韓歡慶

江蘇安科瑞微電網(wǎng)研究院有限公司 江蘇江陰 214432

   摘 要 ：介紹了礦用電動(dòng)機智能綜合保護器系統的總體結構，采用直接將交流信號整流、濾波、調理、采樣的方式變?yōu)槲⒖刂破髂軌蜃R別的直流信號，通過(guò)對微控制器采集到的直流信號編程判斷來(lái)實(shí)現對電動(dòng)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(shí)還介紹了有關(guān)礦井下電動(dòng)機經(jīng)常出現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(dòng)機；智能保護器；結構分析；微控制器；互感器

引言

   電動(dòng)機在運行狀態(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)機長(cháng)時(shí)間暴露在煤塵、潮濕等惡劣環(huán)境中，容易導致電動(dòng)機散熱道堵塞等，經(jīng)常會(huì )出現電動(dòng)機的燒損。因此電動(dòng)機智能綜合保護器的設計就顯得非常重要。

一、 電動(dòng)機智能綜合保護器結構分析

   礦用電動(dòng)機智能綜合保護器的系統指的是通過(guò)電流互感器和電壓互感器對煤礦井下電網(wǎng)供電系統進(jìn)行變壓，通過(guò)信號調理電路和信號采集電路(A／D轉換電路)，最后轉換成微控制器能夠識別的數字信號；通過(guò)對微控制器進(jìn)行相關(guān)編程，對采集到的信號進(jìn)行處理，判斷電動(dòng)機當前處在什么狀態(tài)；通過(guò)對該狀態(tài)的判斷，經(jīng)由電動(dòng)機保護控制電路實(shí)現對電動(dòng)機的保護和控制。同時(shí)由于對煤礦井下電動(dòng)機的現場(chǎng)巡檢并不是很方便，在此設計的電動(dòng)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(dòng)機狀態(tài)顯示與報警界面，實(shí)現良好的人機交互，同時(shí)應加上按鍵調節功能以適應不同電網(wǎng)電壓等級下對電動(dòng)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(dòng)機及其供電線(xiàn)路常見(jiàn)的漏電故障有：

(1)電動(dòng)機或者供電線(xiàn)路因長(cháng)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增大，從而使電動(dòng)機及電氣設備外殼帶電。

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

(3)電動(dòng)機或者供電線(xiàn)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(guò)這些電流時(shí)間長(cháng)短有關(guān)系。一般在不考慮電網(wǎng)電容情況下，人體觸到一相導線(xiàn)時(shí)，30mA為允許通過(guò)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(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該為30mA。

   在忽略電網(wǎng)對地分布電容情況下，對于中性點(diǎn)不接地系統中人體觸電電流計算公式中：Ir為通過(guò)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值為1kΩ計算。

   對于煤礦井下中性點(diǎn)不接地系統，通常其漏電電流非常小，不易區分故障與否，因此需要添加一個(gè)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，如果系統出現漏電現象，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→電源負極流向來(lái)運行，由于單回路系統，電流不變，因此通過(guò)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(jìn)而可以檢測到電網(wǎng)是否發(fā)生漏電現象。這種方法稱(chēng)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，漏電閉鎖是指當檢測到線(xiàn)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。當三相系統未通電情況下，通過(guò)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(kāi)，接觸器KM常閉觸點(diǎn)將附加直流電源接入系統，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(dòng)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(guò)載保護

   常見(jiàn)的電動(dòng)機運行方式主要有長(cháng)時(shí)間運行、短時(shí)間運行及重復短時(shí)間運行三種，在這三種運行方式下，電動(dòng)機的發(fā)熱情況各不相同。因此，同一臺電動(dòng)機按短時(shí)間運行方式或者重復短時(shí)間運行方式使用時(shí)可以允許有較大的輸出，即可短暫地過(guò)載，而采用長(cháng)時(shí)間運行方式時(shí)電動(dòng)機不可長(cháng)期過(guò)載運行。為了確保電動(dòng)機長(cháng)期穩定運行，不會(huì )因為短時(shí)間的過(guò)載而發(fā)生停止運行的現象，這就要求電動(dòng)機要有一定的過(guò)載能力。異步電動(dòng)機的過(guò)載能力通常用最大力矩Mm除以額定力矩MH得到的商KM來(lái)表示，中小型電動(dòng)機的KM＝1．6~1．8，中型及大型電動(dòng)機的KM＝1．8~2．5，有特殊要求的電動(dòng)機KM可以達到2．0~3．0或更大。

