周穎

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(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(hào)整流,、濾波,、調(diào)理、采樣的方式變?yōu)槲⒖刂破髂軌蜃R(shí)別的直流信號(hào),，通過對(duì)微控制器采集到的直流信號(hào)編程判斷來實(shí)現(xiàn)對(duì)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

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,。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。

一,、 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(duì)煤礦井下電網(wǎng)供電系統(tǒng)進(jìn)行變壓,，通過信號(hào)調(diào)理電路和信號(hào)采集電路(A／D轉(zhuǎn)換電路),，*轉(zhuǎn)換成微控制器能夠識(shí)別的數(shù)字信號(hào)；通過對(duì)微控制器進(jìn)行相關(guān)編程,，對(duì)采集到的信號(hào)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(duì)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(duì)電動(dòng)機(jī)的保護(hù)和控制,。同時(shí)由于對(duì)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(jí)下對(duì)電動(dòng)機(jī)不同的要求,。

二、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(duì)地電流增大，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(dòng)機(jī)或者供電線路絕緣部分因?yàn)榫弥美匣㈦妷盒該舸┗蛘邫C(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,。

  人身觸電造成人身傷亡的危險(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*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(duì)地分布電容情況下,，對(duì)于中性點(diǎn)不接地系統(tǒng)中人體觸電電流計(jì)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(duì)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(jì)算。

  對(duì)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極→電網(wǎng)對(duì)地絕緣電阻→三相電網(wǎng)系統(tǒng)→電源負(fù)極流向來運(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(duì)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)法,。

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(duì)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(tái)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*力矩Mm除以額定力矩MH得到的商KM來表示,，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或更大,。

  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)特性效果較好,。

  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(shì),。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(duì)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)的極度反時(shí)限過載保護(hù)方法對(duì)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*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0.04s,。

  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*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(duì)電流的鑒幅式保護(hù)原理,，其中可以對(duì)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(jí)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),，這兩種情況必須考慮,。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(duì)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(dòng)機(jī)繞組電流不對(duì)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(duì)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,，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(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(duì)電動(dòng)機(jī)的損壞是相當(dāng)大的,，對(duì)其進(jìn)行檢測是有必要的。

  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(3)計(jì)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*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100％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*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(duì)電動(dòng)機(jī)進(jìn)行保護(hù)延時(shí)跳閘,；同樣，當(dāng)電網(wǎng)電壓超過115％的額定電壓時(shí)即被稱為過壓,，此時(shí)保護(hù)器對(duì)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(duì)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(duì)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,。

三、保護(hù)器選擇分類

  現(xiàn)代智能電機(jī)保護(hù)器還有很多在實(shí)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(dòng)方式選擇等,。

  保護(hù)器在類型上分為：

（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(hù),。故障類型采用指示燈顯示。

（2）數(shù)碼顯示監(jiān)控型

  數(shù)碼顯示監(jiān)控型保護(hù)器,，內(nèi)部電路運(yùn)用單片機(jī),，采用數(shù)碼管作為顯示窗口，智能化綜合保護(hù),，集保護(hù),、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(duì)各種參數(shù)修正,。

（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(duì)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(jì)算機(jī)通訊功能,。啟動(dòng)方式有多種選擇,，并有存儲(chǔ)回看功能，給后期的維護(hù)維修提供了數(shù)據(jù)依據(jù),。

四,、保護(hù)器在選擇上應(yīng)注意事項(xiàng)

  在選擇保護(hù)器的同時(shí)，還要考慮到以下幾種因素：

(1)電動(dòng)機(jī)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(dòng)機(jī)使用方向：指拖動(dòng)機(jī)械設(shè)備要求,。

(4)控制系統(tǒng)：控制模式有手動(dòng),、自動(dòng)化程序等工作運(yùn)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、維護(hù),、查看方便,。

(6)靈敏度要求：是帶載啟動(dòng)還是空載啟動(dòng)，是滿載還是逐漸加載,，主要是在電流設(shè)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(xiàn)場對(duì)電動(dòng)機(jī)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(jī)保護(hù)器產(chǎn)品選型介紹

  ARD智能電動(dòng)機(jī)保護(hù)器適用于額定電壓至660V的低壓電動(dòng)機(jī)回路，集保護(hù),、測量,、控制、通訊,、運(yùn)維于一體,。其完善的保護(hù)功能確保電動(dòng)機(jī)安全運(yùn)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(diǎn)

■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(hù)功能包括過載反時(shí)限,、過載定時(shí)限,、接地、起動(dòng)超時(shí),、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(shí)間、外部故障,、起動(dòng)次數(shù)限制,、運(yùn)行時(shí)間報(bào)警,、故障次數(shù)報(bào)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(diǎn)。

■5路可編程DO輸出,，滿足直接起動(dòng),，星—三角起動(dòng)，自耦變壓器起動(dòng),，等多種起動(dòng)方式,，可通過通訊總線實(shí)現(xiàn)主站對(duì)電動(dòng)機(jī)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*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(shí)現(xiàn)對(duì)現(xiàn)場設(shè)備的監(jiān)控,。

■具有故障記錄、起動(dòng)記錄,、停車記錄,、DI變位記錄和再起動(dòng)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(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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[2]安科瑞企業(yè)微電網(wǎng)設(shè)計(jì)與應(yīng)用手冊(cè).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(dòng)機(jī)起動(dòng)器機(jī)電式接觸器和電動(dòng)機(jī)起動(dòng)器(含電動(dòng)機(jī)保護(hù)器).

作者介紹：

周穎,，女,，本科  安科瑞電氣股份有限公司,，主要研究方向?yàn)橹悄茈娋W(wǎng)供配電