浅谈电动机保护控制器在水泵设备上的应用探讨

胡冠楠

安科瑞电气股份有限公司 上海嘉定

   摘要：在生产过程中，如果设备运行不畅，或者出现故障都会直接影响到生产活动的正常进行，给企业带来较大的经济损失。而导致设备产生故障的关键因素之一就是电动机出现问题，由于保护措施不到位导致电动机停止运转甚至直接烧毁，从而影响到生产的质量和效率。

   本文通过对水泵电动机的保护措施的探讨和研究，希望能给相关人员的工作开展提供帮助，保障生产过程中水泵电动机的良好稳定运行。并介绍了适合水泵电动机使用的ARD2F系列电动机保护器。

   关键词：水泵电动机、电动机、智能保护

一、概述：

   目前水泵系统设备上使用的电机，大部分采用热继电器，作为电机的过载保护元件，因其体积小、结构简单、成本低等优点在生产中得到了广泛应用。但由于热继电器灵敏度低、误差大、稳定性差，保护不可靠。受环境、温度、本身材料等影响，在保护电机方面，已经不能适应现代化生产的需要。

二、水泵设备电机损坏原因及改进的目的

   电动机超负荷运转、在相对潮湿的环境下工作、散热出现问 题或者电流过大都有可能导致出现故障，其中对于水泵电动机而言，由于设备进水而导致其烧毁的比例相对较大。这一方面是由于为了提高传输效率或者出于安装空间的考量大多数水泵电动机属于一体式泵机组合系统，即电动机和水泵的叶轮使用的是同一根传动轴，主要是通过机械密封来防止水或者其他液体进入电动机的绕组内，但这种机械密封难以有效地进行事前预防，一旦损坏，电动机进水后必然会产生故障。另一方面水泵电动机的工作现场环境不可避免地会接触到水或其他液体，这也进一步加大了其进水烧毁的风险。

   对于一些生产制造型企业来说，一旦电动机停转或者运转不正常，都会影响其产品的生产进度和生产质量，不仅会增加生产成本，对企业长久的发展也极为不利。对电机保护器选型也提出了苛刻的要求。所以在选择保护器上一定要考虑电机与保护器的合理配用关系。理想的电机保护器不是功能最多，也不是所谓的，而是应该满足现场实际需求，做到经济性和可靠性的统一，具有较高的性能价格比。

三、智能电机保护器的现场应用与选型

   以我们用常见的智能型保护器为例来说明，介绍一下电机保护器外部输入与保护器的配合关系，以便给选型和使用提供一些参考。

   常见的几种引起电机故障源输入信号连接方式。主要有：电压信号输入、电流信号输入、零序信号输入、温度信号输入。电源采用交流220V供电，输出方式直接采用接触器控制。其他输入输出功能备选，如模拟量输出可直接连接电压表、电流表,以及作为其他外接设备的驱动信号。RS485通讯接口可用来远程计算机连接监测控制电机，作为大型设备和危险操作场所是的。开关量信号输入可作为电机启动模式选择，使用比较灵活。作为扩展功能备用。

3.1 欠压、过压、缺相保护

3.1.1 欠压

   当供电系统出现不正常的情况，电压降低到一定程度，电机就会出现疲劳、堵转，达到几倍的过电流。有时，在电压恢复的瞬间，快要停转或已经停转的电机同时运转，会导致线路电压的重新下降，在配电系统中要尽量避免。所以，接入欠压保护是十分必要的。

3.1.2 过压

   外因：由雷击引起。

   操作过电压：由分闸、合闸等开关操作引起线路电感在器件两端感应出的过电压。

   当供电系统中，其相电压高于我们预设的保护电压值，保护器动作，断开常闭触点、使KM断电，主触头断开，电机停转。从而保护电机。

3.1.3 缺相

   在水泵系统中，有相当一部分设备采用三相不接地供电。当供电系统中，某一相断电， 会使设备电机电流突然增大，使输入电压不正常，当电压值异常于设定值，保护器动作。切断KM接触器。

3.2 过流保护

   过流保护是电机保护中的重点，对电机的危害也最大。主要包括过载、短路、堵转、三相不平衡等。我们把电流互感器作为检测和输入元件。

3.2.1 过载

   如果在某种情况下使电机的实际使用功率超过电机的额定功率，则称这种现象为电机过载。过载电机的工作电流大于其额定电流，通常在1.5倍以内应属正常范围。一旦超出正常范围，保护机构动作，切断接触器，同时发出过载信号。

3.2.2 短路

   三相电机的短路情况复杂一些，有单相接地短路，也有相间短路；单相接地短路时中任意一相与PE线直接短接了，一般不会烧毁电机，但是会在电机外壳带电，容易造成触电。另外就是相间短路，有两相短路，也有三相短路，三相短路电流会大得多。电机内部短路大都是电机绕组绝缘损坏造成的，绝缘损坏一般是电机长时间过载运行造成。当电机绝缘破坏、内部匝间短路、接线错误等，都将发生短路现象，瞬间的短路电流使保护器动作，避免事故进一步扩大。

3.2.3 堵转

   当负载突然增大，电机本身内部问题（轴承损坏、扫膛） 、传动机构、变速器等，上述任何一个环节出现问题，都是导致堵转的原因。堵转会使电机电流持续增加，可达额定电流的7倍，时间稍长就会烧坏电机，当电流值达到保护器设定值时，保护器动作。

3.3 零序保护

   零相序保护输入端，正常运行的电机电流大小、向量之和等于零，零序互感器二次线圈的电流也为零，当发生接地故障时，零序互感器二次线圈将出现较大的电流，发出信号切断供电，零序保护主要用来作为漏电保护。