   在這里，通常將電動(dòng)機過(guò)載保護特性定義為：電動(dòng)機的過(guò)載倍數與其過(guò)載保護動(dòng)作時(shí)間之間的關(guān)系。如圖3所示為電動(dòng)機的過(guò)載保護特性曲線(xiàn)。

圖3電動(dòng)機過(guò)載保護特性曲線(xiàn)

   從圖3可以看出，不同的保護特性曲線(xiàn)擁有一個(gè)共同的特點(diǎn)就是，電動(dòng)機只能在保護特性曲線(xiàn)的左側正常工作，曲線(xiàn)1、2、3中的每一條與曲線(xiàn)4之間的區域為無(wú)效區域，即該區域不能被充分利用。曲線(xiàn)3是以上三種曲線(xiàn)中曲線(xiàn)4的，也就是反時(shí)限過(guò)載保護特性。

   反時(shí)限過(guò)載保護的過(guò)載倍數即故障電流大小與過(guò)載保護的動(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。因此電動(dòng)機的過(guò)載整定時(shí)間應該為某一電流值的某一倍數下的動(dòng)作時(shí)間。

   電動(dòng)機過(guò)載運行狀態(tài)指的是當其運行電流大于額定電流時(shí)的工作狀態(tài)，電動(dòng)機過(guò)載時(shí)會(huì )引起電動(dòng)機的銅耗急劇增加，從而使得電動(dòng)機的繞組發(fā)熱導致電動(dòng)機燒損，因此可以間接檢測電動(dòng)機的運行電流來(lái)判斷電動(dòng)機的發(fā)熱情況，實(shí)現電動(dòng)機過(guò)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，根據煤礦井下情況，選用C＝2時(shí)的極度反時(shí)限過(guò)載保護方法對電動(dòng)機進(jìn)行保護。

2.3短路保護

   由于電動(dòng)機發(fā)生短路故障時(shí)將會(huì )帶來(lái)非常嚴重的后果，因此，在設置電動(dòng)機綜合保護器中的短路保護時(shí)應該是速斷保護。電動(dòng)機的啟動(dòng)電流往往非常之大，接近短路時(shí)候的電流。所以，電動(dòng)機的短路整定電流倍數應該大于使電動(dòng)機穩定啟動(dòng)的最大電流，通常取電動(dòng)機額定電流時(shí)的8~10倍，將時(shí)限設置為躲過(guò)電動(dòng)機啟動(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)機在運行時(shí)通常還會(huì )發(fā)生堵轉故障，堵轉故障發(fā)生時(shí)通過(guò)電動(dòng)機的電流同樣非常大，為區分堵轉故障電流和電動(dòng)機正常啟動(dòng)瞬間的電流，一般將使電動(dòng)機穩定啟動(dòng)的最大電流作為堵轉保護的整定值，將時(shí)限設置為通常電動(dòng)機在重載情況下啟動(dòng)的時(shí)間，這個(gè)時(shí)間一般為8~16s。電動(dòng)機的堵轉保護與短路保護共同構成了電動(dòng)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(jìn)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(dòng)機燒損的另一個(gè)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(dòng)機是由這兩種原因引起的，在做電動(dòng)機綜合保護器時(shí)，這兩種情況必須考慮。從廣義上來(lái)說(shuō)，電動(dòng)機繞組上的輸入電流達到一定程度的不對稱(chēng)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(dòng)機繞組電流不對稱(chēng)狀態(tài)就是電動(dòng)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銅損的影響為：

   假設R是電動(dòng)機系統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，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(cháng)了17％；在嚴重情況下，也就是斷一相的情況下，假設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；在最嚴重情況下，也就是斷兩相情況下，假設I的。

   當三相電流平衡時(shí)，三相電流的值是相等的，當不平衡時(shí)，每相將會(huì )發(fā)生相應變化。本設計中，根據以上原理通過(guò)式(3)計算方式來(lái)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(xiàn)電流中電流最大值；Imin為三相線(xiàn)電流中電流最小值。

