胡冠楠

安科瑞電氣股份有限公司 上海嘉定

   摘 要 ：介紹了礦用電動機智能綜合保護器系統的總體結構，采用直接將交流信號整流、濾波、調理、采樣的方式變為微控制器能夠識別的直流信號，通過對微控制器采集到的直流信號編程判斷來實現對電動機的相關保護控制、故障顯示與報警以及與上位機的通信。同時還介紹了有關礦井下電動機經常出現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。

   關鍵詞： 電動機；智能保護器；結構分析；微控制器；互感器

引言

   電動機在運行狀態下可能會發生各種各樣的故障，這與工作環境、使用方式和維護周期等因素密切相關。特別是在煤礦井下，由于井下環境惡劣，電動機長時間暴露在煤塵、潮濕等惡劣環境中，容易導致電動機散熱道堵塞等，經常會出現電動機的燒損。因此電動機智能綜合保護器的設計就顯得非常重要。

一、 電動機智能綜合保護器結構分析

   礦用電動機智能綜合保護器的系統指的是通過電流互感器和電壓互感器對煤礦井下電網供電系統進行變壓，通過信號調理電路和信號采集電路(A／D轉換電路)，最后轉換成微控制器能夠識別的數字信號；通過對微控制器進行相關編程，對采集到的信號進行處理，判斷電動機當前處在什么狀態；通過對該狀態的判斷，經由電動機保護控制電路實現對電動機的保護和控制。同時由于對煤礦井下電動機的現場巡檢并不是很方便，在此設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置電動機狀態顯示與報警界面，實現良好的人機交互，同時應加上按鍵調節功能以適應不同電網電壓等級下對電動機不同的要求。

二、保護器工作狀態分析

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境中，導致其絕緣電阻下降，流向大地的對地電流增大，從而使電動機及電氣設備外殼帶電。

(2)電動機或者供電線路帶電體發生部分裸露現象，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主要與流經人身的觸電電流和流過這些電流時間長短有關系。一般在不考慮電網電容情況下，人體觸到一相導線時，30mA為允許通過人體的最大觸電電流，即30mA以下不至于發生生命危險。井下在660V時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該為30mA。

   在忽略電網對地分布電容情況下，對于中性點不接地系統中人體觸電電流計算公式中：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計算。

   對于煤礦井下中性點不接地系統，通常其漏電電流非常小，不易區分故障與否，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，如果系統出現漏電現象，那么電流將按照電源正極→電網對地絕緣電阻→三相電網系統→電源負極流向來運行，由于單回路系統，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對地絕緣電阻阻值的變化，進而可以檢測到電網是否發生漏電現象。這種方法稱為附加直流電源漏電保護法。

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，漏電閉鎖是指當檢測到線路發生漏電時，需要閉鎖住電閘，防止人員送電之后因漏電而發生事故。當三相系統未通電情況下，通過附加直流電源方法可以檢測到電網對地絕緣電阻阻值的變化，從而判斷是否發生漏電現象。在三相電網未通電情況下，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，如果發生漏電，則電壓U發生變化，從而觸發漏電保護電路動作，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、短時間運行及重復短時間運行三種，在這三種運行方式下，電動機的發熱情況各不相同。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定運行，不會因為短時間的過載而發生停止運行的現象，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最大力矩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或更大。

   在這里，通常將電動機過載保護特性定義為：電動機的過載倍數與其過載保護動作時間之間的關系。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正常工作，曲線1、2、3中的每一條與曲線4之間的區域為無效區域，即該區域不能被充分利用。曲線3是以上三種曲線中曲線4的，也就是反時限過載保護特性。

   反時限過載保護的過載倍數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該為某一電流值的某一倍數下的動作時間。

   電動機過載運行狀態指的是當其運行電流大于額定電流時的工作狀態，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熱導致電動機燒損，因此可以間接檢測電動機的運行電流來判斷電動機的發熱情況，實現電動機過載的保護。因為這種方法檢測的對象是電流，能適應于一切電氣負載，而且其調整靈活、維修方便，所以得到了廣泛的應用。因此，在本設計中，根據煤礦井下情況，選用C＝2時的極度反時限過載保護方法對電動機進行保護。

2.3短路保護

   由于電動機發生短路故障時將會帶來非常嚴重的后果，因此，在設置電動機綜合保護器中的短路保護時應該是速斷保護。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應該大于使電動機穩定啟動的最大電流，通常取電動機額定電流時的8~10倍，將時限設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0.04s。

   電動機在運行時通常還會發生堵轉故障，堵轉故障發生時通過電動機的電流同樣非常大，為區分堵轉故障電流和電動機正常啟動瞬間的電流，一般將使電動機穩定啟動的最大電流作為堵轉保護的整定值，將時限設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。電動機的堵轉保護與短路保護共同構成了電動機的短路保護。

