马达保护器在矿山电机控制系统中的选型与应用
摘要：近年来，随着电子技术、计算机技术、总线技术的迅速发展，智能马达保护器以其优越的性能逐渐替代传统的热继电器成为电动机保护及综合控制的发展趋势。矿山电机系统中存在大量的大功率交流异步电机，其运行工况对电机控制及保护系统提出了较高的要求。在介绍了智能马达保护器原理功能和选型的基础上，深入探讨了智能马达保护器在矿山电机控制系统的综合应用及其不可取代的技术和经济优势。
关键词：智能型异步电动机；保护器；选择；应用；经验
山东黄金三山岛金矿8000t／d选矿工程是山东黄金集团的项目，项目组经过反复实践和技术选型，确定整个工程中的电机保护采用先进的智能马达保护器，取代传统的热继电器，并利用先进的总线通讯技术，完全摆脱原始的“硬接线”控制方式，实现电机保护及控制的自动化，根据现场实际应用情况来看，已取得了显著的经济效益。
1工作原理与系统功能
电机往往因电性原因出现过负荷、缺相、层间短路及线间短路、线圈的接地漏电、瞬间过电压的流入等造成损坏。对于因电性原因出现的故障，无论是过电流还是过电压，主要是因为电流瞬间放大，超过了电机的负载电流值而造成损坏。马达保护器根据这一原理，通过监测电机的两相(三相)线路的电流值和相电压的变化，进行电机的保护。
智能马达保护器通常由电流传感器、比较电路、单片机、出口继电器等几部分组成，传感器将电动机的电流变化线性地反映至保护器的采样端口，经过整流、滤波等环节后，转换成与电动机电流成正比的直流电压信号、送到相应部分与给定的保护参数进行比较处理，再经单片机回路处理，推动功率回路，使继电器动作。当电机由于驱动部分过载导致电流放大时，从电流传感器取得的电压信号将放大、此电压值大于保护器的整定值时，过载回路工作，RC延时电路经过一定的(可调)延时，驱动出口继电器动作，使接触器切断主回路。欠压及缺相保护等功能的工作原理基本相同”。
完善的马达保护是对马达运行过程中的各种运行状况的详细信息进行采集跟踪，通过对故障报警、保护动作(保护脱扣)以及动作延时时间的设定来实现及时准确的保护，保证生产的顺利。利用总线通讯，可以在上位机上对马达运行状况的详细信息进行实时监测，并经计算机数据处理提供管理信息。在设备可能产生重大故障前，越限报警可及时提醒管理人员进行处理，避免了不必要的停机而对正常生产造成影响，保证设备运行的有效性。当马达运行参数达到预置的报警值时，保护装置仅进行报警，不触发脱扣；但当越限值达到预置的脱扣值时，保护装置进入脱扣触发延时。在预置脱扣延时时间内若设备恢复正常运行，则取消脱扣执行；而如果超过延时时限，则保护装置发出脱扣信号，驱动执行元件动作，停止电机运行。在马达控制装置实现各项保护功能的同时，各种保护信息也由装置生成，并经通信接口上送至计算机管理系统。
2设备选型
三山岛金矿通过多方论证，并经过严格的电气设备招投标后，工程选择了性能价格好的ABB公司产品M102一P，M102一P智能马达保护器采用现场总线技术，具有强大的电动机控制和保护功能及参数测量与显示功能。控制功能包括直接起动、正反转、双速、星三角、阀门控制等；保护功能覆盖了过载保护、欠压保护、堵转保护、三相不平衡与断相保护、漏电保护、电动机热保护等；可测量与显示三相电流、三相电压、有功功率、无功功率、功率因素、电度量及报告故障类型、电动机运行维护信息等。
M102一P额定工作电压为DC24V，按开关量外部输入电源划分，可分为AC240V、DC24V两种，前者有9点开关量输入，后者有13点开关量输入。考虑到8000t／d选矿厂皮带输送机都安装有打滑开关、撕裂开关、拉绳开关、一二级跑偏开关，所需开关量输入较多，故为所有皮带输送机配置了开关量输入电源为DC24V的M102一P，其他风机泵类设备均配置了开关量输入电源为AC240V的M102一P。M102一P采用专用电流互感器直接输入，输入信号不需变送器变换，M102一P内置了一次侧输入电流为0．5～63A的电流互感器，由于8000Vd选矿厂大型电机较多，为方便互换及减少备件的种类，对于一次额定电流60A以上的电机，我们采用在主回路装设外接电流互感器的方式，将一次电流变为小于5安培的二次电流，再接人量程为5安培的马达保护器，使大型设备也得到了有效的控制和保护。
