朱鹍
安科瑞電氣股份有限公司 上海嘉定 201801
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
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(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，*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[1-3]。因此，電動機智能綜合保護器的設(shè)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，通過信號調(diào)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(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。
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：
（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變大，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(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(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(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0.04。
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(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)，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，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(shè)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(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**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(dāng)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(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不可缺的保護類型之一。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。
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。可與接觸器、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(yīng)用范圍：可廣泛應(yīng)用于煤礦、石化、冶煉、電力、建筑等行業(yè)的配電領(lǐng)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(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]王德勝.附加直流電源檢測法在漏電保護中的應(yīng)用[J].工礦自動化，2010（2）：62-64.
[2]陳瑞利.煤礦電動機智能綜合保護器工作分析
[3]安科瑞企業(yè)微電網(wǎng)設(shè)計與應(yīng)用手冊2020.06版
作者簡介：朱鹍，女，就職于安科瑞電氣股份有限公司，主要研究方向為企業(yè)能源管控
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