電動(dòng)機(jī)智能綜合保護(hù)器在煤礦內(nèi)的應(yīng)用分析

摘 要 ：介紹了礦用電動(dòng)機(jī)智能綜合保護(hù)器系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)，采用直接將交流信號(hào)整流、濾波、調(diào)理、采樣的方式變?yōu)槲⒖刂破髂軌蜃R(shí)別的直流信號(hào)，通過對(duì)微控制器采集到的直流信號(hào)編程判斷來實(shí)現(xiàn)對(duì)電動(dòng)機(jī)的相關(guān)保護(hù)控制、故障顯示與報(bào)警以及與上位機(jī)的通信。同時(shí)還介紹了有關(guān)礦井下電動(dòng)機(jī)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(cè)和保護(hù)方法。

   關(guān)鍵詞： 電動(dòng)機(jī)；智能保護(hù)器；結(jié)構(gòu)分析；微控制器；互感器

引言

   電動(dòng)機(jī)在運(yùn)行狀態(tài)下可能會(huì)發(fā)生各種各樣的故障，這與工作環(huán)境、使用方式和維護(hù)周期等因素密切相關(guān)。特別是在煤礦井下，由于井下環(huán)境惡劣，電動(dòng)機(jī)長(zhǎng)時(shí)間暴露在煤塵、潮濕等惡劣環(huán)境中，容易導(dǎo)致電動(dòng)機(jī)散熱道堵塞等，經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)電動(dòng)機(jī)的燒損。因此電動(dòng)機(jī)智能綜合保護(hù)器的設(shè)計(jì)就顯得非常重要。

一、 電動(dòng)機(jī)智能綜合保護(hù)器結(jié)構(gòu)分析

   礦用電動(dòng)機(jī)智能綜合保護(hù)器的系統(tǒng)指的是通過電流互感器和電壓互感器對(duì)煤礦井下電網(wǎng)供電系統(tǒng)進(jìn)行變壓，通過信號(hào)調(diào)理電路和信號(hào)采集電路(A／D轉(zhuǎn)換電路)，最后轉(zhuǎn)換成微控制器能夠識(shí)別的數(shù)字信號(hào)；通過對(duì)微控制器進(jìn)行相關(guān)編程，對(duì)采集到的信號(hào)進(jìn)行處理，判斷電動(dòng)機(jī)當(dāng)前處在什么狀態(tài)；通過對(duì)該狀態(tài)的判斷，經(jīng)由電動(dòng)機(jī)保護(hù)控制電路實(shí)現(xiàn)對(duì)電動(dòng)機(jī)的保護(hù)和控制。同時(shí)由于對(duì)煤礦井下電動(dòng)機(jī)的現(xiàn)場(chǎng)巡檢并不是很方便，在此設(shè)計(jì)的電動(dòng)機(jī)智能綜合保護(hù)器還要加上與井上上位機(jī)通信的功能。為方便就地檢查，同樣需要在保護(hù)器上設(shè)置電動(dòng)機(jī)狀態(tài)顯示與報(bào)警界面，實(shí)現(xiàn)良好的人機(jī)交互，同時(shí)應(yīng)加上按鍵調(diào)節(jié)功能以適應(yīng)不同電網(wǎng)電壓等級(jí)下對(duì)電動(dòng)機(jī)不同的要求。

二、保護(hù)器工作狀態(tài)分析

2.1 漏電保護(hù)

   煤礦井下電動(dòng)機(jī)及其供電線路常見的漏電故障有：

(1)電動(dòng)機(jī)或者供電線路因長(zhǎng)期暴露在潮濕環(huán)境中，導(dǎo)致其絕緣電阻下降，流向大地的對(duì)地電流增大，從而使電動(dòng)機(jī)及電氣設(shè)備外殼帶電。

(2)電動(dòng)機(jī)或者供電線路帶電體發(fā)生部分裸露現(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(dǎo)體工具而致使其中一相接地，造成漏電事故。

(3)電動(dòng)機(jī)或者供電線路絕緣部分因?yàn)榫弥美匣?、電壓性擊穿或者機(jī)械損壞等原因而發(fā)生一相中的金屬性接地或弧光接地。

   人身觸電造成人身傷亡的危險(xiǎn)主要與流經(jīng)人身的觸電電流和流過這些電流時(shí)間長(zhǎng)短有關(guān)系。一般在不考慮電網(wǎng)電容情況下，人體觸到一相導(dǎo)線時(shí)，30mA為允許通過人體的最大觸電電流，即30mA以下不至于發(fā)生生命危險(xiǎn)。井下在660V時(shí)引爆瓦斯的安全火花電流為50mA以下。所以，漏電安全臨界電流值應(yīng)該為30mA。

