煤礦電動機智能綜合保護器工作分析

李 超

(煤炭工業晉城礦區建設工程質量監督站，山西 晉城 048006)

電動機在運行狀態下可能會發生各種各樣的故障，發生原因與工作環境、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，導致電動機散熱道堵塞等，經常會出現電動機的燒損[1-3]. 因此，電動機智能綜合保護器的設計就顯得非常重要。煤礦井下電動機經常出現的電氣故障主要有：漏電、欠壓、過壓、三相不平衡、斷相、過載和短路等。

1 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系統指的是使用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)，轉換成微控制器能夠識別的數字信號，隨后對微控制器進行相關編程，對采集到的信號進行處理，判斷電動機所處狀態，經由電動機保護控制電路實現對電動機的保護和控制。

由于對煤礦井下電動機的現場巡檢不方便，設計電動機智能綜合保護器應增加與地面上位機通信的功能，為方便就地檢查，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。系統整體框架見圖1.

圖1 電動機智能綜合保護器系統整體框架圖

2 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，使電動機及電氣設備外殼帶電。

2) 電動機或供電線路帶電體發生部分裸露現象，致使井下工作人員誤觸到該處，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度有關系。一般在不考慮電網電容情況下，人體觸到一相導線時，30 mA為允許通過人體的最大觸電電流，即30 mA以下不至于產生生命危險。井下在660 V時引爆瓦斯的安全火花電流為50 mA以下。所以，漏電安全臨界電流值應該為30 mA.

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為：

(1)

式中：

Ir—通過人體的電流，A；

E—供電電路的相電壓，V；

r—供電電路每相的對地絕緣電阻值，Ω；

Rr—人體電阻值，Ω，在煤礦井下一般取最低值1.

煤礦井下低壓電網的最低絕緣電阻值及漏電保護絕緣電阻值見表1.

表1 各種電網最低絕緣電阻值表

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互投器，見圖2，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兩端的電壓U的值可以間接得出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[2-3]. 這種方法稱為附加直流電源漏電保護法。

圖2 附加直流電源漏電保護示意圖

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，見圖3，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3 附加直流電源漏電閉鎖示意圖

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3種，在這3種運行方式下，電動機的發熱情況各不相同，因此對于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，即可短暫的過載，而長時間運行方式時，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現象，這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，見式(2)：

(2)

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。

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。電動機的過載保護特性曲線見圖4.

圖4 電動機過載保護特性曲線圖

從圖4可以看出，不同的保護特性曲線擁有一個共同的特點，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3條曲線中最接近曲線4的，也就是反時限過載保護特性效果最佳。

反時限過載保護的過載倍數即故障電流的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，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將會帶來嚴重的后果，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大，接近短路時的電流，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0.04 s.

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8～16 s. 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，其短路保護特性曲線見圖5.

在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，約占10%以上

圖5 電動機短路保護特性曲線圖

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=10 A，IB=10 A，IC=10 A，那么總銅損為102R+102R+102R=300R；如果三相電流不平衡，假設IA=5 A，IB=10 A，IC=15 A，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=15 A，IB=0 A，IC=15 A，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=0 A，IB=0 A，IC=30 A，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，對其進行檢測是必不可少的。

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。該設計中，根據以上原理通過式(3)計算方式確定三相電流的不平衡度。

(3)

式中：

ω—三相電流不平衡度；

Imax—三相線電流中電流最大值，A；

Imin—三相線電流中電流最小值，A.

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不可缺的保護類型之一。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，當電網電壓上升到超過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后執行相應延時保護動作。

3 結 語

介紹了礦用電動機智能綜合保護器系統工作原理。分析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。