大型高壓電機(jī)監(jiān)控保護(hù)系統(tǒng)

張爽，鄒建華

(1 國(guó)家防爆電機(jī)工程技術(shù)研究中心，黑龍江佳木斯 154002;2 佳木斯電機(jī)股份有限公司，黑龍江佳木斯154002)

0 引言

隨著工業(yè)自動(dòng)化水平的不斷提高，電氣設(shè)備的保護(hù)系統(tǒng)也越來(lái)越完善。大型高壓電機(jī)作為提供動(dòng)力的關(guān)鍵設(shè)備，要保證其安全和穩(wěn)定運(yùn)行，完善的監(jiān)控保護(hù)系統(tǒng)不僅可以對(duì)電動(dòng)機(jī)可能出現(xiàn)的各種故障實(shí)施可靠的保護(hù)，而且可以更直接地反映設(shè)計(jì)中存在的缺陷，有助于設(shè)計(jì)者有針對(duì)性地改進(jìn)設(shè)計(jì)，完善產(chǎn)品。本文針對(duì)電機(jī)常用的監(jiān)控保護(hù)，如電機(jī)過(guò)熱保護(hù)、差動(dòng)保護(hù)、振動(dòng)保護(hù)、正壓保護(hù)等做詳細(xì)的介紹。

1 電機(jī)過(guò)熱保護(hù)

1.1 概述

大型高壓電動(dòng)機(jī)通過(guò)在電機(jī)內(nèi)部埋置相應(yīng)的過(guò)熱保護(hù)測(cè)溫元件，監(jiān)控電動(dòng)機(jī)繞組及軸承的實(shí)際溫度。無(wú)論是由于過(guò)電壓、欠電壓、過(guò)電流、缺相，還是過(guò)載、堵轉(zhuǎn)等故障，均是通過(guò)電機(jī)繞組的溫升表現(xiàn)出來(lái)的。此類信號(hào)傳遞到電機(jī)保護(hù)器或溫度控制儀上，可立即切斷電動(dòng)機(jī)的電源，對(duì)電動(dòng)機(jī)進(jìn)行保護(hù)。

1.2 常用的熱保護(hù)元件

在電動(dòng)機(jī)過(guò)熱保護(hù)中，常用鉑熱電阻傳感器進(jìn)行測(cè)溫。鉑熱電阻傳感器是一種精確度、靈敏度高的傳感器，其線性溫度阻值優(yōu)于其它電阻式熱傳感器，且性能穩(wěn)定、可靠性高。它與智能溫度控制儀配合使用可直接顯示與控制電機(jī)的線圈及軸承的實(shí)際工作溫度。

(1)定子測(cè)溫元件

電機(jī)中常用的W、Z、D 定子測(cè)溫元件型號(hào)說(shuō)明，見圖1。

圖1 定子測(cè)溫元件型號(hào)說(shuō)明

(2)軸承測(cè)溫元件

軸承測(cè)溫常用W、Z、P、D 測(cè)溫元件型號(hào)說(shuō)明，見圖2。

圖2 軸承測(cè)溫常用測(cè)溫元件型號(hào)說(shuō)明

1.3 測(cè)溫元件的安裝

定子測(cè)溫元件安裝時(shí)，只需將傳感器嵌在電機(jī)鐵心處的定子繞組內(nèi)，盡可能安裝在溫度較高一側(cè)，以便更準(zhǔn)確的觀測(cè)電機(jī)內(nèi)部溫度，定子測(cè)溫引線引出并固定在定子測(cè)溫接線盒內(nèi)即可。

軸承測(cè)溫元件安裝時(shí)，電機(jī)軸承室鉆孔(穿通)并絞相應(yīng)的絲扣，再將探頭插入軸承孔中，用安裝螺紋固定牢固，測(cè)溫元件另一端引入接線盒中;也可將整體軸承測(cè)溫儀表探頭插入軸承孔中，將儀表固定在電機(jī)上或軸承座上。

2 差動(dòng)保護(hù)

對(duì)于高壓電動(dòng)機(jī)容量在2 000kW 以上的，或容量雖然小于2 000kW 但根據(jù)用戶要求需要差動(dòng)保護(hù)的電動(dòng)機(jī)，在電流速度不能滿足靈敏度要求時(shí)，應(yīng)裝設(shè)縱聯(lián)差動(dòng)保護(hù)。電流互感器為差動(dòng)保護(hù)中的測(cè)量元件，其測(cè)量效果好壞直接影響電動(dòng)機(jī)保護(hù)效果，避免誤動(dòng)作產(chǎn)生事故。根據(jù)保護(hù)方式不同，分為普通電流互感器和磁平衡電流互感器［2］。

