煤礦大型固定設備電動機運行狀態感知與多功能智能管控系統的研究與應用

王春青

（開灤集團有限責任公司，河北唐山，063018）

0 引言

隨著企業現代化建設的發展及生產效率不斷提升的需求，工業企業對電力拖動系統自動化的要求越來越高。電動機作為電力拖動系統的核心設備，其運行過程中的控制、保護、監測等技術不斷提升，功能日趨完善，為電機的安全運行提供了可靠的保障。然而，電動機退出運行后的維護管理工作因缺乏成熟的自動化控制技術，難以擺脫對人工檢測的依賴，成為制約電動機全時段自動化管理的瓶頸。電動機備用期的維護保養是一項綜合性管理工作，其中絕緣檢測是判斷電動機絕緣性能優劣最簡便的手段和行之有效的方法，可直觀反映電動機繞組絕緣狀況。由于電動機絕緣性能受環境濕度、溫度等多種因素的影響，變化規律難以掌握，加之目前絕緣檢測技術手段的缺失和檢測方法的落后，致使電動機絕緣檢測不及時甚至出現漏檢現象，導致電動機因絕緣下降引起的惡性故障頻繁發生［1］。

本文設計了針對高壓電動機運行狀態感知與多功能智能管控管控系統，徹底克服了人為絕緣檢測工作可靠性差、易疏漏等缺陷，從根本上消除了潮濕環境電動機因絕緣下降所帶來的重大事故隱患，確保了電動機在惡劣條件下的安全可靠運行，為企業實現長久穩定、安全生產、提高勞動生產率、減人提效、提高經濟效益等方面起到了顯著作用。

1 現狀分析

目前，廠礦企業對電動機絕緣檢測依然停留在傳統的人工檢測階段，即由技術人員或維護人員到現場將電動機脫離控制，用兆歐表遙測繞組絕緣。若電動機因潮濕造成絕緣下降，通常采用烘烤或電機解體的方法進行維修，浪費大量的人力、物力且耗時長，不能滿足現有

自動化控制的要求。人工搖測絕緣對電動機除濕有極大的不確定性，給電動機的安全管理帶來較大的隱患，影響整個廠礦企業的安全生產。

傳統的絕緣檢測方法需要依靠人工現場操作，存在以下缺陷:

（1）操作步驟繁瑣且危險性大

人工搖測時需先行停電并確認，然后人工驗電、放電后方可搖測絕緣，操作過程中稍有疏忽即有發生人員造受電擊的危險。

（2）檢測結果不準確

人工搖測過程中由于遙測速度不勻和搖測時間不足，極易造成遙測結果不準確(此種情況在大型電機搖測中尤為常見)。

（3）時效性差

人工搖測受人員狀況、工作條件及其他因素影響，易發生檢測不及時或漏檢等情況，對外部環境因素的突然變化難以做出及時響應。

2 系統功能設計

本 文中煤礦大型固定設備電動機運行狀態感知與多功能智能管控系統主要用于電動機的啟停控制，并監測、保護電動機安全運，在此基礎上，采用獨特的工藝，集成電動機對地絕緣測量、繞組防潮除濕、內部通訊等功能，實現電動機啟動開關功能擴展。整個系統由高壓控制系統、檢測除濕系統、網絡通訊系統組成，適合在額定頻率50Hz，額定電壓6KV、10KV的電力拖動系統中作為電動機綜合控制開關使用［2］。

本系統作為電動機控制開關能滿足電動機啟停控制要求，同時具備電動機運行監測及保護功能，在電動機停機狀態下可自動完成電動機絕緣檢測，對因潮濕引起的電動機絕緣性能降低，可自動完成電動機的除濕工作，及時恢復其絕緣性能具備電動機。要實現以上功能，須滿足以下技術要求:

（1）檢測除濕系統必須與電動機定子繞組可靠連接，方能保證絕緣檢測功能的順利實現。

（2）電動機運行控制系統和檢測除濕系統不能同時段與電動機連接，應具備分時連接、快速轉換的功能，同時滿足安全隔離和互不干擾的要求。

（3）檢測除濕系統的絕緣檢測與除濕運行具備聯動功能，滿足除濕投入的及時性要求。

（4）檢測除濕系統運行參數、運行方式應具備實時調整功能。

（5）電動機運行控制裝置和檢測除濕裝置采用可移開式機構，兩裝置各自獨立、分時運行、相互閉鎖，在各自的工作時段接入電動機負荷母線，實現與電動機的連接與分離，實現電動機運行與檢測除濕功能的快速轉換和兩系統的相互隔離。

（6）絕緣電用測量裝置在接入電動機負荷母線后自動完成電動機絕緣檢測，檢測結果實時上傳并同步顯示。

（7）絕緣檢測結果作為判斷電動機是否受潮的依據控制防潮除濕裝置運行和退出，實現檢測與除濕的自動控制。

3 系統結構及組成

本文中系統采用組合結構，集成了電動機運行控制和檢測除濕兩個系統，PLC根據工作要求控制兩系統完成與電動機的連接與分離，并在各自系統的控制下實現電動機啟停操作、絕緣狀況檢測和防潮除濕功能。設計技術指標如下：