   在忽略電網(wǎng)對(duì)地分布電容情況下，對(duì)于中性點(diǎn)不接地系統(tǒng)中人體觸電電流計(jì)算公式中：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(duì)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小值為1kΩ計(jì)算。

   對(duì)于煤礦井下中性點(diǎn)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(gè)接地的檢測(cè)電源E，如圖1所示。將附加的直流檢測(cè)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極→電網(wǎng)對(duì)地絕緣電阻→三相電網(wǎng)系統(tǒng)→電源負(fù)極流向來運(yùn)行，由于單回路系統(tǒng)，電流不變，因此通過漏電保護(hù)電路檢測(cè)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(duì)地絕緣電阻阻值的變化，進(jìn)而可以檢測(cè)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(hù)法。

圖1 附加直流電源漏電保護(hù)

   漏電閉鎖同樣是一種重要的漏電保護(hù)方法，顧名思義，漏電閉鎖是指當(dāng)檢測(cè)到線路發(fā)生漏電時(shí)，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(dāng)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(cè)到電網(wǎng)對(duì)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(diǎn)斷開，接觸器KM常閉觸點(diǎn)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(hù)電路動(dòng)作，達(dá)到漏電閉鎖保護(hù)的目的。

圖2 附加直流電源漏電閉鎖

2.2過載保護(hù)

   常見的電動(dòng)機(jī)運(yùn)行方式主要有長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行、短時(shí)間運(yùn)行及重復(fù)短時(shí)間運(yùn)行三種，在這三種運(yùn)行方式下，電動(dòng)機(jī)的發(fā)熱情況各不相同。因此，同一臺(tái)電動(dòng)機(jī)按短時(shí)間運(yùn)行方式或者重復(fù)短時(shí)間運(yùn)行方式使用時(shí)可以允許有較大的輸出，即可短暫地過載，而采用長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行方式時(shí)電動(dòng)機(jī)不可長(zhǎng)期過載運(yùn)行。為了確保電動(dòng)機(jī)長(zhǎng)期穩(wěn)定運(yùn)行，不會(huì)因?yàn)槎虝r(shí)間的過載而發(fā)生停止運(yùn)行的現(xiàn)象，這就要求電動(dòng)機(jī)要有一定的過載能力。異步電動(dòng)機(jī)的過載能力通常用最大力矩Mm除以額定力矩MH得到的商KM來表示，中小型電動(dòng)機(jī)的KM＝1．6~1．8，中型及大型電動(dòng)機(jī)的KM＝1．8~2．5，有特殊要求的電動(dòng)機(jī)KM可以達(dá)到2．0~3．0或更大。

   在這里，通常將電動(dòng)機(jī)過載保護(hù)特性定義為：電動(dòng)機(jī)的過載倍數(shù)與其過載保護(hù)動(dòng)作時(shí)間之間的關(guān)系。如圖3所示為電動(dòng)機(jī)的過載保護(hù)特性曲線。

圖3電動(dòng)機(jī)過載保護(hù)特性曲線

   從圖3可以看出，不同的保護(hù)特性曲線擁有一個(gè)共同的特點(diǎn)就是，電動(dòng)機(jī)只能在保護(hù)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?yàn)闊o效區(qū)域，即該區(qū)域不能被充分利用。曲線3是以上三種曲線中比較接近曲線4的，也就是反時(shí)限過載保護(hù)特性效果較好。

   反時(shí)限過載保護(hù)的過載倍數(shù)即故障電流大小與過載保護(hù)的動(dòng)作時(shí)間成反比，電流的大小決定了動(dòng)作時(shí)間的走勢(shì)。因此電動(dòng)機(jī)的過載整定時(shí)間應(yīng)該為某一電流值的某一倍數(shù)下的動(dòng)作時(shí)間。

