電機短路故障PLC 自控系統(tǒng)防護設計

馬忠波

（甘肅有色冶金職業(yè)技術學院，甘肅 金昌 737100）

電機屬于工業(yè)生產(chǎn)過程中非常重要的機械設備，對工業(yè)生產(chǎn)的安全性、穩(wěn)定性會產(chǎn)生直接影響，一旦出現(xiàn)電機的故障問題或是安全問題，將會導致工業(yè)生產(chǎn)的整體工作受到影響，甚至還會引發(fā)嚴重的經(jīng)濟損失。為預防電機短路故障的發(fā)生，應重點按照故障的特點與情況強化PLC 自控系統(tǒng)的防護設計，健全防護模式和機制，有效規(guī)避出現(xiàn)電機短路故障問題。

1 電機短路故障問題原因

電動機運行期間經(jīng)常會出現(xiàn)故障問題，短路故障最為常見，對設備的性能、安全與穩(wěn)定運行都會產(chǎn)生直接的影響。通常情況下出現(xiàn)電機短路故障問題的原因，就是在設備啟動環(huán)節(jié)很短時間之內(nèi)，電流快速性地提升，達到最高數(shù)值時就可能會比電機本身的額定電流高很多，容易引發(fā)短路故障。另外，也可能是在出現(xiàn)電壓事故問題、雷擊事故問題之后使得主絕緣結構擊穿，在絕緣被損壞或是出現(xiàn)老化現(xiàn)象之后就會引發(fā)電機的短路故障。與此同時，電機設備運作期間受到溫度因素的影響出現(xiàn)故障，尤其是在內(nèi)部溫度變化均勻之后，容易導致電機出現(xiàn)嚴重的絕緣問題，出現(xiàn)短路故障現(xiàn)象，很難進行預防與控制。

2 電機短路故障PLC自控系統(tǒng)防護問題

PLC 屬于可編程控制器，工業(yè)生產(chǎn)過程中應用相關自控系統(tǒng)，能夠推動電機設備的有效運行，起到一定的控制作用和監(jiān)測作用，可以形成對電機的良好防護作用。但是，系統(tǒng)在運行的過程中，需要等待電流處于穩(wěn)定狀態(tài)值之后才能采樣，很容易出現(xiàn)延時現(xiàn)象，不能準確了解短路故障問題發(fā)生原因，無法合理使用控制措施。尤其是在電機設備發(fā)生嚴重短路故障問題之后，自控系統(tǒng)無法實時性、動態(tài)性地監(jiān)控分析，難以起到防護作用，引發(fā)嚴重后果，導致企業(yè)出現(xiàn)經(jīng)濟損失。而PLC 自控系統(tǒng)在電機短路故障防護工作中應用效果不足、應用水平低的原因，就是相關自控系統(tǒng)的性能較低，缺乏一定的可靠性與穩(wěn)定性，不能有效更新、改進系統(tǒng)的運行，無法形成良好的故障防護作用，對故障問題的嚴格控制、有效規(guī)避造成不利的危害[1]。

3 電機短路故障的PLC自控系統(tǒng)防護設計措施

為預防和避免電機短路故障問題對工業(yè)生產(chǎn)造成不利的影響，筆者建議應合理設計PLC自控系統(tǒng)防護模式，不斷增強系統(tǒng)的故障分析、故障研究效果，確?？刂葡到y(tǒng)的防護水平。主要措施有以下幾個方面。

