摘要：介紹礦用電機(jī)智能綜合保護(hù)系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)，通過(guò)微控制器采集的直流信號(hào)編程判斷，直接將交流信號(hào)整流、濾波、調(diào)節(jié)、采樣轉(zhuǎn)化為微控制器可識(shí)別的直流信號(hào)，實(shí)現(xiàn)電機(jī)的相關(guān)保護(hù)控制、故障顯示和報(bào)警，以及與上位機(jī)的通信。同時(shí)，介紹了礦井下電機(jī)經(jīng)常出現(xiàn)的故障及其原因，以及判斷這些故障所使用的檢測(cè)和保護(hù)方法。

關(guān)鍵詞：電機(jī)、智能保護(hù)器、結(jié)構(gòu)分析、微控制器、互感器

引言

電機(jī)在運(yùn)行狀態(tài)下可能會(huì)出現(xiàn)各種故障，這與工作環(huán)境、使用方法和維護(hù)周期密切相關(guān)。特別是在煤礦地下，由于地下環(huán)境惡劣，電機(jī)長(zhǎng)期暴露在煤塵、潮濕等惡劣環(huán)境中，容易導(dǎo)致電機(jī)散熱道堵塞，電機(jī)經(jīng)常燒毀。因此，電機(jī)智能綜合保護(hù)器的設(shè)計(jì)非常重要。

一電機(jī)智能綜合保護(hù)器結(jié)構(gòu)分析

礦用電機(jī)智能綜合保護(hù)器系統(tǒng)是指通過(guò)電流互感器和電壓互感器變壓煤礦地下電網(wǎng)供電系統(tǒng)，通過(guò)信號(hào)調(diào)節(jié)電路和信號(hào)采集電路(A／D轉(zhuǎn)換電路)，最后轉(zhuǎn)換為微控制器能識(shí)別的數(shù)字信號(hào)；通過(guò)編程微控制器，處理收集到的信號(hào)，判斷電機(jī)當(dāng)前狀態(tài)；通過(guò)判斷狀態(tài)，通過(guò)電機(jī)保護(hù)控制電路實(shí)現(xiàn)電機(jī)的保護(hù)和控制。

二保護(hù)器工作狀態(tài)分析

1漏電保護(hù)

煤礦地下電機(jī)及其供電線路常見(jiàn)的漏電故障有：

（1）由于長(zhǎng)期暴露在潮濕的環(huán)境中，電機(jī)或供電線路的絕緣電阻下降，流向地球的對(duì)地電流增大，從而給電機(jī)和電氣設(shè)備的外殼帶電。

（2）電機(jī)或供電線路帶電體部分暴露，導(dǎo)致未高度重視的地下人員意外接觸，通過(guò)導(dǎo)體工具直接或間接接地，造成漏電事故。

（3）由于長(zhǎng)期老化、電壓擊穿或機(jī)械損壞，電機(jī)或供電線路的絕緣部分發(fā)生一相中的金屬接地或弧光接地。

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經(jīng)這些電流的時(shí)間長(zhǎng)短有關(guān)。一般來(lái)說(shuō)，當(dāng)人體觸摸一相導(dǎo)線而不考慮電網(wǎng)電容時(shí)，30ma允許通過(guò)人體的最大觸電電流，即30ma以下不會(huì)造成生命危險(xiǎn)。660V地下引爆氣體的安全火花電流小于50ma。因此，漏電安全的臨界電流值應(yīng)為30ma。

在忽略電網(wǎng)對(duì)地分布電容的情況下，在中性點(diǎn)不接地系統(tǒng)中人體觸電電流的計(jì)算公式中:Ir是通過(guò)人體的電流，單位是A；E是供電電路的相電壓，單位為V；r為供電電路各相對(duì)地絕緣電阻值，單位為Ω；Rr為人體電阻值，單位為人體電阻值，單位為人體電阻值，單位為Ω，煤礦井下一般按zui低值為1kΩ計(jì)算。