   電動(dòng)機(jī)過載運(yùn)行狀態(tài)指的是當(dāng)其運(yùn)行電流大于額定電流時(shí)的工作狀態(tài)，電動(dòng)機(jī)過載時(shí)會(huì)引起電動(dòng)機(jī)的銅耗急劇增加，從而使得電動(dòng)機(jī)的繞組發(fā)熱導(dǎo)致電動(dòng)機(jī)燒損，因此可以間接檢測(cè)電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行電流來判斷電動(dòng)機(jī)的發(fā)熱情況，實(shí)現(xiàn)電動(dòng)機(jī)過載的保護(hù)。因?yàn)檫@種方法檢測(cè)的對(duì)象是電流，能適應(yīng)于一切電氣負(fù)載，而且其調(diào)整靈活、維修方便，所以得到了廣泛的應(yīng)用。因此，在本設(shè)計(jì)中，根據(jù)煤礦井下情況，選用C＝2時(shí)的極度反時(shí)限過載保護(hù)方法對(duì)電動(dòng)機(jī)進(jìn)行保護(hù)。

2.3短路保護(hù)

   由于電動(dòng)機(jī)發(fā)生短路故障時(shí)將會(huì)帶來非常嚴(yán)重的后果，因此，在設(shè)置電動(dòng)機(jī)綜合保護(hù)器中的短路保護(hù)時(shí)應(yīng)該是速斷保護(hù)。電動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)電流往往非常之大，接近短路時(shí)候的電流。所以，電動(dòng)機(jī)的短路整定電流倍數(shù)應(yīng)該大于使電動(dòng)機(jī)穩(wěn)定啟動(dòng)的最大電流，通常取電動(dòng)機(jī)額定電流時(shí)的8~10倍，將時(shí)限設(shè)置為躲過電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)時(shí)瞬間沖擊電流的時(shí)間，這個(gè)時(shí)間一般大于0.04s。

   電動(dòng)機(jī)在運(yùn)行時(shí)通常還會(huì)發(fā)生堵轉(zhuǎn)故障，堵轉(zhuǎn)故障發(fā)生時(shí)通過電動(dòng)機(jī)的電流同樣非常大，為區(qū)分堵轉(zhuǎn)故障電流和電動(dòng)機(jī)正常啟動(dòng)瞬間的電流，一般將使電動(dòng)機(jī)穩(wěn)定啟動(dòng)的最大電流作為堵轉(zhuǎn)保護(hù)的整定值，將時(shí)限設(shè)置為通常電動(dòng)機(jī)在重載情況下啟動(dòng)的時(shí)間，這個(gè)時(shí)間一般為8~16s。電動(dòng)機(jī)的堵轉(zhuǎn)保護(hù)與短路保護(hù)共同構(gòu)成了電動(dòng)機(jī)的短路保護(hù)。

   在本設(shè)計(jì)中采用對(duì)電流的鑒幅式保護(hù)原理，其中可以對(duì)短路電流保護(hù)值進(jìn)行設(shè)定，以適應(yīng)于不同的電網(wǎng)等級(jí)中。

2.4斷相與三相不平衡保護(hù)

   引起電動(dòng)機(jī)燒損的另一個(gè)原因就是三相不平衡，嚴(yán)重的三相不平衡則可能產(chǎn)生斷相，占10％以上燒損的電動(dòng)機(jī)是由這兩種原因引起的，在做電動(dòng)機(jī)綜合保護(hù)器時(shí)，這兩種情況必須考慮。從廣義上來說，電動(dòng)機(jī)繞組上的輸入電流達(dá)到一定程度的不對(duì)稱即為三相不平衡，這便是所謂的故障狀態(tài)，更為嚴(yán)重的電動(dòng)機(jī)繞組電流不對(duì)稱狀態(tài)就是電動(dòng)機(jī)的斷相運(yùn)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(duì)系統(tǒng)銅損的影響為：

   假設(shè)R是電動(dòng)機(jī)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(shè)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(shè)IA＝5A，IB＝10A，IC＝15A，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(zhǎng)了17％；在嚴(yán)重情況下，也就是斷一相的情況下，假設(shè)IA＝15A，IB＝0A，IC＝15A，那么總銅損為152R＋0＋152R＝450R，是平衡狀態(tài)時(shí)銅損的1．5倍；在最嚴(yán)重情況下，也就是斷兩相情況下，假設(shè)IA＝0A，IB＝0A，IC＝30A，那么總銅損為0＋0＋302R＝900R，是平衡狀態(tài)時(shí)銅損的3倍。由此可見，三相不平衡或者斷相對(duì)電動(dòng)機(jī)的損壞是相當(dāng)大的，對(duì)其進(jìn)行檢測(cè)是需要的。