3.1 明確應用的方法與原理

通常情況下，電機在長時間、高溫狀態(tài)下運行，絕緣部件會快速老化，出現(xiàn)變脆的現(xiàn)象，彈性不斷降低，并且電機運作的過程中，在熱膨脹影響之下很容易導致絕緣層出現(xiàn)斷裂、剝離等現(xiàn)象，并且定子線圈電流、電樞反應橫向漏磁作用之下，會形成徑向點動力，導致線圈槽內(nèi)部區(qū)域的直線上層、下層之間同向并且電流方向一致的情況下，作用力很高，會向著槽底的方向壓入，如若槽體的內(nèi)部區(qū)域存有縫隙，那么就會由于振動因素出現(xiàn)絕緣層脫落的問題，引發(fā)嚴重的短路故障，多數(shù)故障問題集中在槽口的端部區(qū)域，主要原因就是線圈伸出到槽口的直線位置區(qū)域，很容易受到周圍線圈、相同層面異相線圈點動力的影響，出現(xiàn)切向交變彎曲力矩，在此過程中，電磁力數(shù)值的大小和電流平方之間呈現(xiàn)出正比的狀態(tài)，因此在電機啟動期間力矩會提升很多倍，箍匝線會出現(xiàn)松動現(xiàn)象，端部的絕緣層會由于線圈振動發(fā)生磨損的問題，在經(jīng)歷很多次啟動之后會出現(xiàn)單相對地短路問題、相間短路問題。與此同時，也可能會有大面積短路的現(xiàn)象，原因就是局部有效電弧，導致絕緣層次發(fā)生碳化的問題，小電弧在電壓峰值變化的情況下發(fā)生改變，電壓數(shù)值超過0 的情況下，電弧也會熄滅，而電弧多次出現(xiàn)之后，會導致絕緣層完全性的碳化，其中銅導體也很容易熔化，短路電流迅速增高，出現(xiàn)多個位置短路故障問題，如果能夠在發(fā)生問題的最初階段及時發(fā)現(xiàn)、了解，就可以及時停機維修，預防引發(fā)經(jīng)濟損失或是其他事故問題。在此過程中，應重點設計PLC 自控系統(tǒng)防護模式，借助計數(shù)器設備利用短路電弧方面的電流脈沖觸發(fā)，使得計數(shù)器設備能夠準確執(zhí)行脈沖數(shù)量的計數(shù)工作，在脈沖數(shù)據(jù)值達到設計數(shù)值的情況下，自動化地停機處理，預防出現(xiàn)電機短路問題或是其他的問題[2]。

3.1.1 合理選定元件參數(shù)值

設計PLC 自控系統(tǒng)電機短路故障防護模式的過程中，假設電機的電流是I，LH1 屬于原本的電流互感器，變比是I/I1=K1，LH2 屬于自制類型的電流互感器設備，I1/I2=K2，Z1 屬于整流管，Z2 屬于穩(wěn)壓管，需要保證R1 ≤（R2+R3），就應該將穩(wěn)壓管穩(wěn)定電壓取值設定成為UZ=4 V。在J 處于斷開狀態(tài)的情況下，利用以下公式進行計算：

公式中如果UB≥UZ，那么UC就與UB之間相等，就要設計可控硅導通的形式；如果UB＜UZ，那么UC就是0，就要設計可控硅關閉的形式。并且在明確K2 數(shù)值、R1 數(shù)值、R2 數(shù)值的情況下，I2 和R1 的數(shù)值不能過高，以免出現(xiàn)R1熱度過高的現(xiàn)象，避免熱量過大而燒毀。通常情況下，如果電機的額定電流在350 A左右，那么，就要將I2的數(shù)值取為40 mA，R1數(shù)值設定成為100 Ω，R2數(shù)據(jù)值設定成為1 kΩ，R3 數(shù)值設定成為2 kΩ。在電機設備正常運轉的情況下，J處于斷開的狀態(tài)，啟動的過程中J處于閉合的狀態(tài)，并且R3的數(shù)據(jù)值、R4 的數(shù)據(jù)值直接影響著短路脈沖電流觸發(fā)數(shù)據(jù)值，因此，應按照實際情況進行取值，增強PLC自控系統(tǒng)的防護水平、防護科學性，以免影響系統(tǒng)運行的穩(wěn)定度。

3.1.2 運行階段的參數(shù)取值

電機設備在實際運行方面電流一般處于非常穩(wěn)定的狀態(tài)，觸發(fā)數(shù)值可以設定很小的標準，但是，可能會受到電網(wǎng)過電壓等各類偶然因素的影響出現(xiàn)問題，因此應該將數(shù)值設定在I=1.5IN，其中的IN 代表的是額定電流，計數(shù)器的相關數(shù)值應該設定成K=5，保證可以預防出現(xiàn)系統(tǒng)誤動的現(xiàn)象，同時還需將所選取的數(shù)據(jù)值利用公式進行計算分析和處置，保證所選的數(shù)值能夠符合標準[3]。