3.4 温度检测

   高温是电机绝缘的杀手，有时电流值未达到保护值，但是温度已经高到足以损害绝缘状态时，应该加以保护。在电机内部安装一个热敏元件，当环境温度变化、散热不良等一些原因，设备出现异常致使温度升高，超出我们设定的温度范围，保护器执行保护动作，断开电机回路，避免高温带来的设备损害。

   以上我们只做了几种常用的保护措施输入，对一些不经常巡视、距离远、危险场所（如高温、腐蚀），应配合远程控制功能，既保证设备的正常运行，又可保证人员的安全，使生产顺利进行。

   对于一般电机，以上保护环节已经基本能满足现场需要。当然还要考虑到现场环境， 如现场湿度、环境温度，操作端与执行端距离的要求，设备维护周期，对电网波动敏感程度等。

   经过以上改进，使我们能够提前预知电机运行状态，在出现问题时，能够及早判断。通过保护器的回看功能，还能判断出现问题的基本位置，为维修维护提供依据。

四、保护器选择分类

   现代智能电机保护器还有很多在实际生产中需要的功能，如回看功能、远程通讯、远程控制、多种启动方式选择等。

   保护器在类型上分为：一般普通型、数码显示监控型、智能监控中文显示型。

4.1 一般普通型

结构比较简单，主要功能以突出过载、缺相(三相不平衡)堵转等故障保护。故障类型采用指示灯显示。

4.2 数码显示监控型

数码显示监控型保护器， 内部电路运用单片机，采用数码管作为显示窗口，智能化综合保护， 集保护、测量、通讯、显示为一体。整定电流采用数字设定，用户可以自行对各种参数修正。

4.3 智能监中文显示控型

智能汉字显示更适合国内，与其他类型相比，功能更加完善。此类产品对各种参数、状态、信息直接在操作面板单元上中文汉显液晶显示，使界面更加直观醒目，并且支持远程计算机通讯功能。启动方式有多种选择，并有存储回看功能，给后期的维护维修提供了数据依据。

五、保护器在选择上应注意事项

   在选择保护器的同时，还要考虑到以下几种因素：

(1)电动机主要参数：主要是功率、电压、电流、频率方面,为选型提供依据。(2)使用环境因素的影响：主要指温度、湿度、污染等。(3)电动机使用方向：指拖动机械设备要求。(4)控制系统：控制模式有手动、自动化程序等工作运行。启动方式有直接、降压、星三角、频敏变阻器、变频器、软起动等启动方式。(5)安装要求：在选型上要考虑安装空间大小，留有足够的余量，便于散热及接线、维护、查看方便。(6)灵敏度要求：是带载启动还是空载启动，是满载还是逐渐加载，主要是在电流设定方面要考虑到启动瞬间的电流值与额定电流值之间的时间差。(7)其他方面：如生产现场对电动机位置的随意性、启动停止的频繁程度等。

六、ARD系列电动机保护器产品选型介绍

          ARD智能电动机保护器适用于额定电压至660V的低压电动机回路，集保护、测量、控制、通讯、运维于一体。其完善的保护功能确保电动机安全运行，带有逻辑可编程功能，可以满足多种控制方式。该产品采用分体式结构，由主体、显示单元、互感器组成，可适应各种柜体的安装。可选配不同通讯模块适应现场通讯需求。

6.1、功能特点

■  支持基波和全波电力参数测量（U、I、P、Q、S、PF、F、EP、EQ），电流及电流不平衡度、电流正序、负序、零序分量、电压、三相电压相角、剩余电流。

■  保护功能包括过载反时限、过载定时限、接地、起动超时、漏电、欠载、断相、堵转、阻塞、短路、溢出、不平衡(电流、电压)、过功率、欠功率、过压、欠压、相序、温度、tE时间、外部故障、起动次数限制、运行时间报警、故障次数报警。

■  9路可编程DI输入，默认采用内置DC24V电源，也可选择外部有源湿接点。

■  5路可编程DO输出，满足直接起动，星—三角起动，自耦变压器起动，等多种起动方式，可通过通讯总线实现主站对电动机的遥控“起/停"。

■  可选抗晃电功能：支持晃电立即再启动、失压重起动。

■  可选配MODBUS_RTU通讯、PROFIBUS DP通讯，支持最多2路通讯接口。

■  可选配1路DC4-20mA模拟量输出接口，与DCS系统相接，可实现对现场设备的监控。

■  具有故障记录、起动记录、停车记录、DI变位记录和再起动记录等各类事件记录。

■  显示界面液晶显示，支持中/英文切换。

6.2、产品选型 

五、结束语

   通常选用电机保护器，要充分考虑到电机的过载能力，避免损坏。提高可靠性和生产的连续性。力争做到经济合理。在功能选择上应综合考虑到电机的本身的价值、负载类型、使用环境、占主体设备上的重要程度、停止电机运行是否会对生产造成影响以及影响的程度等因素。

   通过以上改造，必定能改善供电、用电系统的安全性与稳定性，并且对水泵电气控制系统的自动化水平提高了一个台阶， 同时大大降低了维修成本， 提高了电机的运行效率， 增加了经济效益，对水泵电动机具有积极的推进作用。

参考文献：

[1]夏智伟.水泵电动机的保护措施探讨[J].科技资讯, 2020.01期

[2] 安科瑞企业微电网设计与应用手册.2022.05版.

[3] GB 14048.4-2020 低压开关设备和控制设备 第4-1部分：接触器和电动机起动器机电式接触器和电动机起动器(含电动机保护器).