2.1 電流互感器的保護(hù)原理

如果電動(dòng)機(jī)正常運(yùn)行或在差動(dòng)保護(hù)區(qū)外，電動(dòng)機(jī)每相電流值相等，流入繼電器的電流為零，繼電器不動(dòng)作;在差動(dòng)保護(hù)區(qū)內(nèi)發(fā)生短路時(shí)一相為零，則流入繼電器的電流值等于兩相之間的差值即與一相電流值相等，超過(guò)繼電器整定的動(dòng)作電流，使繼電器瞬時(shí)動(dòng)作，切斷電路保護(hù)電動(dòng)機(jī)。這種保護(hù)方式應(yīng)用廣泛(現(xiàn)在大部分高壓異步電動(dòng)機(jī)的保護(hù)采用這種方式)。需要注意的是差動(dòng)回路中兩相電流差要盡可能小，才可以減少差動(dòng)保護(hù)的誤動(dòng)作。普通電流互感器組成的差動(dòng)保護(hù)原理如圖3 所示。

圖3 普通電流互感器的差動(dòng)保護(hù)原理圖

電動(dòng)機(jī)每相繞組始末引線分別入、出磁平衡電流互感器的環(huán)形鐵心窗口一次，電動(dòng)機(jī)正常運(yùn)行或啟動(dòng)過(guò)程中，各相始端與終端電流一進(jìn)一出，互感器一次安匝為零，二次無(wú)輸出，保護(hù)器動(dòng)作。因此，在電動(dòng)機(jī)沒(méi)有發(fā)生相間短路的情況下，電流互感器一次勵(lì)磁繞組內(nèi)磁平衡，差動(dòng)繼電器內(nèi)沒(méi)有不平衡電流?，F(xiàn)在部分高壓異步電動(dòng)機(jī)和同步電動(dòng)機(jī)的保護(hù)采用這種方式。磁平衡差動(dòng)保護(hù)的原理如圖4。

圖4 磁平衡差動(dòng)保護(hù)的原理圖

2.2 電流互感器的安裝

對(duì)普能電流互感器安裝時(shí)，電機(jī)中性點(diǎn)需引出至單獨(dú)接線盒，互感器安裝有兩種選擇:一種是兩組互感器均裝在用戶配電柜;另一種是其中一組裝入電機(jī)的中性點(diǎn)接線盒中，但需兩組互感器型式、特性、廠家完全相同，以減少其引起的不平衡電流。

對(duì)磁平衡電流互感器安裝時(shí)，為使接線方便，中性點(diǎn)引入主接線盒，互感器裝在主接線盒中，因此必須保證主接線盒空間足夠大，以滿足電氣間隙和爬電距離要求。

3 振動(dòng)保護(hù)

發(fā)電機(jī)和電動(dòng)機(jī)經(jīng)常有由于振動(dòng)而引起的停機(jī)、停運(yùn)現(xiàn)象，需要通過(guò)振動(dòng)監(jiān)測(cè)，提前發(fā)現(xiàn)問(wèn)題并著手進(jìn)行處理，將故障隱患消滅在萌芽狀態(tài)，避免因振動(dòng)而造成的設(shè)備停運(yùn)或損壞，也可減少定期檢修的次數(shù)，為實(shí)現(xiàn)設(shè)備狀態(tài)檢修提供依據(jù)［2］。

3.1 振動(dòng)的原因

電機(jī)振動(dòng)的原因主要有5 種:(1)由于設(shè)計(jì)或加工缺陷造成的電磁振動(dòng);(2)由于轉(zhuǎn)子不平衡造成的機(jī)械振動(dòng);(3)滑動(dòng)軸承油膜振蕩造成的振動(dòng);(4)電機(jī)與主機(jī)對(duì)中不好造成的振動(dòng);(5)由于松動(dòng)造成的振動(dòng)。

3.2 振動(dòng)監(jiān)測(cè)

電機(jī)的振動(dòng)原因復(fù)雜，導(dǎo)致的后果也比較嚴(yán)重，只要能監(jiān)測(cè)到振動(dòng)，即可提早采取措施避免因振動(dòng)而造成設(shè)備的停運(yùn)或損壞。電機(jī)振動(dòng)一般監(jiān)測(cè)以下三個(gè)量:位移、速度、加速度［3］?？梢虿煌闆r而采用不同的監(jiān)測(cè)量。