   當(dāng)三相電流平衡時(shí)，三相電流的值是相等的，當(dāng)不平衡時(shí)，每相將會(huì)發(fā)生相應(yīng)變化。本設(shè)計(jì)中，根據(jù)以上原理通過式(3)計(jì)算方式來確定三相電流的不平衡度。

           Imax－Imin公式中：ω為三相電流不平衡度；Imax為三相線電流中電流最大值；Imin為三相線電流中電流最小值。

   由此，根據(jù)式(3)計(jì)算出的不平衡度可以判斷三相不平衡的程度，當(dāng)計(jì)算結(jié)果為100％時(shí)，則說明電路中已經(jīng)發(fā)生斷相故障，此時(shí)應(yīng)該立即執(zhí)行相應(yīng)保護(hù)動(dòng)作。2．5欠壓和過壓保護(hù)欠壓和過壓保護(hù)是煤礦井下必*保護(hù)類型之一。當(dāng)電網(wǎng)電壓下降到額定電壓的75％時(shí)即被稱為欠壓，此時(shí)保護(hù)器對(duì)電動(dòng)機(jī)進(jìn)行保護(hù)延時(shí)跳閘；同樣，當(dāng)電網(wǎng)電壓超過115％的額定電壓時(shí)即被稱為過壓，此時(shí)保護(hù)器對(duì)電動(dòng)機(jī)進(jìn)行保護(hù)延時(shí)跳閘。采用鑒幅式保護(hù)原理對(duì)電動(dòng)機(jī)進(jìn)行欠壓和過壓保護(hù)。鑒幅式保護(hù)原理是指將采集到的電網(wǎng)電壓參數(shù)進(jìn)行整流、濾波，通過對(duì)A／D轉(zhuǎn)換器結(jié)果進(jìn)行判斷之后執(zhí)行相應(yīng)延時(shí)保護(hù)動(dòng)作。

三、保護(hù)器選擇分類

   現(xiàn)代智能電機(jī)保護(hù)器還有很多在實(shí)際生產(chǎn)中需要的功能，如回看功能、遠(yuǎn)程通訊、遠(yuǎn)程控制、多種啟動(dòng)方式選擇等。

   保護(hù)器在類型上分為：一般普通型、數(shù)碼顯示監(jiān)控型、智能監(jiān)控中文顯示型。

3.1一般普通型

   結(jié)構(gòu)比較簡(jiǎn)單，主要功能以突出過載、缺相(三相不平衡)堵轉(zhuǎn)等故障保護(hù)。故障類型采用指示燈顯示。

3.2數(shù)碼顯示監(jiān)控型

   數(shù)碼顯示監(jiān)控型保護(hù)器，內(nèi)部電路運(yùn)用單片機(jī)，采用數(shù)碼管作為顯示窗口，智能化綜合保護(hù)，集保護(hù)、測(cè)量、通訊、顯示為一體。整定電流采用數(shù)字設(shè)定，用戶可以自行對(duì)各種參數(shù)修正。

3.3智能監(jiān)中文顯示控型

   智能漢字顯示更適合國(guó)內(nèi)，與其他類型相比，功能更加完善。此類產(chǎn)品對(duì)各種參數(shù)、狀態(tài)、信息直接在操作面板單元上中文漢顯液晶顯示，使界面更加直觀醒目，并且支持遠(yuǎn)程計(jì)算機(jī)通訊功能。啟動(dòng)方式有多種選擇，并有存儲(chǔ)回看功能，給后期的維護(hù)維修提供了數(shù)據(jù)依據(jù)。

四、保護(hù)器在選擇上應(yīng)注意事項(xiàng)

   在選擇保護(hù)器的同時(shí)，還要考慮到以下幾種因素：

(1)電動(dòng)機(jī)主要參數(shù)：主要是功率、電壓、電流、頻率方面,為選型提供依據(jù)。

(2)使用環(huán)境因素的影響：主要指溫度、濕度、污染等。

(3)電動(dòng)機(jī)使用方向：指拖動(dòng)機(jī)械設(shè)備要求。

(4)控制系統(tǒng)：控制模式有手動(dòng)、自動(dòng)化程序等工作運(yùn)行。啟動(dòng)方式有直接、降壓、星三角、頻敏變阻器、變頻器、軟起動(dòng)等啟動(dòng)方式。

