淺談智能電動機保護控制器在煤礦業(yè)中的應用

安科瑞 鮑靜君

　　摘要:介紹了礦用電動機智能綜合保護器系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)，采用直接將交流信號整流、濾波、調(diào)整、采樣的方式變?yōu)槲⒖刂破髂軌蜃R別的直流信號，通過對微控制器采集到的直流信號編程判斷來實現(xiàn)對電動機的相關保護控制、故障顯示與報警以及與上位機的通信。同時還介紹了有關礦井下電動機經(jīng)常出現(xiàn)的故障及其原因和判斷這些故障所使用的檢測和保護方法。

　　關鍵詞：電動機；智能保護器；結(jié)構(gòu)分析；微控制器；互感器

　　0 引言

　　電動機在運行狀態(tài)下可能會發(fā)生各種各樣的故障，這與工作環(huán)境、使用方式和維護周期等因素密切相關。特別是在煤礦井下，由于井下環(huán)境惡劣，電動機長時間暴露在煤塵、潮濕等惡劣環(huán)境中，容易導致電動機散熱道堵塞等，經(jīng)常會出現(xiàn)電動機的燒損[1-3]。因此，電動機智能綜合保護器的設計就顯得非常重要。

　　1 電動機智能綜合保護器結(jié)構(gòu)分析

　　礦用電動機智能綜合保護器的系統(tǒng)指的是通過電流互感器和電壓互感器對煤礦井下電網(wǎng)供電系統(tǒng)進行變壓，通過信號修理電路和信號采集電路（A/D轉(zhuǎn)換電路），后轉(zhuǎn)換成微控制器能夠識別的數(shù)字信號；通過對微控制器進行相關編程，對采集到的信號進行處理，判斷電動機當前處在什么狀態(tài)；通過對該狀態(tài)的判斷，經(jīng)由電動機保護控制電路實現(xiàn)對電動機的保護和控制。同時由于對煤礦井下電動機的現(xiàn)場巡檢并不是很方便，在此設計的電動機智能綜合保護器還要加上與井上上位機通信的功能。為方便就地檢查，同樣需要在保護器上設置電動機狀態(tài)顯示與報警界面，實現(xiàn)良好的人機交互，同時應加上按鍵調(diào)節(jié)功能以適應不同電網(wǎng)電壓等級下對電動機不同的要求。

　　2 保護器工作狀態(tài)分析

　　2.1漏電保護

　　煤礦井下電動機及其供電線路常見的漏電故障有：

　?。ǎ保╇妱訖C或者供電線路因長期暴露在潮濕環(huán)境中，導致其絕緣電阻下降，流向大地的對地電流變大，從而使電動機及電氣設備外殼帶電。

　?。ǎ玻╇妱訖C或者供電線路帶電體發(fā)生部分現(xiàn)象，致使未受到高度重視的井下人員誤觸到該處，直接或者間接通過導體工具而致使其中一相接地，造成漏電事故。

　?。ǎ常╇妱訖C或者供電線路絕緣部分因為久置老化、電壓性擊穿或者機械損壞等原因而發(fā)生一相中的金屬性接地或弧光接地。

　　人身觸電造成傷亡的危險主要與流經(jīng)人身的觸電電流和流過這些電流時間長短有關系。一般在不考慮電網(wǎng)電容情況下，人體觸到一相導線時，30mＡ為允許通過人體的大觸電電流，即30mＡ以下不至于發(fā)生生命危險。井下在660V時引爆瓦斯的火花電流為50mA以下。所以，漏電臨界電流值應該為30mA。

　　在忽略電網(wǎng)對地分布電容情況下，對于中性點不接地系統(tǒng)中人體觸電電流計算公式為:式中：Ir為通過人體的電流，單位為Ａ；Ｅ為供電電路的相電壓，單位為Ｖ；ｒ為供電電路每相的對地絕緣電阻值，單位為Ω；Rr為人體電阻值，單位為Ω，在煤礦井下一般按照低值為1kΩ計算。

　　對于煤礦井下中性點不接地系統(tǒng)，通常其漏電電流非常小，不易區(qū)分故障與否，因此需要添加一個接地的檢測電源Ｅ，如圖１所示。將附加的直流檢測電源Ｅ接入三相系統(tǒng)，如果系統(tǒng)出現(xiàn)漏電現(xiàn)象，那么電流將按照電源正→電網(wǎng)對地絕緣電阻→三相電網(wǎng)系統(tǒng)→電源負流向來運行，由于單回路系統(tǒng)，電流不變，因此通過漏電保護電路檢測采樣電阻Ｒ兩端的電壓Ｕ的大小從而可以間接知道電網(wǎng)對地絕緣電阻阻值的變化，進而可以檢測到電網(wǎng)是否發(fā)生漏電現(xiàn)象。這種方法稱為附加直流電源漏電保護。

