智能低壓電動機保護控制器在石化企業(yè)的應用

邵林運

（大連西太平洋石油化工有限公司 遼寧省大連市 116600）

在石化企業(yè)中，電動機作為工藝生產(chǎn)設(shè)備最主要的動力來源，對生產(chǎn)裝置的平穩(wěn)運行起著舉足輕重的作用，如何對電動機進行全面地保護，從而保障生產(chǎn)裝置連續(xù)運行，需要電氣技術(shù)人員不斷探討解決。

智能低壓電動機保護控制器由保護主體模塊、專用電流互感器模塊（或通用電流互感器）、顯示屏模塊構(gòu)成，具備計量、保護、控制多種功能，適用于低壓三相交流異步電動機保護與控制，該裝置不僅可以提高電動機保護控制的可靠性、先進性，其欠壓重啟動功能也滿足了“晃電不停裝置”的要求，非常適合作為石化企業(yè)低壓電動機的保護。

1 設(shè)計規(guī)范對低壓電動機保護配置的要求

GB50055-2011《通用用電設(shè)備配電設(shè)計規(guī)范》[1]針對380V 電動機的保護配置有明確要求，可概括為：380V 電動機通常情況下需要考慮安裝短路保護與接地故障保護，在實際使用中可視電動機的用途選擇安裝低電壓、斷相、過載以及同步電動機的失步保護。

智能低壓電動機保護控制器在滿足設(shè)計規(guī)范要求的同時，還具備啟動超時保護、啟動過流保護、電流堵轉(zhuǎn)保護、不平衡保護、過載保護、欠載保護、增安型電機tE時間保護、低電壓保護，過電壓保護，溢出保護，欠壓重啟動，遙控，通信等其它功能。

2 智能低壓電動機保護控制器整定

下面以PMAC801A 智能型電動機保護控制器為例并結(jié)合具體電動機參數(shù)，對保護控制器的常用保護整定方法進行說明。

例：加氫裂化裝置某空冷電機有關(guān)數(shù)據(jù)：

YAX180M-2W，18.5KW，380V，Ie=33.4A，KS=6.5，F(xiàn) 級絕緣，tE=9.0s，油泵負載，起動時間tS=5.0s，堵轉(zhuǎn)電流7.0 倍，最大轉(zhuǎn)矩2.2 倍。考慮熱態(tài)起動。起動時機端電壓98%Un。

2.1 不平衡保護

電動機因相間或匝間短路、三相電壓不正常、電動機三相繞組不均衡等原因，在啟動或運行過程中會造成三相電流不平衡，電流中的負序分量大增，在轉(zhuǎn)子中感應出的倍頻電流會產(chǎn)生大量的熱量，嚴重時會燒毀電機。當電動機三相電流不平衡度超過定值時，應動作于跳閘，不平衡保護可以選擇設(shè)定為投入或者退出。如表1 所示。

表1： 不平衡保護整定參數(shù)

設(shè)置不平衡的門檻是根據(jù)經(jīng)驗來的，推薦40%的標準作為啟動值，啟動值可以進行下調(diào)直至略高于一個會產(chǎn)生頻繁跳閘的門檻。在石化企業(yè)中，可將保護執(zhí)行方式設(shè)定為告警，即可以避免不平衡保護誤動作導致生產(chǎn)流程中斷，也能及時提示運行人員及時發(fā)現(xiàn)電動機接線端子松動或線圈匝間短路故障。

不平衡率的計算公式如下：

其中：

Imax：三相電流最大值；

Imin：三相電流最小值；

本例中，不平衡率定值取30%，時間定值取5S，執(zhí)行方式設(shè)定為告警。

2.2 過載保護

為防止電動機長時間過負荷運行，引起電機繞組超溫、絕緣失效，導致電動機燒毀，需要安裝過載保護。過載保護根據(jù)故障電流或過負荷電流反時限特性跳閘，宜根據(jù)廠家提供的電動機熱限曲線或過負荷能力選用合適的動作特性曲線。

PMAC801A 提供18 不同的動作特性曲線供用戶進行選擇，曲線公式：

用戶可以根據(jù)電動機過載保護級別對曲線系數(shù)進行選擇，曲線速率對應的K 系數(shù)見表2。

表2： 不同曲線速率對應的K 系數(shù)

常用曲線速率9，K=180 對應的保護動作特性曲線如圖1 所示。

圖1： 曲線速率9 對應的保護動作特性

2.3 tE時間保護

GB3836.3-2010《爆炸性環(huán)境第3 部分：由曾安型“e”保護的設(shè)備》[2]第4 頁，對tE時間進行定義：交流電動機定子或轉(zhuǎn)子線圈在最高環(huán)境溫度下達到額定運行狀態(tài)溫度后，通過電動機起動電流并開始計時，直至溫度上升到極限所需要的時間（秒）。

規(guī)范[2]規(guī)定：當電機或拖動的機械設(shè)備發(fā)生堵轉(zhuǎn)時，保護控制器應該能夠在tE時間結(jié)束之前使電機跳閘。如果電動機固有的tE時間超過圖2 中曲線函數(shù)關(guān)系確定的tE時間最小值，則說明tE時間保護可對電動機起到保護作業(yè)，如果電動機固有tE時間小于圖2 中的規(guī)定值，則應該采用其他的經(jīng)過驗證有效的過載保護裝置作為補充才被允許使用。

