大型高壓電機監控保護系統

張爽，鄒建華

(1 國家防爆電機工程技術研究中心，黑龍江佳木斯 154002;2 佳木斯電機股份有限公司，黑龍江佳木斯154002)

0 引言

隨著工業自動化水平的不斷提高，電氣設備的保護系統也越來越完善。大型高壓電機作為提供動力的關鍵設備，要保證其安全和穩定運行，完善的監控保護系統不僅可以對電動機可能出現的各種故障實施可靠的保護，而且可以更直接地反映設計中存在的缺陷，有助于設計者有針對性地改進設計，完善產品。本文針對電機常用的監控保護，如電機過熱保護、差動保護、振動保護、正壓保護等做詳細的介紹。

1 電機過熱保護

1.1 概述

大型高壓電動機通過在電機內部埋置相應的過熱保護測溫元件，監控電動機繞組及軸承的實際溫度。無論是由于過電壓、欠電壓、過電流、缺相，還是過載、堵轉等故障，均是通過電機繞組的溫升表現出來的。此類信號傳遞到電機保護器或溫度控制儀上，可立即切斷電動機的電源，對電動機進行保護。

1.2 常用的熱保護元件

在電動機過熱保護中，常用鉑熱電阻傳感器進行測溫。鉑熱電阻傳感器是一種精確度、靈敏度高的傳感器，其線性溫度阻值優于其它電阻式熱傳感器，且性能穩定、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的線圈及軸承的實際工作溫度。

(1)定子測溫元件

電機中常用的W、Z、D 定子測溫元件型號說明，見圖1。

圖1 定子測溫元件型號說明

(2)軸承測溫元件

軸承測溫常用W、Z、P、D 測溫元件型號說明，見圖2。

圖2 軸承測溫常用測溫元件型號說明

1.3 測溫元件的安裝

定子測溫元件安裝時，只需將傳感器嵌在電機鐵心處的定子繞組內，盡可能安裝在溫度較高一側，以便更準確的觀測電機內部溫度，定子測溫引線引出并固定在定子測溫接線盒內即可。

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

2 差動保護

對于高壓電動機容量在2 000kW 以上的，或容量雖然小于2 000kW 但根據用戶要求需要差動保護的電動機，在電流速度不能滿足靈敏度要求時，應裝設縱聯差動保護。電流互感器為差動保護中的測量元件，其測量效果好壞直接影響電動機保護效果，避免誤動作產生事故。根據保護方式不同，分為普通電流互感器和磁平衡電流互感器［2］。

2.1 電流互感器的保護原理

如果電動機正常運行或在差動保護區外，電動機每相電流值相等，流入繼電器的電流為零，繼電器不動作;在差動保護區內發生短路時一相為零，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，超過繼電器整定的動作電流，使繼電器瞬時動作，切斷電路保護電動機。這種保護方式應用廣泛(現在大部分高壓異步電動機的保護采用這種方式)。需要注意的是差動回路中兩相電流差要盡可能小，才可以減少差動保護的誤動作。普通電流互感器組成的差動保護原理如圖3 所示。

圖3 普通電流互感器的差動保護原理圖

電動機每相繞組始末引線分別入、出磁平衡電流互感器的環形鐵心窗口一次，電動機正常運行或啟動過程中，各相始端與終端電流一進一出，互感器一次安匝為零，二次無輸出，保護器動作。因此，在電動機沒有發生相間短路的情況下，電流互感器一次勵磁繞組內磁平衡，差動繼電器內沒有不平衡電流。現在部分高壓異步電動機和同步電動機的保護采用這種方式。磁平衡差動保護的原理如圖4。

圖4 磁平衡差動保護的原理圖

2.2 電流互感器的安裝

對普能電流互感器安裝時，電機中性點需引出至單獨接線盒，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的中性點接線盒中，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。

對磁平衡電流互感器安裝時，為使接線方便，中性點引入主接線盒，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 振動保護

發電機和電動機經常有由于振動而引起的停機、停運現象，需要通過振動監測，提前發現問題并著手進行處理，將故障隱患消滅在萌芽狀態，避免因振動而造成的設備停運或損壞，也可減少定期檢修的次數，為實現設備狀態檢修提供依據［2］。

3.1 振動的原因

電機振動的原因主要有5 種:(1)由于設計或加工缺陷造成的電磁振動;(2)由于轉子不平衡造成的機械振動;(3)滑動軸承油膜振蕩造成的振動;(4)電機與主機對中不好造成的振動;(5)由于松動造成的振動。

3.2 振動監測

電機的振動原因復雜，導致的后果也比較嚴重，只要能監測到振動，即可提早采取措施避免因振動而造成設備的停運或損壞。電機振動一般監測以下三個量:位移、速度、加速度［3］。可因不同情況而采用不同的監測量。