3.1.3 啟動環(huán)節(jié)數(shù)值的設定

電機設備的啟動階段內(nèi)部參數(shù)會在時間推移的情況下發(fā)生變化，啟動電流、電磁轉矩和負載的重量存在直接聯(lián)系，無法準確、合理地將各個時刻電流數(shù)據(jù)值計算出來，應通過示波器的定時讀數(shù)措施，獲得相應的電流、時間關系圖。獲得關系圖之后應按照實際情況明確分析最初啟動一秒鐘的時間范圍電流有著迅速地改變，之后平穩(wěn)性降低，所以可以將啟動最初一秒鐘以后的電流副值當作是計數(shù)器設備的觸發(fā)數(shù)據(jù)值，通常設定在2.9IN～3.4IN 之間，按照負載重量差異性合理性地設定。應用的過程中也應該注意，盡量利用實測的措施明確I觸發(fā)數(shù)值，為保證在出現(xiàn)電弧的情況下可以可靠進行計數(shù)器設備的觸發(fā)，減少系統(tǒng)的響應時間，應做好實測實驗分析工作、模擬實驗分析工作，將計數(shù)器的K數(shù)值設定在70左右，明確I觸發(fā)數(shù)據(jù)值以后需按照公式內(nèi)容計算R4 的數(shù)值，確保相應的PLC 自控系統(tǒng)的防護應用效果、應用水平[4]。

3.1.4 做好可靠性的實驗評價

工作中應嚴格分析、驗證研究系統(tǒng)的可靠性特點，利用廢棄類型的電機設備執(zhí)行匝間的相對地分析工作、相間短路試驗分析工作，利用試驗研究的形式、分析的措施等，明確電機設備的運行狀態(tài)，無論匝間或者是相對地，都需要做好短路電流脈沖計數(shù)的相關工作，尤其是在啟動狀態(tài)方面，如果I=3IS，并且K=70，那么，系統(tǒng)方面的相對地短路電流脈沖就符合可靠性的標準，但是，匝間短路的電流脈沖不具備一定的可靠性，因此，在完成實驗分析工作之后需結合電機短路的特點與狀況，合理使用PLC自控系統(tǒng)，完善相應的防護模式和防護機制，促使各項工作良好實施[5]。

3.2 完善系統(tǒng)設計模式

電機短路故障的PLC 自控系統(tǒng)防護設計的工作中應完善其中的系統(tǒng)設計模式，健全輸入采樣的模塊、程序執(zhí)行的模塊、輸出刷新的模塊，增強系統(tǒng)的應用水平，發(fā)揮系統(tǒng)在電機短路故障預防、控制、防護過程中的作用價值。1）在設計輸入采樣模塊的過程中，應重點將控制電機的命令輸入到采樣模塊中，利用PLC系統(tǒng)進行所采集信息的分析、解讀、研究，之后將模塊、影響區(qū)、裝置等各類信息輸出，合理進行命令傳送的情況下，利用電機繼電器設備合理接收其中的信號內(nèi)容，精確、準確地輸入電機運行狀態(tài)數(shù)值、開關量模塊數(shù)值，利用先進的自控系統(tǒng)反饋電機的運作狀況數(shù)值，反復、循環(huán)地處理，便于有關工作部門利用PLC自控系統(tǒng)的防護模式掌握電機的運作狀況，實時、動態(tài)地監(jiān)控處理，及時了解電機短路的故障問題和安全隱患，保證防護設計的科學化程度。2）設計電機短路故障原因分析的模塊，科學化、動態(tài)地分析故障發(fā)生原因，預防出現(xiàn)延時問題，合理監(jiān)控電機設備啟動過程中的電流狀態(tài)，如若有電流過高的現(xiàn)象，就應自動停機，避免出現(xiàn)嚴重的短路后果，使得系統(tǒng)可以安全、穩(wěn)定地運作[6]。