(5)安裝要求：在選型上要考慮安裝空間大小，留有足夠的余量，便于散熱及接線、維護(hù)、查看方便。

(6)靈敏度要求：是帶載啟動(dòng)還是空載啟動(dòng)，是滿載還是逐漸加載，主要是在電流設(shè)定方面要考慮到啟動(dòng)瞬間的電流值與額定電流值之間的時(shí)間差。

(7)其他方面：如生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)對(duì)電動(dòng)機(jī)位置的隨意性、啟動(dòng)停止的頻繁程度等。

五、ARD系列電動(dòng)機(jī)保護(hù)器產(chǎn)品選型介紹

          ARD智能電動(dòng)機(jī)保護(hù)器適用于額定電壓至660V的低壓電動(dòng)機(jī)回路，集保護(hù)、測(cè)量、控制、通訊、運(yùn)維于一體。其完善的保護(hù)功能確保電動(dòng)機(jī)安全運(yùn)行，帶有邏輯可編程功能，可以滿足多種控制方式。該產(chǎn)品采用分體式結(jié)構(gòu)，由主體、顯示單元、互感器組成，可適應(yīng)各種柜體的安裝?？蛇x配不同通訊模塊適應(yīng)現(xiàn)場(chǎng)通訊需求。

5.1、功能特點(diǎn)

■支持基波和全波電力參數(shù)測(cè)量（U、I、P、Q、S、PF、F、EP、EQ），電流及電流不平衡度、電流正序、負(fù)序、零序分量、電壓、三相電壓相角、剩余電流。

■保護(hù)功能包括過載反時(shí)限、過載定時(shí)限、接地、起動(dòng)超時(shí)、漏電、欠載、斷相、堵轉(zhuǎn)、阻塞、短路、溢出、不平衡(電流、電壓)、過功率、欠功率、過壓、欠壓、相序、溫度、tE時(shí)間、外部故障、起動(dòng)次數(shù)限制、運(yùn)行時(shí)間報(bào)警、故障次數(shù)報(bào)警。

■9路可編程DI輸入，默認(rèn)采用內(nèi)置DC24V電源，也可選擇外部有源濕接點(diǎn)。

■5路可編程DO輸出，滿足直接起動(dòng)，星—三角起動(dòng)，自耦變壓器起動(dòng)，等多種起動(dòng)方式，可通過通訊總線實(shí)現(xiàn)主站對(duì)電動(dòng)機(jī)的遙控“起/停"。

■可選抗晃電功能：支持晃電立即再啟動(dòng)、失壓重起動(dòng)。

■可選配MODBUS_RTU通訊、PROFIBUSDP通訊，支持最多2路通訊接口。

■可選配1路DC4-20mA模擬量輸出接口，與DCS系統(tǒng)相接，可實(shí)現(xiàn)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的監(jiān)控。

■具有故障記錄、起動(dòng)記錄、停車記錄、DI變位記錄和再起動(dòng)記錄等各類事件記錄。

■顯示界面液晶顯示，支持中/英文切換。

5.2、產(chǎn)品選型

六、結(jié)論

   本文結(jié)合煤礦井下實(shí)際情況，設(shè)計(jì)了一款礦用電動(dòng)機(jī)智能綜合保護(hù)器。設(shè)計(jì)方案切合實(shí)際要求，實(shí)現(xiàn)了電動(dòng)機(jī)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(shí)的檢測(cè)與保護(hù)功能，確保了系統(tǒng)的可靠性、準(zhǔn)確性、抗干擾性和靈敏性。

參考文獻(xiàn)：

[1]陳瑞利.煤礦電動(dòng)機(jī)智能綜合保護(hù)器工作分析[J].科技資訊, 2020(4).

[2]安科瑞企業(yè)微電網(wǎng)設(shè)計(jì)與應(yīng)用手冊(cè).2022.05版.

[3] GB 14048.4-2020 低壓開關(guān)設(shè)備和控制設(shè)備 第4-1部分：接觸器和電動(dòng)機(jī)起動(dòng)器機(jī)電式接觸器和電動(dòng)機(jī)起動(dòng)器(含電動(dòng)機(jī)保護(hù)器).

作者介紹：
張心志，男，安科瑞電氣股份有限公司