   由此，根據式(3)計算出的不平衡度可以判斷三相不平衡的程度，當計算結果為100％時(shí)，則說(shuō)明電路中已經(jīng)發(fā)生斷相故障，此時(shí)應該立即執行相應保護動(dòng)作。2．5欠壓和過(guò)壓保護欠壓和過(guò)壓保護是煤礦井下必*保護類(lèi)型之一。當電網(wǎng)電壓下降到額定電壓的75％時(shí)即被稱(chēng)為欠壓，此時(shí)保護器對電動(dòng)機進(jìn)行保護延時(shí)跳閘；同樣，當電網(wǎng)電壓超過(guò)115％的額定電壓時(shí)即被稱(chēng)為過(guò)壓，此時(shí)保護器對電動(dòng)機進(jìn)行保護延時(shí)跳閘。采用鑒幅式保護原理對電動(dòng)機進(jìn)行欠壓和過(guò)壓保護。鑒幅式保護原理是指將采集到的電網(wǎng)電壓參數進(jìn)行整流、濾波，通過(guò)對A／D轉換器結果進(jìn)行判斷之后執行相應延時(shí)保護動(dòng)作。

三、保護器選擇分類(lèi)

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

   保護器在類(lèi)型上分為：一般普通型、數碼顯示監控型、智能監控中文顯示型。

3.1一般普通型

   結構比較簡(jiǎn)單，主要功能以突出過(guò)載、缺相(三相不平衡)堵轉等故障保護。故障類(lèi)型采用指示燈顯示。

3.2數碼顯示監控型

   數碼顯示監控型保護器，內部電路運用單片機，采用數碼管作為顯示窗口，智能化綜合保護，集保護、測量、通訊、顯示為一體。整定電流采用數字設定，用戶(hù)可以自行對各種參數修正。

3.3智能監中文顯示控型

   智能漢字顯示更適合國內，與其他類(lèi)型相比，功能更加完善。此類(lèi)產(chǎn)品對各種參數、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(guān)醒目，并且支持遠程計算機通訊功能。啟動(dòng)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據依據。

四、保護器在選擇上應注意事項

   在選擇保護器的同時(shí)，還要考慮到以下幾種因素：

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

(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)機使用方向：指拖動(dòng)機械設備要求。

(4)控制系統：控制模式有手動(dòng)、自動(dòng)化程序等工作運行。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(xiàn)、維護、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(mǎn)載還是逐漸加載，主要是在電流設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)現場(chǎng)對電動(dòng)機位置的隨意性、啟動(dòng)停止的頻繁程度等。

五、ARD系列電動(dòng)機保護器產(chǎn)品選型介紹

          ARD智能電動(dòng)機保護器適用于額定電壓至660V的低壓電動(dòng)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(dòng)機安全運行，帶有邏輯可編程功能，可以滿(mǎn)足多種控制方式。該產(chǎn)品采用分體式結構，由主體、顯示單元、互感器組成，可適應各種柜體的安裝?？蛇x配不同通訊模塊適應現場(chǎng)通訊需求。

5.1、功能特點(diǎn)

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

■保護功能包括過(guò)載反時(shí)限、過(guò)載定時(shí)限、接地、起動(dòng)超時(shí)、漏電、欠載、斷相、堵轉、阻塞、短路、溢出、不平衡(電流、電壓)、過(guò)功率、欠功率、過(guò)壓、欠壓、相序、溫度、tE時(shí)間、外部故障、起動(dòng)次數限制、運行時(shí)間報警、故障次數報警。

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

■5路可編程DO輸出，滿(mǎn)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(guò)通訊總線(xiàn)實(shí)現主站對電動(dòng)機的遙控“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系統相接，可實(shí)現對現場(chǎng)設備的監控。

■具有故障記錄、起動(dòng)記錄、停車(chē)記錄、DI變位記錄和再起動(dòng)記錄等各類(lèi)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、結論

   本文結合煤礦井下實(shí)際情況，設計了一款礦用電動(dòng)機智能綜合保護器。設計方案切合實(shí)際要求，實(shí)現了電動(dòng)機在電網(wǎng)中出現漏電、欠壓、過(guò)壓、三相不平衡、斷相、過(guò)載、短路等故障狀態(tài)時(shí)的檢測與保護功能，確保了系統的可靠性、準確性、抗干擾性和靈敏性。

參考文獻：

[1]陳瑞利.煤礦電動(dòng)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)設計與應用手冊.2022.05版.

[3] GB 14048.4-2020 低壓開(kāi)關(guān)設備和控制設備 第4-1部分：接觸器和電動(dòng)機起動(dòng)器機電式接觸器和電動(dòng)機起動(dòng)器(含電動(dòng)機保護器).

作者介紹：

韓歡慶，女，現任職于江蘇安科瑞微電網(wǎng)研究院有限公司，主要研究方向為電動(dòng)機保護裝置的應用。