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(yīng)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(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(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大的，對其進行檢測是需要的。

   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(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(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、遠程通訊、遠程控制、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、準確性、抗干擾性和靈敏性。

參考文獻：

[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