電機(jī)的機(jī)殼或軸承外殼振動(dòng)監(jiān)測(cè)一般采用振動(dòng)速度監(jiān)測(cè)，要注意從電機(jī)附近的設(shè)備或與之耦合的設(shè)備傳遞過(guò)來(lái)的振動(dòng)可能激勵(lì)電機(jī)而產(chǎn)生固有頻率的振動(dòng);電機(jī)內(nèi)部故障所產(chǎn)生的力的各分量也可引起振動(dòng)，但這種振動(dòng)是很輕微的，因此很容易區(qū)分。

對(duì)于轉(zhuǎn)軸振動(dòng)監(jiān)測(cè)，可在軸上安裝合適的振動(dòng)傳感器，一般為電渦流傳感器，主要監(jiān)測(cè)振動(dòng)位移，安裝在軸承上或軸承附近，通過(guò)變送器將振動(dòng)信號(hào)傳遞出來(lái)進(jìn)行分析判斷。

對(duì)于軸承的監(jiān)測(cè)，可采用沖擊脈沖法監(jiān)測(cè)，因?yàn)檩S承發(fā)生磨損后，滾動(dòng)的表面出現(xiàn)凹凸坑，在滾動(dòng)接觸中產(chǎn)生應(yīng)力波，即所謂沖擊脈沖，這些脈沖處干超聲波頻段，可用對(duì)此頻段有很強(qiáng)諧振特性的壓電傳感器來(lái)監(jiān)測(cè)。

3.3 常用振動(dòng)監(jiān)測(cè)設(shè)備

(1)電渦流振動(dòng)傳感器

電渦流傳感器可以用來(lái)監(jiān)測(cè)軸與機(jī)殼之間的相對(duì)振動(dòng)，電渦流傳感器一般由探頭、延長(zhǎng)電纜及前置器組成。探頭端部與被測(cè)導(dǎo)體表面之間的電壓信號(hào)由系統(tǒng)輸出。既能進(jìn)行靜態(tài)位移測(cè)量又能進(jìn)行動(dòng)態(tài)位移測(cè)量，以及轉(zhuǎn)速測(cè)量。探頭有鎧裝和非鎧裝，帶有安裝螺紋及鎖緊螺母。前置器可以采用緊湊的導(dǎo)軌安裝，也可以采用傳統(tǒng)的面板安裝。兩種安裝基板均具有電絕緣性，不需要獨(dú)立的絕緣板。

(2)振動(dòng)速度傳感器

振動(dòng)速度傳感器一般采用磁電式，由傳感器和變送器兩部分組成，它的工作原理是法拉第電磁感應(yīng)定律，當(dāng)導(dǎo)體在磁場(chǎng)中作切割磁力線運(yùn)動(dòng)，則在導(dǎo)體兩端產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)。振動(dòng)速度傳感器一般安裝在電機(jī)的軸承座上，用以監(jiān)控軸承的振動(dòng)。

4 正壓保護(hù)系統(tǒng)

正壓保護(hù)系統(tǒng)應(yīng)用于正壓外殼型防爆電機(jī)或正壓外殼/增安型防爆電機(jī)中，電機(jī)主體與正壓保護(hù)系統(tǒng)相結(jié)合，使電機(jī)達(dá)到更高層次的防爆等級(jí)。

4.1 正壓保護(hù)系統(tǒng)起車條件

電機(jī)主體上安裝的正壓保護(hù)系統(tǒng)，在電機(jī)起動(dòng)前通過(guò)正壓保護(hù)系統(tǒng)向電機(jī)內(nèi)腔通入保護(hù)性氣體(干燥潔凈的空氣或惰性氣體)，當(dāng)電機(jī)內(nèi)腔壓力達(dá)到設(shè)定值時(shí)，泄壓閥開啟，電機(jī)內(nèi)腔進(jìn)入換氣過(guò)程，并且流量滿足保護(hù)系統(tǒng)設(shè)定時(shí)，控制單元的計(jì)時(shí)器啟動(dòng)，當(dāng)電機(jī)內(nèi)腔可燃性氣體在得到有效的置換后，泄壓閥關(guān)閉，電機(jī)互鎖開關(guān)動(dòng)作。當(dāng)電機(jī)聯(lián)鎖、中間壓力和低壓警報(bào)三個(gè)信號(hào)同時(shí)給出時(shí)，電機(jī)具備起車條件。

