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

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(guān)。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(dǎo)致電動機散熱道堵塞等，經(jīng)常會出現(xiàn)電動機的燒損。因此電動機智能綜合保護器的設(shè)計就顯得非常重要。

一、 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，通過信號調(diào)理電路和信號采集電路(A／D轉(zhuǎn)換電路)，最后轉(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(guān)編程，對采集到的信號進行處理，判斷電動機當(dāng)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(shè)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(shè)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(yīng)加上按鍵調(diào)節(jié)功能以適應(yīng)不同電網(wǎng)電壓等級下對電動機不同的要求。

二、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：

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

(2)電動機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)電動機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。

   人身觸電造成人身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(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，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。井下在660V時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小值為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極→電網(wǎng)對地絕緣電阻→三相電網(wǎng)系統(tǒng)→電源負(fù)極流向來運行，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法。

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(dāng)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(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(dá)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(fù)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(fù)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(dá)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(guān)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是以上三種曲線中比較接近曲線4的，也就是反時限過載保護特性效果較好。

   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(yīng)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(dāng)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(dǎo)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(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)計中，根據(jù)煤礦井下情況，選用C＝2時的極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(yán)重的后果，因此，在設(shè)置電動機綜合保護器中的短路保護時應(yīng)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(yīng)該大于使電動機穩(wěn)定啟動的最大電流，通常取電動機額定電流時的8~10倍，將時限設(shè)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0.04s。

   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)定啟動的最大電流作為堵轉(zhuǎn)保護的整定值，將時限設(shè)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(shè)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(shè)定，以適應(yīng)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(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，這兩種情況必須考慮。從廣義上來說，電動機繞組上的輸入電流達(dá)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(yán)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(shè)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(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(dāng)大的，對其進行檢測是需要的。

   當(dāng)三相電流平衡時，三相電流的值是相等的，當(dāng)不平衡時，每相將會發(fā)生相應(yīng)變化。本設(shè)計中，根據(jù)以上原理通過式(3)計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)計算出的不平衡度可以判斷三相不平衡的程度，當(dāng)計算結(jié)果為100％時，則說明電路中已經(jīng)發(fā)生斷相故障，此時應(yīng)該立即執(zhí)行相應(yīng)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(dāng)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(dāng)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(yīng)延時保護動作。

三、保護器選擇分類

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

   保護器在類型上分為：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。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)控型保護器，內(nèi)部電路運用單片機，采用數(shù)碼管作為顯示窗口，智能化綜合保護，集保護、測量、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內(nèi)，與其他類型相比，功能更加完善。此類產(chǎn)品對各種參數(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)程計算機通訊功能。啟動方式有多種選擇，并有存儲回看功能，給后期的維護維修提供了數(shù)據(jù)依據(jù)。

四、保護器在選擇上應(yīng)注意事項

   在選擇保護器的同時，還要考慮到以下幾種因素：

(1)電動機主要參數(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)電動機使用方向：指拖動機械設(shè)備要求。

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

(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、查看方便。

(6)靈敏度要求：是帶載啟動還是空載啟動，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瞬間的電流值與額定電流值之間的時間差。

(7)其他方面：如生產(chǎn)現(xiàn)場對電動機位置的隨意性、啟動停止的頻繁程度等。

五、ARD系列電動機保護器產(chǎn)品選型介紹

          ARD智能電動機保護器適用于額定電壓至660V的低壓電動機回路，集保護、測量、控制、通訊、運維于一體。其完善的保護功能確保電動機安全運行，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)場通訊需求。

5.1、功能特點

■支持基波和全波電力參數(shù)測量（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。

■保護功能包括過載反時限、過載定時限、接地、起動超時、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時間、外部故障、起動次數(shù)限制、運行時間報警、故障次數(shù)報警。

■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。

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

■可選抗晃電功能：支持晃電立即再啟動、失壓重起動。

■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，可實現(xiàn)對現(xiàn)場設(shè)備的監(jiān)控。

■具有故障記錄、起動記錄、停車記錄、DI變位記錄和再起動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)合煤礦井下實際情況，設(shè)計了一款礦用電動機智能綜合保護器。設(shè)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(zhǔn)確性、抗干擾性和靈敏性。

參考文獻(xiàn)：

[1]陳瑞利.煤礦電動機智能綜合保護器工作分析[J].科技資訊, 2020(4).

[2]安科瑞企業(yè)微電網(wǎng)設(shè)計與應(yīng)用手冊.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：接觸器和電動機起動器機電式接觸器和電動機起動器(含電動機保護器).

作者介紹：
張心志，男，安科瑞電氣股份有限公司