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(shí)現(xiàn)對電動(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
0 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[1-3]。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。
1 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煤礦井下電網(wǎng)供電系統(tǒng)進(jìn)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(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(jī)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(dòng)機(jī)保護(hù)控制電路實(shí)現(xiàn)對電動(dòng)機(jī)的保護(hù)和控制。同時(shí)由于對煤礦井下電動(dòng)機(jī)的現(xiàn)場巡檢并不是很方便，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)電壓等級下對電動(dòng)機(jī)不同的要求。
2 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(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(diǎn)不接地系統(tǒng)中人體觸電電流計(jì)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?yàn)楣╇婋娐访肯嗟膶Φ亟^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(jì)算。
對于煤礦井下中性點(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(fù)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(xiàn)象。這種方法稱為附加直流電源漏電保護(hù)。
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(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，而采用長時(shí)間運(yùn)行方式時(shí)電動(dòng)機(jī)不可長期過載運(yùn)行。為了確保電動(dòng)機(jī)長期穩(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(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或較大。
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是以上三種曲線中接近曲線４的，也就是反時(shí)限過載保護(hù)特性效果佳。
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。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(jì)中，根據(jù)煤礦井下情況，選用C＝２時(shí)的度反時(shí)限過載保護(hù)方法對電動(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0.04。
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)中采用對電流的鑒幅式保護(hù)原理，其中可以對短路電流保護(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)到一定程度的不對稱即為三相不平衡，這便是所謂的故障狀態(tài)，較為嚴(yán)重的電動(dòng)機(jī)繞組電流不對稱狀態(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，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(yán)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(shí)銅損的1.5倍；在嚴(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電動(dòng)機(jī)的損壞是相當(dāng)大的，對其進(jìn)行檢測是**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)以上原理通過式計(jì)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(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)果為滿級時(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)是煤礦井下必不可缺的保護(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**過115％的額定電壓時(shí)即被稱為過壓，此時(shí)保護(hù)器對電動(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 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 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。
3安科瑞ARD系列智能電動(dòng)機(jī)保護(hù)器介紹與綜合選型
3.1產(chǎn)品簡介
ARD該系列低壓電動(dòng)機(jī)保護(hù)器，具有過載、斷相、不平衡、欠載、接地/漏電、堵轉(zhuǎn)等保護(hù)功能?？膳c接觸器、電動(dòng)機(jī)起動(dòng)器等電器元件構(gòu)成電動(dòng)機(jī)控制保護(hù)單元，具有遠(yuǎn)程自動(dòng)控制、現(xiàn)場直接控制、面板指示、信號報(bào)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(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)】
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[3]安科瑞企業(yè)微電網(wǎng)設(shè)計(jì)與應(yīng)用手冊2020.06版
安科瑞電氣股份有限公司專注于數(shù)據(jù)中心能耗管理,智慧能源綜合服務(wù)平臺,數(shù)據(jù)中心智能配電,能源管理系統(tǒng)等