4.2 正壓保護(hù)系統(tǒng)的保護(hù)動(dòng)作原理

電機(jī)運(yùn)行期間自動(dòng)保持內(nèi)腔合適的泄露補(bǔ)償壓力，防止可燃性氣體進(jìn)入殼體內(nèi)部，同時(shí)控制單元上的泄露補(bǔ)償傳感器、中間壓力傳感器和最低壓力傳感器，對(duì)電機(jī)內(nèi)腔壓力進(jìn)行監(jiān)測(cè)。當(dāng)內(nèi)腔壓力低于中間壓力傳感器設(shè)定值時(shí)，中間壓力傳感器給出報(bào)警信號(hào);當(dāng)內(nèi)腔壓力低于最低壓力傳感器設(shè)定值時(shí)，最低壓力傳感器給出停機(jī)信號(hào)，系統(tǒng)將自動(dòng)報(bào)警或切斷系統(tǒng)電源。通過(guò)上述措施保證電機(jī)起動(dòng)及運(yùn)行時(shí)內(nèi)腔不含有爆炸性氣體。GB 3836.5 中規(guī)定對(duì)于在“1”區(qū)運(yùn)行的電機(jī)，保證電機(jī)內(nèi)腔保護(hù)氣體壓力大于外界氣體50Pa，對(duì)于在“2”區(qū)運(yùn)行的電機(jī)，保證電機(jī)內(nèi)腔保護(hù)氣體壓力大于外界氣體25Pa，使電機(jī)內(nèi)腔不會(huì)進(jìn)入爆炸性氣體形成爆炸性氣體環(huán)境［4］。但從電機(jī)安全性方面考慮，在“1”區(qū)和“2”區(qū)使用的電機(jī)內(nèi)腔最低壓力全部按高于外界氣體50Pa 設(shè)計(jì)，但限制最大內(nèi)部壓力不大于2.5kPa。

4.3 正壓保護(hù)系統(tǒng)

電機(jī)在起動(dòng)前通過(guò)正壓保護(hù)系統(tǒng)，充入新鮮空氣或惰性氣體，換氣量為電機(jī)外殼容積的5 倍，壓力0.5 ～1.6MPa，換氣結(jié)束后 )進(jìn)入泄漏補(bǔ)償狀態(tài)［5］，正壓保護(hù)系統(tǒng)的安裝示意見圖5。

圖5 正壓保護(hù)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖

5 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)增加以上保護(hù)措施，對(duì)電機(jī)的溫升、電流值、振動(dòng)值以及正壓外殼型電機(jī)的內(nèi)腔壓力等進(jìn)行監(jiān)控。不但可以直接反映設(shè)計(jì)中存在的缺陷，幫助設(shè)計(jì)者有針對(duì)性地改進(jìn)設(shè)計(jì)，完善產(chǎn)品，提高電機(jī)設(shè)計(jì)水平;更重要的是，當(dāng)電機(jī)提供動(dòng)力帶動(dòng)負(fù)載運(yùn)行時(shí)，一旦出現(xiàn)過(guò)電壓、欠電壓、過(guò)電流、缺相，過(guò)載、堵轉(zhuǎn)或者是機(jī)械故障時(shí)，能夠自動(dòng)報(bào)警或停機(jī)，有效的避免了電機(jī)的損傷，延長(zhǎng)電機(jī)的使用壽命。

［1］ 趙勇.電流互感器在高壓電動(dòng)機(jī)保護(hù)上的應(yīng)用［J］.防爆電機(jī)，2004.8.

［2］ 李幼倩，韓君強(qiáng).現(xiàn)代新型無(wú)刷勵(lì)磁同步電動(dòng)機(jī)的設(shè)計(jì)及應(yīng)用［M］.北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2009.

［3］ GB 10068—2008，軸中心高為56mm 及以上電機(jī)的機(jī)械振動(dòng) 振動(dòng)的測(cè)量、評(píng)定及限值［S］.

［4］ GB 3836.5—2004，爆炸性氣體環(huán)境用電氣設(shè)備 第5 部分:正壓外殼型“p”［S］.

［5］ 楊萬(wàn)青，陳興衛(wèi).電機(jī)實(shí)用設(shè)計(jì)技術(shù)［M］.北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2014.