對(duì)于煤礦地下中性點(diǎn)不接地系統(tǒng)，漏電電流通常很小，難以區(qū)分故障。因此，需要添加接地檢測(cè)電源E，如圖1所示。將附加的DC檢測(cè)電源E連接到三相系統(tǒng)中。如果系統(tǒng)發(fā)生泄漏，則電流將根據(jù)電源的正極→電網(wǎng)對(duì)地絕緣電阻→三相電網(wǎng)系統(tǒng)→電源負(fù)極流向運(yùn)行。由于單回路系統(tǒng)和電流不變，采樣電阻R兩端的電壓U尺寸通過(guò)漏電保護(hù)電路檢測(cè)，間接了解電網(wǎng)對(duì)地絕緣電阻值的變化，檢測(cè)電網(wǎng)是否漏電。該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)

漏電鎖也是一種重要的漏電保護(hù)方法。顧名思義，漏電鎖是指檢測(cè)到線路漏電時(shí)，需要關(guān)閉開(kāi)關(guān)，防止人員發(fā)電后因漏電而發(fā)生事故。當(dāng)三相系統(tǒng)不通電時(shí)，可以通過(guò)附加直流電源檢測(cè)到電網(wǎng)對(duì)地絕緣電阻值的變化，從而判斷是否發(fā)生漏電。三相電網(wǎng)未通電時(shí)，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)將附加直流電源連接到系統(tǒng)。如果發(fā)生漏電，電壓U會(huì)發(fā)生變化，從而觸發(fā)漏電保護(hù)電路的動(dòng)作，達(dá)到漏電鎖保護(hù)的目的。

圖2附加直流電源漏電閉鎖

2過(guò)載保護(hù)

常見(jiàn)的電機(jī)運(yùn)行方式主要有三種:長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行、短時(shí)間運(yùn)行和重復(fù)短時(shí)間運(yùn)行。在這三種運(yùn)行方式下，電機(jī)的加熱情況是不同的。因此，同一臺(tái)電機(jī)在短時(shí)間運(yùn)行或重復(fù)短時(shí)間運(yùn)行時(shí)，可以允許大輸出短時(shí)間過(guò)載，而電機(jī)在長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行時(shí)不能長(zhǎng)時(shí)間過(guò)載。為了保證電機(jī)的長(zhǎng)期穩(wěn)定運(yùn)行，短時(shí)間過(guò)載不會(huì)停止運(yùn)行，這就要求電機(jī)具備一定的過(guò)載能力。異步電機(jī)的過(guò)載能力通常用最大扭矩Mm除以額定扭矩MH獲得的商業(yè)KM來(lái)表示，中小型電機(jī)的KM＝1．6~1．8、中大型電機(jī)的KM＝1．8~2．5、有特殊要求的電機(jī)KM可達(dá)到2．0~3．0或更大。

在這里，電機(jī)過(guò)載保護(hù)特性通常被定義為：電機(jī)過(guò)載倍數(shù)與其過(guò)載保護(hù)動(dòng)作時(shí)間之間的關(guān)系。如圖3所示，電機(jī)過(guò)載保護(hù)特性曲線。

圖3電動(dòng)機(jī)過(guò)載保護(hù)特性曲線

從圖3可以看出，不同的保護(hù)特性曲線有一個(gè)共同的特點(diǎn)，即電機(jī)只能在保護(hù)特性曲線的左側(cè)正常工作，曲線1、2、3與曲線4之間的每個(gè)區(qū)域都是無(wú)效區(qū)域，即該區(qū)域不能得到充分利用。曲線3是上述三種曲線中zui接近曲線4的，即反時(shí)限過(guò)載保護(hù)特性效果好。

反時(shí)限過(guò)載保護(hù)的過(guò)載倍數(shù)是故障電流大小與過(guò)載保護(hù)的動(dòng)作時(shí)間成反比，電流大小決定了動(dòng)作時(shí)間的趨勢(shì)。因此，電機(jī)過(guò)載的整定時(shí)間應(yīng)為電流值的一定倍數(shù)下的動(dòng)作時(shí)間。