電機的機殼或軸承外殼振動監測一般采用振動速度監測，要注意從電機附近的設備或與之耦合的設備傳遞過來的振動可能激勵電機而產生固有頻率的振動;電機內部故障所產生的力的各分量也可引起振動，但這種振動是很輕微的，因此很容易區分。

對于轉軸振動監測，可在軸上安裝合適的振動傳感器，一般為電渦流傳感器，主要監測振動位移，安裝在軸承上或軸承附近，通過變送器將振動信號傳遞出來進行分析判斷。

對于軸承的監測，可采用沖擊脈沖法監測，因為軸承發生磨損后，滾動的表面出現凹凸坑，在滾動接觸中產生應力波，即所謂沖擊脈沖，這些脈沖處干超聲波頻段，可用對此頻段有很強諧振特性的壓電傳感器來監測。

3.3 常用振動監測設備

(1)電渦流振動傳感器

電渦流傳感器可以用來監測軸與機殼之間的相對振動，電渦流傳感器一般由探頭、延長電纜及前置器組成。探頭端部與被測導體表面之間的電壓信號由系統輸出。既能進行靜態位移測量又能進行動態位移測量，以及轉速測量。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軌安裝，也可以采用傳統的面板安裝。兩種安裝基板均具有電絕緣性，不需要獨立的絕緣板。

(2)振動速度傳感器

振動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定律，當導體在磁場中作切割磁力線運動，則在導體兩端產生感應電動勢。振動速度傳感器一般安裝在電機的軸承座上，用以監控軸承的振動。

4 正壓保護系統

正壓保護系統應用于正壓外殼型防爆電機或正壓外殼/增安型防爆電機中，電機主體與正壓保護系統相結合，使電機達到更高層次的防爆等級。

4.1 正壓保護系統起車條件

電機主體上安裝的正壓保護系統，在電機起動前通過正壓保護系統向電機內腔通入保護性氣體(干燥潔凈的空氣或惰性氣體)，當電機內腔壓力達到設定值時，泄壓閥開啟，電機內腔進入換氣過程，并且流量滿足保護系統設定時，控制單元的計時器啟動，當電機內腔可燃性氣體在得到有效的置換后，泄壓閥關閉，電機互鎖開關動作。當電機聯鎖、中間壓力和低壓警報三個信號同時給出時，電機具備起車條件。

4.2 正壓保護系統的保護動作原理

電機運行期間自動保持內腔合適的泄露補償壓力，防止可燃性氣體進入殼體內部，同時控制單元上的泄露補償傳感器、中間壓力傳感器和最低壓力傳感器，對電機內腔壓力進行監測。當內腔壓力低于中間壓力傳感器設定值時，中間壓力傳感器給出報警信號;當內腔壓力低于最低壓力傳感器設定值時，最低壓力傳感器給出停機信號，系統將自動報警或切斷系統電源。通過上述措施保證電機起動及運行時內腔不含有爆炸性氣體。GB 3836.5 中規定對于在“1”區運行的電機，保證電機內腔保護氣體壓力大于外界氣體50Pa，對于在“2”區運行的電機，保證電機內腔保護氣體壓力大于外界氣體25Pa，使電機內腔不會進入爆炸性氣體形成爆炸性氣體環境［4］。但從電機安全性方面考慮，在“1”區和“2”區使用的電機內腔最低壓力全部按高于外界氣體50Pa 設計，但限制最大內部壓力不大于2.5kPa。

4.3 正壓保護系統

電機在起動前通過正壓保護系統，充入新鮮空氣或惰性氣體，換氣量為電機外殼容積的5 倍，壓力0.5 ～1.6MPa，換氣結束后 )進入泄漏補償狀態［5］，正壓保護系統的安裝示意見圖5。

圖5 正壓保護系統的結構示意圖

5 結語

通過增加以上保護措施，對電機的溫升、電流值、振動值以及正壓外殼型電機的內腔壓力等進行監控。不但可以直接反映設計中存在的缺陷，幫助設計者有針對性地改進設計，完善產品，提高電機設計水平;更重要的是，當電機提供動力帶動負載運行時，一旦出現過電壓、欠電壓、過電流、缺相，過載、堵轉或者是機械故障時，能夠自動報警或停機，有效的避免了電機的損傷，延長電機的使用壽命。

［1］ 趙勇.電流互感器在高壓電動機保護上的應用［J］.防爆電機，2004.8.

［2］ 李幼倩，韓君強.現代新型無刷勵磁同步電動機的設計及應用［M］.北京:機械工業出版社，2009.

［3］ GB 10068—2008，軸中心高為56mm 及以上電機的機械振動 振動的測量、評定及限值［S］.

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

［5］ 楊萬青，陳興衛.電機實用設計技術［M］.北京:機械工業出版社，2014.