便互換及減少備件的種類(lèi)，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?yōu)樾∮?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(guò)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(jìn)行現場(chǎng)設置及在線(xiàn)編程。8000t／d選礦廠(chǎng)低壓配電系統采用了新型的MNS系列低壓抽屜式開(kāi)關(guān)柜，因而可以將MD2安裝在開(kāi)關(guān)抽屜的活動(dòng)面板內，這樣既簡(jiǎn)化了柜內接線(xiàn)又保持了柜面的統一性和美觀(guān)性；使得配電室內的設備運行情況及故障狀態(tài)一目了然，方便了系統巡查和檢修維護。在8000t／d選礦廠(chǎng)工程設計上，由于系統的自動(dòng)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(chǎng)總線(xiàn)技術(shù)，通過(guò)RS485接口，采用ProfibusDP通訊協(xié)議與上層通訊系統進(jìn)行通訊，使用PLC作為ProfibusDP主站，M102一P作為從站。8000Vd選礦廠(chǎng)共有15個(gè)低壓配電室，每個(gè)配電室均有PLC站，各配電室的M102一P通過(guò)總線(xiàn)型連接方式掛到網(wǎng)絡(luò )上，為保證通訊傳輸速率，每個(gè)總線(xiàn)上不超過(guò)20個(gè)節點(diǎn)，各配電室PLC站通過(guò)光纖與控制室主PLC構成環(huán)網(wǎng)，將M102一P數據上傳至上位機，快速響應上位機的實(shí)時(shí)查詢(xún)等要求并執行相應操作，為電氣操作及工藝控制人員通過(guò)計算機瀏覽生產(chǎn)負荷和生產(chǎn)過(guò)程的情況，及時(shí)調整生產(chǎn)進(jìn)度，預防和處理突發(fā)事故。
3效益分析
    三山島金礦8000Vd選礦廠(chǎng)于2013年達產(chǎn)，試車(chē)期間電力系統運行平穩，為達產(chǎn)做出了重要保證。馬達保護器期投資大，但后期收益可觀(guān)。其經(jīng)濟效益主要體現在能大幅降低后期維護費用、減員增效、創(chuàng )造良好的社會(huì )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(wàn)元；增加了馬達保護器后，可節省160個(gè)熱繼電器?，F場(chǎng)總線(xiàn)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(xiàn)連接，與采用硬接線(xiàn)連接相比，PLC系統可減少23個(gè)32點(diǎn)DI模塊，1O個(gè)32點(diǎn)DO模塊，1O個(gè)16點(diǎn)AI模塊，還可節省160個(gè)品牌電流變送器。按照以上設備招標價(jià)格計算，除去馬達保護器，設備投資可節省22萬(wàn)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(xiàn)方式，每個(gè)節點(diǎn)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(gè)配電室平均敷設20mDP電纜即可?，F場(chǎng)總線(xiàn)系統的接線(xiàn)十分簡(jiǎn)單，一條通信總線(xiàn)上可掛接幾個(gè)甚至上百個(gè)設備，節省安裝附件，安裝工作量大大減少，設計及接線(xiàn)校對的工作量也大大減少。資料顯示，與DCS相比，現場(chǎng)總線(xiàn)系統的安裝費用可節省60％以上。按照電纜招標價(jià)格及安裝工程定額計算，此項可節省投資4萬(wàn)元。
從硬件投資來(lái)看，從傳統的熱繼電器換為智能馬達保護器需一次性投資94萬(wàn)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(shí)間。同時(shí)，由于系統結構簡(jiǎn)化、接線(xiàn)簡(jiǎn)單，減少了維護工作量。加裝馬達保護器后，每年可減少電動(dòng)機燒毀事故，總容量在500kW左右，每年可節約電機換或維修費用約15萬(wàn)元；換裝智能馬達保護器后，8000Vd選礦廠(chǎng)電氣維護人員可比原來(lái)減少4人，4人年工資共計25萬(wàn)；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(chǎng)設備故障停機率可由3％o降低到2‰，即每年可減少停車(chē)時(shí)間7．92小時(shí)，按照含金量為2克／噸，回收率為0．95，金價(jià)為280元／克計算，由此產(chǎn)生的經(jīng)濟效益為57萬(wàn)元。
   綜上所述，8000t／d選礦廠(chǎng)項目對智能馬達保護器需一次性投資94萬(wàn)元，在達產(chǎn)運行后，每年可產(chǎn)生的經(jīng)濟效益為97萬(wàn)元。
 
4安科瑞ARD系列智能電動(dòng)機保護器介紹與綜合選型
4.1產(chǎn)品簡(jiǎn)介
    ARD該系列低壓電動(dòng)機保護器，具有過(guò)載、斷相、不平衡、欠載、接地/漏電、堵轉等保護功能?？膳c接觸器、電動(dòng)機起動(dòng)器等電器元件構成電動(dòng)機控制保護單元，具有遠程自動(dòng)控制、現場(chǎng)直接控制、面板指示、信號報警、現場(chǎng)總線(xiàn)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(yè)的配電領(lǐng)域。
4.2產(chǎn)品選型
 

 
5結束語(yǔ)
    智能馬達保護器性能先進(jìn)，能對低壓電機提供一整套專(zhuān)業(yè)化的集控制、保護與監測于一體的智能化管理模式，是過(guò)程控制系統電動(dòng)機智能化管理的理想選擇，為8000Vd選礦廠(chǎng)產(chǎn)生了良好的經(jīng)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(chǎng)工藝控制的準確性、科學(xué)性，降低事故率，而且對于提高三山島金礦選礦廠(chǎng)電氣控制系統的自動(dòng)化水平起到推動(dòng)作用。
 
【參考文獻】 
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【3】安科瑞企業(yè)微電網(wǎng)設計與應用手冊，2019.11版