三山岛金矿8000t／d选矿工程为M102一P配置了MD2型操作面板，操作面板集成了仪表、指示灯、按钮的功能及故障检测功能，通过操作面板提供的调试接口，用笔记本电脑就可很方便地对M102一P进行现场设置及在线编程。8000t／d选矿厂低压配电系统采用了新型的MNS系列低压抽屉式开关柜，因而可以将MD2安装在开关抽屉的活动面板内，这样既简化了柜内接线又保持了柜面的统一性和美观性；使得配电室内的设备运行情况及故障状态一目了然，方便了系统巡视和检修维护。在8000t／d选矿厂工程设计上，由于系统的自动化控制要求较高，所以我们提出了对马达保护器的通讯要求。M102一P智能马达保护器采用现场总线技术，通过RS485接口，采用ProfibusDP通讯协议与上层通讯系统进行通讯，使用PLC作为ProfibusDP主站，M102一P作为从站。8000Vd选矿厂共有15个低压配电室，每个配电室均有PLC站，各配电室的M102一P通过总线型连接方式挂到网络上，为保证通讯传输速率，每个总线上不超过20个节点，各配电室PLC站通过光纤与控制室主PLC构成环网，将M102一P数据上传至上位机，快速响应上位机的实时查询等要求并执行相应操作，为电气操作及工艺控制人员通过计算机浏览生产负荷和生产过程的情况，及时调整生产进度，预防和处理突发事故。
3效益分析
三山岛金矿8000Vd选矿厂于2013年达产，试车期间电力系统运行平稳，为达产做出了重要保证。马达保护器前期投资大，但后期收益可观。其经济效益主要体现在能大幅降低后期维护费用、减员增效、创造良好的社会效益等方面。
(1)硬件投资
设备及零部件使用分析：项目共采购160台M102一P马达保护器及配件，投资120万元；增加了马达保护器后，可节省160个热继电器。现场总线系统的智能设备分散在各配电室，能直接执行控制和计算功能，可减少大量的变送器及调节器、计算单元等，也不再需要DCS系统的信号传输处理单元及其大量复杂的硬线连接，与采用硬接线连接相比，PLC系统可减少23个32点DI模块，1O个32点DO模块，1O个16点AI模块，还可节省160个品牌电流变送器。按照以上设备招标价格计算，除去马达保护器，设备投资可节省22万元。
电缆使用及安装费用分析：按照配电柜离仪控柜之间的距离15m计算，如果采用硬接线方式，每个节点需敷设KW14$1．5电缆和DJYPVP121．5电缆，如果安装马达保护器则每个配电室平均敷设20mDP电缆即可。现场总线系统的接线十分简单，一条通信总线上可挂接几个甚至上百个设备，节省安装附件，安装工作量大大减少，设计及接线校对的工作量也大大减少。资料显示，与DCS相比，现场总线系统的安装费用可节省60％以上。按照电缆招标价格及安装工程定额计算，此项可节省投资4万元。
从硬件投资来看，从传统的热继电器更换为智能马达保护器需一次性投资94万元。
(2)减少维护维修费用，达到减员增效的目的
由于马达保护器具有自诊断及一定的故障处理能力，可以早期分析与排除故障，短维护停工时间。同时，由于系统结构简化、接线简单，减少了维护工作量。加装马达保护器后，每年可减少电动机烧毁事故，总容量在500kW左右，每年可节约电机更换或维修费用约15万元；换装智能马达保护器后，8000Vd选矿厂电气维护人员可比原来减少4人，4人年工资共计25万；由于马达保护器保护的都是重要电机设备，换装智能马达保护器后，选厂设备故障停机率可由3％o降低到2‰，即每年可减少停车时间7．92小时，按照含金量为2克／吨，回收率为0．95，金价为280元／克计算，由此产生的经济效益为57万元。
综上所述，8000t／d选矿厂项目对智能马达保护器需一次性投资94万元，在达产运行后，每年可产生的经济效益为97万元。
4安科瑞ARD系列智能电动机保护器介绍与综合选型
4.1产品简介
ARD该系列低压电动机保护器，具有过载、断相、不平衡、欠载、接地/漏电、堵转等保护功能。可与接触器、电动机起动器等电器元件构成电动机控制保护单元，具有远程自动控制、现场直接控制、面板指示、信号报警、现场总线通信等功能。应用范围：可广泛应用于煤矿、石化、冶炼、电力、建筑等行业的配电领域。
4.2产品选型
5结束语
智能马达保护器性能先进，能对低压电机提供一整套专业化的集控制、保护与监测于一体的智能化管理模式，是过程控制系统电动机智能化管理的理想选择，为8000Vd选矿厂产生了良好的经济效益。因此，广泛采用智能马达保护器，不但可以提高选矿厂工艺控制的准确性、科学性，降低事故率，而且对于提高三山岛金矿选矿厂电气控制系统的自动化水平起到推动作用。
【参考文献】
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【3】安科瑞企业微电网设计与应用手册，2019.11版
