安科瑞在電動機(jī)智能綜合保護(hù)器在煤礦內(nèi)的應(yīng)用

摘 要 ：介紹了礦用電動機(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)對電動機(jī)的相關(guān)保護(hù)控制、故障顯示與報警以及與上位機(jī)的通信。同時還介紹了有關(guān)礦井下電動機(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

  電動機(jī)在運(yùn)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(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，電動機(jī)長時間暴露在煤塵、潮濕等惡劣環(huán)境中，容易導(dǎo)致電動機(jī)散熱道堵塞等，經(jīng)常會出現(xiàn)電動機(jī)的燒損。因此電動機(jī)智能綜合保護(hù)器的設(shè)計就顯得非常重要。

一、 電動機(jī)智能綜合保護(hù)器結(jié)構(gòu)分析

  礦用電動機(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)節(jié)電路和信號采集電路(A／D轉(zhuǎn)換電路)，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)由電動機(jī)保護(hù)控制電路實(shí)現(xiàn)對電動機(jī)的保護(hù)和控制。為方便就地檢查，同樣需要在保護(hù)器上設(shè)置電動機(jī)狀態(tài)顯示與報警界面，實(shí)現(xiàn)良好的人機(jī)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(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)

  煤礦井下電動機(jī)及其供電線路常見的漏電故障有：

(1)電動機(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*大，從而使電動機(jī)及電氣設(shè)備外殼帶電。

(2)電動機(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。

  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(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(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)

  常見的電動機(jī)運(yùn)行方式主要有長時間運(yùn)行、短時間運(yùn)行及重復(fù)短時間運(yùn)行三種。同一臺電動機(jī)按短時間運(yùn)行方式或者重復(fù)短時間運(yùn)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(yùn)行方式時電動機(jī)不可長期過載運(yùn)行。為了確保電動機(jī)長期穩(wěn)定運(yùn)行，不會因?yàn)槎虝r間的過載而發(fā)生停止運(yùn)行的現(xiàn)象，這就要求電動機(jī)要有一定的過載能力。異步電動機(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，中小型電動機(jī)的KM＝1．6~1．8，中型及大型電動機(jī)的KM＝1．8~2．5，有特殊要求的電動機(jī)KM可以達(dá)到2．0~3．0或更大。

  在這里，通常將電動機(jī)過載保護(hù)特性定義為：電動機(jī)的過載倍數(shù)與其過載保護(hù)動作時間之間的關(guān)系。如圖3所示為電動機(jī)的過載保護(hù)特性曲線。

圖3電動機(jī)過載保護(hù)特性曲線

  從圖3可以看出，不同的保護(hù)特性曲線擁有一個共同的特點(diǎn)就是，電動機(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，也就是反時限過載保護(hù)特性效果較好。

  電動機(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的工作狀態(tài)，電動機(jī)過載時會引起電動機(jī)的銅耗急劇增加，從而使得電動機(jī)的繞組發(fā)熱導(dǎo)致電動機(jī)燒損，因此可以間接檢測電動機(jī)的運(yùn)行電流來判斷電動機(jī)的發(fā)熱情況，實(shí)現(xiàn)電動機(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)計中，根據(jù)煤礦井下情況，選用C＝2時的*度反時限過載保護(hù)方法對電動機(jī)進(jìn)行保護(hù)。

2.3短路保護(hù)

  電動機(jī)在運(yùn)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(jī)的電流同樣非常大，為區(qū)分堵轉(zhuǎn)故障電流和電動機(jī)正常啟動瞬間的電流，一般將使電動機(jī)穩(wěn)定啟動的*大電流作為堵轉(zhuǎn)保護(hù)的整定值，將時限設(shè)置為通常電動機(jī)在重載情況下啟動的時間，這個時間一般為8~16s。電動機(jī)的堵轉(zhuǎn)保護(hù)與短路保護(hù)共同構(gòu)成了電動機(jī)的短路保護(hù)。

  在本設(shè)計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)

  引起電動機(jī)燒損的另一個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0.1以上燒損的電動機(jī)是由這兩種原因引起的，在做電動機(jī)綜合保護(hù)器時，這兩種情況必*考慮。從廣義上來說，電動機(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)，更為嚴(yán)重的電動機(jī)繞組電流不對稱狀態(tài)就是電動機(jī)的斷相運(yùn)行狀態(tài)。

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、多種啟動方式選擇等。

  保護(hù)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(hù)。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(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(yuǎn)程計算機(jī)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(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，還要考慮到以下幾種因素：

(1)電動機(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)電動機(jī)使用方向：指拖動機(jī)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(yùn)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(hù)、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(jī)位置的隨意性、啟動停止的頻繁程度等。

五、ARD系列電動機(jī)保護(hù)器產(chǎn)品選型介紹

         ARD智能電動機(jī)保護(hù)器適用于額定電壓至660V的低壓電動機(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)功能確保電動機(jī)安*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。可選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(yùn)行時間報警、故障次數(shù)報警。

■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，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(shí)現(xiàn)主站對電動機(jī)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*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(shí)際情況，設(shè)計了一款礦用電動機(jī)智能綜合保護(hù)器。設(shè)計方案切合實(shí)際要求，實(shí)現(xiàn)了電動機(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(jī)起動器機(jī)電式接觸器和電動機(jī)起動器(含電動機(jī)保護(hù)器).