圖１附加直流電源漏電保護

　　漏電閉鎖同樣是一種重要的漏電保護方法，顧名思義，漏電閉鎖是指當檢測到線路發(fā)生漏電時，需要閉鎖住電閘，防止人員送電之后因漏電而發(fā)生事故。當三相系統(tǒng)未通電情況下，通過附加直流電源方法可以檢測到電網(wǎng)對地絕緣電阻阻值的變化，從而判斷是否發(fā)生漏電現(xiàn)象。在三相電網(wǎng)未通電情況下，如圖２所示，接觸器ＫＭ主觸點斷開，接觸器ＫＭ常閉觸點將附加直流電源接入系統(tǒng)，如果發(fā)生漏電，則電壓Ｕ發(fā)生變化，從而觸發(fā)漏電保護電路動作，達到漏電閉鎖保護的目的。

圖２附加直流電源漏電閉鎖

　　2.2過載保護

　　常見的電動機運行方式主要有長時間運行、短時間運行及重復短時間運行三種，在這三種運行方式下，電動機的發(fā)熱情況各不相同。因此，同一臺電動機按短時間運行方式或者重復短時間運行方式使用時可以允許有較大的輸出，即可短暫地過載，而采用長時間運行方式時電動機不可長期過載運行。為了確保電動機長期穩(wěn)定運行，不會因為短時間的過載而發(fā)生停止運行的現(xiàn)象，這就要求電動機要有一定的過載能力。異步電動機的過載能力通常用大力矩Ｍｍ除以額定力矩ＭＨ得到的商ＫＭ來表示，如式所示。

　　中小型電動機的KM＝１.６～１.８，中型及大型電動機的KM＝１.８～２.５，有特殊要求的電動機ＫＭ可以達到２.０～３.０或更大。

　　在這里，通常將電動機過載保護特性定義為：電動機的過載倍數(shù)與其過載保護動作時間之間的關系。如圖３所示為電動機的過載保護特性曲線。

圖３電動機過載保護特性曲線

　　從圖３可以看出，不同的保護特性曲線擁有一個共同的特點就是，電動機只能在保護特性曲線的左側(cè)正常工作，曲線１、２、３中的每一條與曲線４之間的區(qū)域為無效區(qū)域，即該區(qū)域不能被充分利用。曲線３是以上三種曲線中接近曲線４的，也就是反時限過載保護特性效果佳。

　　反時限過載保護的過載倍數(shù)即故障電流大小與過載保護的動作時間成反比，電流的大小決定了動作時間的走勢。因此電動機的過載整定時間應該為某一電流值的某一倍數(shù)下的動作時間。

　　電動機過載運行狀態(tài)指的是當其運行電流大于額定電流時的工作狀態(tài)，電動機過載時會引起電動機的銅耗急劇增加，從而使得電動機的繞組發(fā)熱導致電動機燒損，因此可以間接檢測電動機的運行電流來判斷電動機的發(fā)熱情況，實現(xiàn)電動機過載的保護。因為這種方法檢測的對象是電流，能適應于一切電氣負載，而且其調(diào)整靈活、維修方便，所以得到了廣泛的應用。因此，在本設計中，根據(jù)煤礦井下情況，選用C＝２時的度反時限過載保護方法對電動機進行保護。

　　2.3短路保護

　　由于電動機發(fā)生短路故障時將會帶來非常嚴重的后果，因此，在設置電動機綜合保護器中的短路保護時應該是速斷保護。電動機的啟動電流往往非常之大，接近短路時候的電流。所以，電動機的短路整定電流倍數(shù)應該大于使電動機穩(wěn)定啟動的大電流，通常取電動機額定電流時的８-10倍，將時限設置為躲過電動機啟動時瞬間沖擊電流的時間，這個時間一般大于0.04。

　　電動機在運行時通常還會發(fā)生堵轉(zhuǎn)故障，堵轉(zhuǎn)故障發(fā)生時通過電動機的電流同樣非常大，為區(qū)分堵轉(zhuǎn)故障電流和電動機正常啟動瞬間的電流，一般將使電動機穩(wěn)定啟動的大電流作為堵轉(zhuǎn)保護的整定值，將時限設置為通常電動機在重載情況下啟動的時間，這個時間一般為８～16ｓ。電動機的堵轉(zhuǎn)保護與短路保護共同構(gòu)成了電動機的短路保護。

