摘要：介紹礦用電機智能綜合保護系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)，通過微控制器采集的直流信號編程判斷，直接將交流信號整流、濾波、調(diào)節(jié)、采樣轉(zhuǎn)化為微控制器可識別的直流信號，實現(xiàn)電機的相關(guān)保護控制、故障顯示和報警，以及與上位機的通信。同時，介紹了礦井下電機經(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和保護方法。

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

引言

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

一電機智能綜合保護器結(jié)構(gòu)分析

礦用電機智能綜合保護器系統(tǒng)是指通過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)，通過信號調(diào)節(jié)電路和信號采集電路(A／D轉(zhuǎn)換電路)，最后轉(zhuǎn)換為微控制器能識別的數(shù)字信號；通過編程微控制器，處理收集到的信號，判斷電機當前狀態(tài)；通過判斷狀態(tài)，通過電機保護控制電路實現(xiàn)電機的保護和控制。

二保護器工作狀態(tài)分析

1漏電保護

煤礦地下電機及其供電線路常見的漏電故障有：

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

（2）電機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，通過導(dǎo)體工具直接或間接接地，造成漏電事故。

（3）由于長期老化、電壓擊穿或機械損壞，電機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主要與流經(jīng)人身的觸電電流和流經(jīng)這些電流的時間長短有關(guān)。一般來說，當人體觸摸一相導(dǎo)線而不考慮電網(wǎng)電容時，30ma允許通過人體的最大觸電電流，即30ma以下不會造成生命危險。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)對地分布電容的情況下，在中性點不接地系統(tǒng)中人體觸電電流的計算公式中:Ir是通過人體的電流，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計算。

對于煤礦地下中性點不接地系統(tǒng)，漏電電流通常很小，難以區(qū)分故障。因此，需要添加接地檢測電源E，如圖1所示。將附加的DC檢測電源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)對地絕緣電阻→三相電網(wǎng)系統(tǒng)→電源負極流向運行。由于單回路系統(tǒng)和電流不變，采樣電阻R兩端的電壓U尺寸通過漏電保護電路檢測，間接了解電網(wǎng)對地絕緣電阻值的變化，檢測電網(wǎng)是否漏電。該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

漏電鎖也是一種重要的漏電保護方法。顧名思義，漏電鎖是指檢測到線路漏電時，需要關(guān)閉開關(guān)，防止人員發(fā)電后因漏電而發(fā)生事故。當三相系統(tǒng)不通電時，可以通過附加直流電源檢測到電網(wǎng)對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，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連接到系統(tǒng)。如果發(fā)生漏電，電壓U會發(fā)生變化，從而觸發(fā)漏電保護電路的動作，達到漏電鎖保護的目的。

圖2附加直流電源漏電閉鎖

2過載保護

常見的電機運行方式主要有三種:長時間運行、短時間運行和重復(fù)短時間運行。在這三種運行方式下，電機的加熱情況是不同的。因此，同一臺電機在短時間運行或重復(fù)短時間運行時，可以允許大輸出短時間過載，而電機在長時間運行時不能長時間過載。為了保證電機的長期穩(wěn)定運行，短時間過載不會停止運行，這就要求電機具備一定的過載能力。異步電機的過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來表示，中小型電機的KM＝1．6~1．8、中大型電機的KM＝1．8~2．5、有特殊要求的電機KM可達到2．0~3．0或更大。

在這里，電機過載保護特性通常被定義為：電機過載倍數(shù)與其過載保護動作時間之間的關(guān)系。如圖3所示，電機過載保護特性曲線。

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有一個共同的特點，即電機只能在保護特性曲線的左側(cè)正常工作，曲線1、2、3與曲線4之間的每個區(qū)域都是無效區(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，即反時限過載保護特性效果好。

反時限過載保護的過載倍數(shù)是故障電流大小與過載保護的動作時間成反比，電流大小決定了動作時間的趨勢。因此，電機過載的整定時間應(yīng)為電流值的一定倍數(shù)下的動作時間。

電機過載運行狀態(tài)是指當運行電流大于額定電流時，電機過載會導(dǎo)致電機銅消耗急劇增加，使電機繞組加熱導(dǎo)致電機燒毀，間接檢測電機運行電流判斷電機加熱，實現(xiàn)電機過載保護。由于該方法檢測對象為電流，能適應(yīng)所有電氣負荷，調(diào)整靈活，維護方便，應(yīng)用廣泛。因此，在本設(shè)計中，根據(jù)煤礦地下情況選擇C＝2時極度反時限過載保護方法保護電機。

3短路保護

由于電機短路故障會帶來非常嚴重的后果，因此電機綜合保護器中的短路保護應(yīng)為快速斷開保護。電機的啟動電流通常非常大，接近短路時的電流。因此，電機的短路整定電流倍數(shù)應(yīng)大于使電機穩(wěn)定啟動的最大電流，通常取電機額定電流的8~10倍，時限設(shè)置為避免電機啟動時瞬時沖擊電流的時間，一般大于0.04s。

電機運行時通常會出現(xiàn)堵轉(zhuǎn)故障，堵轉(zhuǎn)故障時通過電機的電流也很大。為了區(qū)分堵轉(zhuǎn)故障電流和電機正常啟動瞬間的電流，電機穩(wěn)定啟動的最大電流一般作為堵轉(zhuǎn)保護的整定值，時限設(shè)置為電機在重載情況下通常啟動的時間，一般為8~16s。電機的堵轉(zhuǎn)保護和短路保護共同構(gòu)成電機的短路保護。

本設(shè)計采用電流橫幅保護原理，可設(shè)置短路電流保護值，以適應(yīng)不同的電網(wǎng)等級。

三保護器選擇分類

現(xiàn)代智能電機保護器在實際生產(chǎn)中還有許多功能，如回顧功能、遠程通信、遠程控制、多種啟動方式選擇等。

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

四ARD系列電機保護器產(chǎn)品選型介紹

ARD智能電機保護器適用于額定電壓至660V的低壓電機電路，集保護、測量、控制、通信、運行和維護于一體。其完善的保護功能保證了電機的安全運行，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)各種機柜的安裝。可選擇不同的通信模塊來滿足現(xiàn)場通信的需要。

1產(chǎn)品選型

五結(jié)論

本文結(jié)合煤礦井下實際情況，設(shè)計了一款礦用電動機智能綜合保護器。設(shè)計方案切合實際要求，實現(xiàn)了電動機在電網(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)時的檢測與保護功能，確保了系統(tǒng)的可靠性、準確性、抗干擾性和靈敏性。

參考文獻：

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