圖2： tE 時間保護動作特性曲線

該保護起動完成后自動投入,起動時閉鎖。

本例中電動機電流倍數(shù)IA/Ie=6.5、tE=9S，等值T7計算公式為：

取 =8.2×0.9=7.4（S）（考慮可能有10%的延時誤差）

當過載7 倍時，保護動作時間：

當過載3.0 倍時，查曲線得保護動作時間約為29s，或按公式計算：

而此時tE=8.2s 的允許動作時間約為32.8S，說明電機受到保護，在達到極限溫度前電機已跳閘。

注：若從電動機名牌上查得堵轉(zhuǎn)電流倍數(shù)IA/Ie=7.0，tE=8.2s，則直接設(shè)定：=8.2×0.9=7.4（S）。

2.4 接地保護

為防止電動機電源對電機金屬外殼或大地發(fā)生短路時故障擴大，需要投入接地保護發(fā)出跳閘信號，使故障切除。如表3 所示，其保護構(gòu)成原理，可能是下三種方式之一：

表3： 接地保護整定參數(shù)

（2）三個CT 接成零序過濾器的方式；

（3）零序互感器接入。

鑒于電動機起動時電流很大并且暫態(tài)過程非周期分量加大了電流不平衡度，為避免保護誤動，電流定值設(shè)定一般不要小于1 倍，可取1 倍。

保護延時to 的整定，要考慮以下兩個因素：

（1）GB50054-2011《低壓配電設(shè)計規(guī)范》[3]對切除接地故障的時間要求，“配電線路或僅供給固定式電氣設(shè)備用電的末端線路，不宜大于5S”，對于易燃易爆的石化企業(yè)，應盡量小于5s。

（2）與Y/Yo 接線的配電變壓器二次零序保護相配合。

本例中接地保護電流定值整定為100%Ie，時間定值整定為1S。

2.5 過流堵轉(zhuǎn)保護

堵轉(zhuǎn)是電機在轉(zhuǎn)速為0 時仍然輸出扭矩的一種情況，一般都是電機或拖動設(shè)備發(fā)生嚴重故障導致。電機發(fā)生堵轉(zhuǎn)時鞏固率因數(shù)非常低，堵轉(zhuǎn)電流最高可達額定電流的7 倍，時間稍長就會燒壞電機。過流堵轉(zhuǎn)保護可以選擇設(shè)定為投入或者退出，如果用戶設(shè)定為投入，則堵轉(zhuǎn)保護在電機啟動過程中自動關(guān)閉，電機啟動過程結(jié)束后自動打開。如表4 所示。

表4： 過流堵轉(zhuǎn)保護整定參數(shù)

堵轉(zhuǎn)保護的電流定值不應大于電機生產(chǎn)廠家提供的最大允許堵轉(zhuǎn)電流值，因該保護啟動過程中自動關(guān)閉，一般取1.5～2.5 電機額定電流，此時保護亦不會誤動。時間定值可參考電動機的允許堵轉(zhuǎn)時間整定，一般整定為2-3 秒。

本例中過流堵轉(zhuǎn)電流定值取250%Ie，時間定值取3S。

2.6 欠載保護

一般電動機欠載時不需要保護，在石化企業(yè)中，對于驅(qū)動磁力泵的電機，因泵抽空時往往會導致磁力泵損壞，固從保護驅(qū)動設(shè)備的角度出發(fā)，往往需要配置欠載保護。

在石化企業(yè)中，欠載保護電流定值門檻是通過實際測量得到的，具體方法為：將泵出口關(guān)閉，啟動電動機，記錄電機運行電流（空載電流，時間不得超過25 秒），將該電流值+2～3%，輸入保護控制器作為輕載保護定值，小功率電機（5.5KW 一下）一般加經(jīng)驗值（0.1～0.5A）。如表5 所示。

表5： 欠載保護整定參數(shù)

2.7 欠壓重啟動

欠壓重啟動功能提供系統(tǒng)短暫失電時電動機的自動重新啟動功能，并設(shè)置有“立即再啟動”和“延時再啟動”兩種再啟動功能。兩種再啟動功能可分別投退。立即再啟動具有抗晃電功能。

當電機處于運行狀態(tài)，電機供電回路電壓失電或下降到設(shè)置的跌落電壓以下時，保護控制器開始計時。如果在“立即再啟動失電時間”以內(nèi)主回路電壓恢復到“恢復電壓”，則保護器立刻發(fā)出啟動命令，重啟電機，裝置不再進行判“延時再啟動”邏輯判斷。如果“立即再啟動失效”，而在延時再啟動失電時間以內(nèi)恢復到恢復電壓，則保護器經(jīng)過設(shè)定的“延時再啟動延時時間”后發(fā)出啟動命令，重啟電機?；謴碗妷涸O(shè)置值需大于跌落電壓設(shè)置值，可通過設(shè)置不同的“延時再啟動延時時間”實現(xiàn)電動機的分批再啟動。

電動機分批再啟動，需要核算允許全壓啟動的電動機最大功率，具體可參照《工業(yè)與民用供配電設(shè)計手冊》第四版[4]P486 執(zhí)行，具體見表6。

表6： 按電源容量估算的允許全壓啟動的電動機最大功率

通常一個變電所的運行電動機分成2～3 批再起動即可，經(jīng)過與工藝、設(shè)備專業(yè)進行討論，可按照電機的重要程度將最重要電機設(shè)置為第1 批再啟動，其余電機設(shè)置為第2 或第3 批再啟動。

3 結(jié)束語

現(xiàn)場電氣技術(shù)人員在整定智能低壓電動機保護控制器時，應具體結(jié)合石化企業(yè)的生產(chǎn)工藝、變配電系統(tǒng)及電氣規(guī)范、設(shè)備性能參數(shù)及行業(yè)經(jīng)驗進行保護功能的整定，在充分挖掘保護控制器功能的基礎(chǔ)上，實現(xiàn)對電動機及其拖動機械的全方位保護，保障生產(chǎn)裝置的連續(xù)平穩(wěn)運行。希望本文可以為石化企業(yè)的電氣技術(shù)人員在低壓電動機保護控制器的整定方面提供一定的參考。