　　在本設計中采用對電流的鑒幅式保護原理，其中可以對短路電流保護值進行設定，以適應于不同的電網(wǎng)等級中。

　　2.4斷相與三相不平衡保護

　　引起電動機燒損的另一個原因就是三相不平衡，嚴重的三相不平衡則可能產(chǎn)生斷相，占10％以上燒損的電動機是由這兩種原因引起的，在做電動機綜合保護器時，這兩種情況須考慮。從廣義上來說，電動機繞組上的輸入電流達到一定程度的不對稱即為三相不平衡，這便是所謂的故障狀態(tài)，更為嚴重的電動機繞組電流不對稱狀態(tài)就是電動機的斷相運行狀態(tài)。

　　三相不平衡或者斷相故障增加了變壓器及輸電的銅損。三相不平衡電流對系統(tǒng)銅損的影響為：

　　假設R是電動機系統(tǒng)三相電路與變壓器繞組之間的電阻之和，如果三相電流平衡，假設IA=10A，IB＝10A，IC＝10A，那么總銅損為102R+102R+102R＝300R；如果三相電流不平衡，假設IA=5Ａ，IB＝10A，Ｉ＝15，那么總銅損為52R＋102R＋152R＝350R，比平衡狀態(tài)的銅損增加了50R，也就是增長了17％；在嚴重情況下，也就是斷一相的情況下，假設IA＝15，IB＝0A，I＝15，那么總銅損為152Ｒ＋0＋152Ｒ＝450R，是平衡狀態(tài)時銅損的1.5倍；在嚴重情況下，也就是斷兩相情況下，假設IA＝0A，IB＝0A，IC＝30A，那么總銅損為０＋０＋302R＝900R，是平衡狀態(tài)時銅損的３倍。由此可見，三相不平衡或者斷相對電動機的損壞是相當大的，對其進行檢測是*的。

　　當三相電流平衡時，三相電流的值是相等的，當不平衡時，每相將會發(fā)生相應變化。本設計中，根據(jù)以上原理通過式計算方式來確定三相電流的不平衡度。式中：ω 為三相電流不平衡度；Imax為三相線電流中電流大值；Imin為三相線電流中電流小值。

　　由此，根據(jù)式（３）計算出的不平衡度可以判斷三相不平衡的程度，當計算結(jié)果為滿級時，則說明電路中已經(jīng)發(fā)生斷相故障，此時應該立即執(zhí)行相應保護動作。

　　2.5欠壓和過壓保護

　　欠壓和過壓保護是煤礦井下必*保護類型之一。當電網(wǎng)電壓下降到額定電壓的75％ 時即被稱為欠壓，此時保護器對電動機進行保護延時跳閘；同樣，當電網(wǎng)電壓超過115％的額定電壓時即被稱為過壓，此時保護器對電動機進行保護延時跳閘。采用鑒幅式保護原理對 電動機進行欠壓和過壓保護。鑒幅式保護原理是指將采 集到的電網(wǎng)電壓參數(shù)進行整流、濾波，通過對 A/D轉(zhuǎn)換器結(jié)果進行判斷之后執(zhí)行相應延時保護動作。

　　3安科瑞ARD系列智能電動機保護器介紹與綜合選型

　　3.1產(chǎn)品簡介

　　ARD該系列低壓電動機保護器，具有過載、斷相、不平衡、欠載、接地/漏電、堵轉(zhuǎn)等保護功能?？膳c接觸器、電動機起動器等電器元件構(gòu)成電動機控制保護單元，具有遠程自動控制、現(xiàn)場直接控制、面板指示、信號報警、現(xiàn)場總線通信等功能。應用范圍：可廣泛應用于煤礦、石化、冶煉、電力、建筑等行業(yè)的配電領域。

　　3.2產(chǎn)品選型

　　產(chǎn)品功能

說明：“√”表示具備“■”表示可選

　　4 結(jié)論

　　本文結(jié)合煤礦井下實際情況，設計了一款礦用電動機智能綜合保護器。設計方案切合實際要求，實現(xiàn)了電動機在電網(wǎng)中出現(xiàn)漏電、欠壓、過壓、三相不平衡、斷相、 過載、短路等故障狀態(tài)時的檢測與保護功能，確保了系統(tǒng)的可靠性、準確性、抗干擾性和靈敏性。