（1）電動機啟停控制穩定：具備額定頻率50Hz，額定電壓6KV及10KV的交流電動機正常啟動和停機控制功能，能實現電動機就地和遠程控制。

（2）電動機運行保護完善：具備電動機過流、過熱、過負荷、差動、低電壓、過電壓及電機堵轉等綜合保護功能，滿足電動機在故障狀態下的可靠分斷，防止故障擴大。

（3）安全防護功能可靠：滿足高壓開關“五防”功能要求，電動機控制與檢測除濕裝置具有閉鎖功能，保證電動機運行與檢測除濕分時工作和安全隔離。

（4）電動機絕緣檢測穩定：絕緣監測裝置適應在強電磁干擾環境下穩定工作，采用循環檢測模式，可在程序控制下的自動完成絕緣阻值測量和吸收比計算。

（5）環境因素響應：當電動機周邊環境濕度發生變化時，系統可依據變化幅度，自動調整循環檢測周期。

（6）防潮除濕方式：防潮除濕功能由程序控制實時投入，通過對電動機加熱達到防潮除濕目的；有定子繞組通電流、控制電機預置加熱電阻及外設加熱裝置等多種加熱方式可供選擇。

（7）防潮除濕參數的調整：采用繞組通電流方式對電動機加熱時，其電流、電壓等參數可通過觸摸屏現場調整以及遠程調整。

（8）加熱溫度控制：電動機加熱過程中，實時監測電動機溫升，當達到系統設定溫度上限時暫停加熱，待溫度降低后恢復加熱，維持電動機溫度不超出設定范圍。

（9）數據存儲及調用：內設通訊系統，可通過有線和無線網絡實現數據采集、存儲、調用，幫助工程技術人員進行數據分析，了解和掌握電機絕緣變化規律，超前采取防范措施。

（10）遠程監控： 具有遠程查看、數據推送、系統參數修改、故障報警、分析、診斷、處置等功能。

電動機運行系統由真空斷路器、微機綜合保護裝置，智能操控裝置、電流互感器、過電壓保護器、高壓帶電傳感器、零序電流互感器等元器件組成，具有電動機啟停控制、過程監測和運行保護功能。智能系統利用多傳感器實時采集電動機的絕緣性能參數，包括絕緣電阻值、吸收比、環境溫度及濕度等數據，配合PLC和ModbusRTU通訊協議，實現對電動機數據的實時測量和計算，以保障電動機運行狀態監測的準確性和可靠性［3］。項目系統外觀結構及智能操作面板如圖1、圖2所示。

圖1 項目系統外觀結構

圖2 智能操作面板

圖1為本系統采用KYN28系列的外殼，前部由3個隔室，由上往下分別為儀表室（用于安裝各種儀表及操控系統）、真空斷路器室和檢測除濕裝置室；裝置后部2個隔室，上為母線室下為電纜室分別用于電源母線引入及負荷電纜饋出，外殼防護等級IP54，滿足地面后內安裝使用。

圖2為開關柜智能操控面板：具有柜內溫度/濕度的控制功能，有斷路器近控/遠控功開關，照明控制開關和斷路器合分閘的控制開關及斷路器位置指示功能。

檢測除濕系統由絕緣測試儀、三相調壓器、可編程控制器、通訊模塊、觸摸屏、檢測及除濕控制器等組成，可完成電動機絕緣檢測及加熱除濕。

如圖3所示，運行控制系統通過斷路器的合、分狀態控制電動機啟動和停止，采用集成工藝組成檢測除濕裝置用于電動機的絕緣檢測和加熱除濕。

圖3 系統智能控制裝置結構圖

由于檢測除濕系統采用低壓供電，且工作時需要接入高壓系統，為此專門設計了機械閉鎖裝置，并在控制回路中加入電氣閉鎖，從而確保斷路器與檢測除濕裝置不能同時段接入高壓系統，避免因誤操作引發的惡性事故，確保設備和人身安全［4］。

4 實際應用與前景

本文項目的應用實施，可大大提高高壓電動機的可靠運行，從而提高整個企業的安全生產水平，同時可減少傳統人為管理帶來麻煩，節省大量的人力物力，滿足現有自動化控制系統的要求，使企業的生產能力和競爭力得以提高。項目所研制的系統，具有多地區適用的優勢，在完善功能和技術成熟后形成產品推向社會，對促進煤炭行業機電管理水平的提高有著重要意義。圖4為項目系統在唐山某礦的實驗應用圖。

圖4 項目系統在唐山某礦的實驗應用

5 結語

針對廠礦企業對電動機運行狀態管理存在的問題，本文項目將傳統檢測方式現狀進行了分析，通過應用自動化控制技術與獨特的工藝，集成開發出用于電動機狀態感知、除濕的多功能智能管控系統。該系統可實現對電動機啟停控制、對地絕緣測量、繞組防潮除濕、內部通訊等功能，實現了電動機啟動開關功能拓展。本文項目的實施應用對保障廠礦企業安全生產具有重要意義。