電機(jī)過(guò)載運(yùn)行狀態(tài)是指當(dāng)運(yùn)行電流大于額定電流時(shí)，電機(jī)過(guò)載會(huì)導(dǎo)致電機(jī)銅消耗急劇增加，使電機(jī)繞組加熱導(dǎo)致電機(jī)燒毀，間接檢測(cè)電機(jī)運(yùn)行電流判斷電機(jī)加熱，實(shí)現(xiàn)電機(jī)過(guò)載保護(hù)。由于該方法檢測(cè)對(duì)象為電流，能適應(yīng)所有電氣負(fù)荷，調(diào)整靈活，維護(hù)方便，應(yīng)用廣泛。因此，在本設(shè)計(jì)中，根據(jù)煤礦地下情況選擇C＝2時(shí)極度反時(shí)限過(guò)載保護(hù)方法保護(hù)電機(jī)。

3短路保護(hù)

由于電機(jī)短路故障會(huì)帶來(lái)非常嚴(yán)重的后果，因此電機(jī)綜合保護(hù)器中的短路保護(hù)應(yīng)為快速斷開(kāi)保護(hù)。電機(jī)的啟動(dòng)電流通常非常大，接近短路時(shí)的電流。因此，電機(jī)的短路整定電流倍數(shù)應(yīng)大于使電機(jī)穩(wěn)定啟動(dòng)的最大電流，通常取電機(jī)額定電流的8~10倍，時(shí)限設(shè)置為避免電機(jī)啟動(dòng)時(shí)瞬時(shí)沖擊電流的時(shí)間，一般大于0.04s。

電機(jī)運(yùn)行時(shí)通常會(huì)出現(xiàn)堵轉(zhuǎn)故障，堵轉(zhuǎn)故障時(shí)通過(guò)電機(jī)的電流也很大。為了區(qū)分堵轉(zhuǎn)故障電流和電機(jī)正常啟動(dòng)瞬間的電流，電機(jī)穩(wěn)定啟動(dòng)的最大電流一般作為堵轉(zhuǎn)保護(hù)的整定值，時(shí)限設(shè)置為電機(jī)在重載情況下通常啟動(dòng)的時(shí)間，一般為8~16s。電機(jī)的堵轉(zhuǎn)保護(hù)和短路保護(hù)共同構(gòu)成電機(jī)的短路保護(hù)。

本設(shè)計(jì)采用電流橫幅保護(hù)原理，可設(shè)置短路電流保護(hù)值，以適應(yīng)不同的電網(wǎng)等級(jí)。

三保護(hù)器選擇分類

現(xiàn)代智能電機(jī)保護(hù)器在實(shí)際生產(chǎn)中還有許多功能，如回顧功能、遠(yuǎn)程通信、遠(yuǎn)程控制、多種啟動(dòng)方式選擇等。

保護(hù)器分為：普通型、數(shù)碼顯示監(jiān)控型、智能監(jiān)控中文顯示型。

四ARD系列電機(jī)保護(hù)器產(chǎn)品選型介紹

ARD智能電機(jī)保護(hù)器適用于額定電壓至660V的低壓電機(jī)電路，集保護(hù)、測(cè)量、控制、通信、運(yùn)行和維護(hù)于一體。其完善的保護(hù)功能保證了電機(jī)的安全運(yùn)行，具有邏輯可編程功能，可滿足各種控制方法。本產(chǎn)品采用分體式結(jié)構(gòu)，由主體、顯示單元和互感器組成，可適應(yīng)各種機(jī)柜的安裝。可選擇不同的通信模塊來(lái)滿足現(xiàn)場(chǎng)通信的需要。

1產(chǎn)品選型

五結(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(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(cè)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)：

[1]陳瑞利.煤礦電動(dòng)機(jī)智能綜合保護(hù)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(jì)與應(yīng)用手冊(cè).2022.05版.

[3] GB 14048.4-2020 低壓開(kāi)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).