3.3 合理設計防護模式

系統(tǒng)實際運行期間應重點進行短路電弧電流脈沖數(shù)量的統(tǒng)計分析，借助計數(shù)器完成工作，通過穩(wěn)壓管穩(wěn)定電壓數(shù)據(jù)值的分析和研究，合理設計整流管部件、電流互感器部件、穩(wěn)壓器部件等，合理分析電機的運作原理，充分研究和考慮各個元件的參數(shù)情況，獲取到短路脈沖電流的觸發(fā)數(shù)值，增強系統(tǒng)在預防電機短路故障方面的防護效果，準確分析研究電機設備的運行參數(shù)、啟動參數(shù)，掌握設備啟動過程中的電流變化狀態(tài)，明確分析電流數(shù)值、轉差率數(shù)值、電磁轉矩數(shù)值、負載數(shù)值等，全面掌握啟動環(huán)節(jié)電流變化狀態(tài)的情況下，測定各個時間段的電流變化情況，通過實際檢測方式、模擬檢測的方式處理，保證數(shù)據(jù)信息的精確度。為保證PLC 自控系統(tǒng)運行過程中精確地進行電機設備短路脈沖計數(shù)處理，增強匝間短路方面的電流脈沖計數(shù)效果和準確度，應完善系統(tǒng)的運行模式、運作機制，提出相應的短路故障防護要求、防護標準，凸顯故障問題的防護作用和價值，有效杜絕隱患問題，降低電機短路故障現(xiàn)象的發(fā)生率，增強相關的故障分析與預防工作效果[7]。

3.4 合理設計程序

電機短路故障的PLC 自控系統(tǒng)防護設計的過程中，應保證各個程序的完善性，科學設計程序的情況下增強相應故障防護的有效性，避免產(chǎn)生嚴重的經(jīng)濟損失。

3.4.1 合理設計主程序

主程序設計過程中應明確要求從輸入單元檢測輸入量，準確進行KM閉合狀態(tài)的判斷。如若已經(jīng)處于閉合的狀態(tài)，就證明電機設備開始運作，此情況下不能按下啟動按鈕；如果沒有處于閉合狀態(tài)，就證明電機設備已經(jīng)停機，可以進行啟動操作。在此之后系統(tǒng)還需明確是否已經(jīng)按下啟動按鈕，如果已經(jīng)按下就要繼續(xù)之后的程序，如果沒有按下就要重新檢測分析。在已經(jīng)按下啟動按鈕之后，需要針對電機設備的啟停情況合理檢測分析，如果電機設備正常啟動，就可以判斷成為成功使用；如果沒有正常啟動，就需要進入到保護的界面，全面掃描是否存在短路故障問題、安全隱患問題，通過科學化的檢測方式、合理性的故障處理方式增強電機設備的運作效果，使其能夠安全、穩(wěn)定地運行，保證系統(tǒng)的良好應用。在主程序設計的過程中，應完善其中的短路故障檢測分析功能，保證三相電流的有效檢測，一旦發(fā)現(xiàn)有短路故障的風險隱患就要迅速啟動保護模式，進行報警并亮起故障指示燈，確保后續(xù)程序的良好運行，準確判斷故障，準確進行掃描，合理進行保護，形成良好的故障防控作用[8]。

3.4.2 合理設計子程序

為保證PLC 自控系統(tǒng)具備一定的電機短路故障的保護作用，應做好子程序的設計工作。首先，合理設計欠壓保護類型的子程序，要求子程序在運行期間準確采集分析不同相的電壓數(shù)據(jù)值，求取平均值信息，之后和整定值之間相互對比分析，如果平均數(shù)值比整定值小，那么就要跳轉到保護子程序，實現(xiàn)欠壓保護的目的，做出相應的報警，亮起欠壓故障指示燈，如若沒有出現(xiàn)故障，就可以結束循環(huán)；如果有故障問題，就應強化故障控制的力度。其次，重點設計啟動時間過長方面保護的子程序，在這個程序之內(nèi)需要準確、全面進行三相電流數(shù)量的采集處理，如若有啟動環(huán)節(jié)電流數(shù)值高于整定值的現(xiàn)象，或者是在符合整定時間要求之后電流數(shù)值高于整定值，就要跳轉到保護動作方面的子程序，確保起到一定的啟動時間過長的保護作用，做出報警操作，便于工作部門結合實際情況有效進行電機短路故障防護處理[9]。

4 結語

綜上所述，電機設備運行過程中受到諸多因素的影響，經(jīng)常會出現(xiàn)短路故障問題，對整體系統(tǒng)的運行、設備的穩(wěn)定應用都會造成不利影響。因此，在電機設備運行工作中，需結合電機短路故障的發(fā)生特點、發(fā)生情況，完善PLC自控系統(tǒng)的保護模式、保護功能，合理設定各類取值的指標，嚴格預防出現(xiàn)故障問題，起到短路故障防護和預防作用。