电动机智能综合保护器在煤矿内的应用分析 安科瑞 许敏
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发布时间：2024-07-16 03:16:17
系统的总体结构，采用直接将交流信号整流、滤波、调理、采样的方式变为微控制器能够识别的直流信号，通过对微控制器采集到的直流信号编程判断来实现对电动机的相关保护控制、故障显示与报警以及与的通信。同时还介绍了有关矿井下电动机常常会出现的故障及其原因和判断这些故障所使用的检测和保护方法。
电动机在运作时的状态下可能会发生各种各样的故障，这与工作环境、使用方式和维护周期等因素密切相关。尤其是在煤矿井下，由于井下环境恶劣，电动机长时间暴露在煤尘、潮湿等恶劣环境中，轻易造成电动机散热道堵塞等，经常会出现电动机的烧损。因此电动机智能综合保护器的设计就显得很重要。
矿用电动机智能综合保护器的系统指的是通过电流互感器和电压互感器对煤矿井下电网供电系统来进行变压，通过信号调理电路和信号采集电路(A／D转换电路)，最后转换成微控制器能够识别的数字信号；通过对微控制器进行有关编程，对采集到的信号做处理，判断电动机当前处在什么状态；通过对该状态的判断，经由电动机保护控制电路实现对电动机的保护和控制。同时由于对煤矿井下电动机的现场巡检并不是很方便，在此设计的电动机智能综合保护器还要加上与井上上位机通信的功能。为方便就地检查，同样需要在保护器上设置电动机状态显示与报警界面，实现良好的人机交互，同时应加上按键调节功能以适应不一样电网电压等级下对电动机不同的要求。
中性点不接地系统中人体触电电流计算公式中：Ir为通过人体的电流，单位为A；E为供电电路的相电压对于煤矿井下中性点不接地系统，通常其漏电电流非常小，不易区分故障与否，因此就需要添加一个接地的检测电源E，如图1所示。将附加的直流检测电源E接入三相系统，如果系统出现漏电现象，那么电流将按照电源正极→电网对地绝缘电阻→三相电网系统→电源负极流向来运行，由于单回路系统，电流不变，因此通过漏电保护电路检验测试采样电阻R两端的电压U的大小从而能够间接知道电网对地绝缘电阻阻值的变化，进而可以检测到电网是否发生漏电现象。这种方法称为附加直流电源漏电保护法。
常见的电动机运行方式主要有长时间运行、短时间运行及重复短时间运行三种，在这三种运行方式下，电动机的发热情况各不相同。因此，同一台电动机按短时间运行方式或者重复短时间运行方式使用时可以允许有较大的输出，即可短暂地过载，而采用长时间运行方式时电动机不可长期过载运行。为了确认和保证电动机长期稳定运行，不会因为短时间的过载而发生停止运行的现象，这就要求电动机要有一定的过载能力。异步电动机的过载能力通常用最大力矩Mm除以额定力矩MH得到的商KM来表示，中小型电动机的KM＝1．6~1．8，中型及大型电动机的KM＝1．8~2．5，有特别的条件的电动机KM能够达到2．0~3．0或更大。
在这里，通常将电动机过载保护特性定义为：电动机的过载倍数与其过载保护动作时间之间的关系。如图3所示为电动机的过载保护特性曲线电动机过载保护特性曲线能够准确的看出，不同的保护特性曲线拥有一个共同的特点是，电动机只能在保护特性曲线中的每一条与曲线之间的区域为无效区域，即该区域不能被充分的利用。曲线是以上三种曲线中最接近曲线的，也就是反时限过载保护特性效果最佳。
电动机过载运作时的状态指的是当其运行电流大于额定电流时的工作状态，电动机过载时会引起电动机的铜耗飞速增加，从而使得电动机的绕组发热导致电动机烧损，因此能间接检测电动机的运行电流来判断电动机的发热情况，实现电动机过载的保护。因为这种方法检测的对象是电流，能适应于一切电气负载，而且其调整灵活、维修方便，所以得到了广泛的应用。因此，在本设计中，根据煤矿井下情况，选用C＝2时的极度反时限过载保护方法对电动机进行保护。
由于电动机发生短路故障时将会带来很严重的后果，因此，在设置电动机综合保护器中的短路保护时应该是速断保护。电动机的启动电流往往非常之大，接近短路时候的电流。所以，电动机的短路整定电流倍数应该大于使电动机稳定启动的最大电流，通常取电动机额定电流时的8~10倍，将时限设置为躲过电动机启动时瞬间冲击电流的时间，这一段时间一般大于0.04s。
电动机在运行时通常还会发生堵转故障，堵转故障发生时通过电动机的电流同样非常大，为区分堵转故障电流和电动机正常启动瞬间的电流，一般将使电动机稳定启动的最大电流作为堵转保护的整定值，将时限设置为通常电动机在重载情况下启动的时间，这一段时间一般为8~16s。电动机的堵转保护与短路保护共同构成了电动机的短路保护。
在本设计中采用对电流的鉴幅式保护原理，其中可以对短路电流保护值进行设定，以适应于不同的电网等级中。
引起电动机烧损的另一个缘由是三相不平衡，严重的三相不平衡则可能会产生断相，占10％以上烧损的电动机是由这两种原因引发的，在做电动机综合保护器时，这两种情况一定要考虑。从广义上来说，电动机绕组上的输入电流达到某些特定的程度的不对称即为三相不平衡，这便是所谓的故障状态，更为严重的电动机绕组电流不对称状态就是电动机的断相运行状态。
假设R是电动机系统三相电路与变压器绕组之间的电阻之和，如果三相电流平衡，假设IA＝10A，IB＝10A，IC＝10A，那么总铜损为102R＋102R＋102R＝300R；如果三相电流不平衡，假设IA＝5A，IB＝10A，IC＝15A，那么总铜损为52R＋102R＋152R＝350R，比平衡状态的铜损增加了50R，也就是增长了17％；在严重情况下，也就是断一相的情况下，假设IA＝15A，IB＝0A，IC＝15A，那么总铜损为152R＋0＋152R＝450R，是平衡状态时铜损的1．5倍；在最严重情况下，也就是断两相情况下，假设IA＝0A，IB＝0A，IC＝30A，那么总铜损为0＋0＋302R＝900R，是平衡状态时铜损的3倍。由此可见，三相不平衡或者断相对电动机的损坏是相当大的，对其进行仔细的检测是必不可少的。
由此，根据式(3)计算出的不平衡度能判断三相不平衡的程度，当计算结果为100％时，则说明电路中已发生断相故障，此时应该立即执行相应保护动作。2．5欠压和过压保护欠压和过压保护是煤矿井下必不可缺的保护类型之一。当电网电压下降到标称电压的75％时即被称为欠压，此时保护器对电动机进行保护延时跳闸；同样，当电网电压超过115％的标称电压时即被称为过压，此时保护器对电动机进行保护延时跳闸。采用鉴幅式保护原理对电动机进行欠压和过压保护。鉴幅式保护原理是指将采集到的电网电压参数进行整流、滤波，通过对A／D转换器结果进行判断之后执行相应延时保护动作。
ARD智能电动机保护器适用于额定电压至660V的低压电动机回路，集保护、测量、控制、通讯、运维于一体。其完善的保护功能确保电动机安全运作，带有逻辑可编程功能，能够完全满足多种控制方式。该产品采用分体式结构，由主体、显示单元、互感器组成，可适应任何柜体的安装。可选配不同通讯模块适应现场通讯需求。
■9路可编程DI输入，默认采用内置DC24V电源，也可选择外部有源湿接点。
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