   在本設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定，以適應于不同的電網等級中。

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，這兩種情況必須考慮。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，更為嚴重的電動機繞組電流不對稱狀態就是電動機的斷相運行狀態。

   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銅損的影響為：

   假設R是電動機系統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IA＝5A，IB＝10A，IC＝15A，那么總銅損為52R＋102R＋152R＝350R，比平衡狀態的銅損增加了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IA＝15A，IB＝0A，IC＝15A，那么總銅損為152R＋0＋152R＝450R，是平衡狀態時銅損的1．5倍；在最嚴重情況下，也就是斷兩相情況下，假設IA＝0A，IB＝0A，IC＝30A，那么總銅損為0＋0＋302R＝900R，是平衡狀態時銅損的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大的，對其進行檢測是的。

   當三相電流平衡時，三相電流的值是相等的，當不平衡時，每相將會發生相應變化。本設計中，根據以上原理通過式(3)計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最大值；Imin為三相線電流中電流最小值。

   由此，根據式(3)計算出的不平衡度可以判斷三相不平衡的程度，當計算結果為100％時，則說明電路中已經發生斷相故障，此時應該立即執行相應保護動作。2．5欠壓和過壓保護欠壓和過壓保護是煤礦井下必*保護類型之一。當電網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，當電網電壓超過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電壓參數進行整流、濾波，通過對A／D轉換器結果進行判斷之后執行相應延時保護動作。

三、保護器選擇分類

   現代智能電機保護器還有很多在實際生產中需要的功能，如回看功能、遠程通訊、遠程控制、多種啟動方式選擇等。

   保護器在類型上分為：一般普通型、數碼顯示監控型、智能監控中文顯示型。

3.1一般普通型

   結構比較簡單，主要功能以突出過載、缺相(三相不平衡)堵轉等故障保護。故障類型采用指示燈顯示。

3.2數碼顯示監控型

   數碼顯示監控型保護器，內部電路運用單片機，采用數碼管作為顯示窗口，智能化綜合保護，集保護、測量、通訊、顯示為一體。整定電流采用數字設定，用戶可以自行對各種參數修正。

3.3智能監中文顯示控型

   智能漢字顯示更適合國內，與其他類型相比，功能更加完善。此類產品對各種參數、狀態、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，并且支持遠程計算機通訊功能。啟動方式有多種選擇，并有存儲回看功能，給后期的維護維修提供了數據依據。

四、保護器在選擇上應注意事項

   在選擇保護器的同時，還要考慮到以下幾種因素：

(1)電動機主要參數：主要是功率、電壓、電流、頻率方面,為選型提供依據。

(2)使用環境因素的影響：主要指溫度、濕度、污染等。

(3)電動機使用方向：指拖動機械設備要求。

(4)控制系統：控制模式有手動、自動化程序等工作運行。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、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：如生產現場對電動機位置的隨意性、啟動停止的頻繁程度等。

五、ARD系列電動機保護器產品選型介紹

          ARD智能電動機保護器適用于額定電壓至660V的低壓電動機回路，集保護、測量、控制、通訊、運維于一體。其完善的保護功能確保電動機安全運行，帶有邏輯可編程功能，可以滿足多種控制方式。該產品采用分體式結構，由主體、顯示單元、互感器組成，可適應各種柜體的安裝。可選配不同通訊模塊適應現場通訊需求。

5.1、功能特點

■支持基波和全波電力參數測量（U、I、P、Q、S、PF、F、EP、EQ），電流及電流不平衡度、電流正序、負序、零序分量、電壓、三相電壓相角、剩余電流。

■保護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、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、起動次數限制、運行時間報警、故障次數報警。

■9路可編程DI輸入，默認采用內置DC24V電源，也可選擇外部有源濕接點。

■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，可通過通訊總線實現主站對電動機的遙控“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，支持最多2路通訊接口。

■可選配1路DC4-20mA模擬量輸出接口，與DCS系統相接，可實現對現場設備的監控。

■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、產品選型

六、結論

   本文結合煤礦井下實際情況，設計了一款礦用電動機智能綜合保護器。設計方案切合實際要求，實現了電動機在電網中出現漏電、欠壓、過壓、三相不平衡、斷相、過載、短路等故障狀態時的檢測與保護功能，確保了系統的可靠性、準確性、抗干擾性和靈敏性。

參考文獻：

[1]陳瑞利.煤礦電動機智能綜合保護器工作分析[J].科技資訊, 2020(4).

[2]安科瑞企業微電網設計與應用手冊.2022.05版.

[3] GB 14048.4-2020 低壓開關設備和控制設備 第4-1部分：接觸器和電動機起動器機電式接觸器和電動機起動器(含電動機保護器).