煤礦綜機電氣設(shè)備故障分析及其保護問題研究

唐 楠

（神華寧夏煤業(yè)集團清水營煤礦 寧夏 靈武 751410）

0 引言

煤礦井下綜采工作面的采煤機、運輸機和調(diào)度絞車等綜采機械設(shè)備靠隔爆型異步電動機拖動，異步電動機受磁力起動器的控制。 異步電動機、磁力起動器及連接電纜等電氣設(shè)備長期運行在井下惡劣的環(huán)境中，所帶機械負荷的變化比較大且不易控制，瓦斯煤塵積聚、滴水冒頂事故等會使電氣設(shè)備絕緣強度逐漸降低，因此電氣設(shè)備故障的幾率要比其他設(shè)備高的多。

1 異步電動機故障分析

步電動機以其結(jié)構(gòu)簡單、成本低廉、運行維護方便等特點，得到廣泛的應(yīng)用。 要使電動機可靠、安全地運行，必須研究異步電動機有可能發(fā)生的各類故障，以及這些故障給電動機帶來的影響。

對于異步電動機來說，其故障形式主要分為繞組損壞和軸承損壞兩方面。 造成繞組損壞的主要原因有:

1.1 由于電源電壓太低使得電動機不能順利啟動， 或者短時間內(nèi)重復(fù)啟動， 使得電動機因長時間的大啟動電流而過熱。

1.2 長期受電、熱、機械或化學作用，使繞組絕緣老化和損壞，形成相間或?qū)Φ囟搪贰?/p>

1.3 因機械故障造成電動機轉(zhuǎn)子堵轉(zhuǎn)。

1.4 三相電源電壓不平衡或波動太大， 或者電動機斷相運行。

1.5 冷卻系統(tǒng)故障或環(huán)境溫度過高。

2 電動機綜合保護方案

2.1 以序分量為基礎(chǔ)的電流保護

根據(jù)對稱分量法，發(fā)生不對稱故障時，電動機電流可分解為正序、負序和零序分量。 當電動機三相對稱時，負序和零序電流為零，而發(fā)生不對稱故障時負序和零序電流則會顯著增加。 因此可以在檢測電動機過流程度的同時，以序分量為基礎(chǔ)，檢測負序、零序電流的大小。 這樣，不但能更好地反應(yīng)電動機的運行狀況， 還可以大大提高保護的靈敏度和可靠性。

若以過流信息反映短路和堵轉(zhuǎn)故障，以負序和零序電流反映各類不對稱短路和接地短路等不對稱故障，可以實施全面的電流保護。 具體方案如下:

2.1.1 設(shè)置電流速斷保護作為電動機的主保護，用于電動機內(nèi)部定子繞組以及進線所發(fā)生的相間短路故障。 設(shè)置速斷保護電流定值時，要保證電動機在滿載啟動過程中短路保護可靠地不動作，即躲過電動機最大啟動電流。

2.1.2 設(shè)置堵轉(zhuǎn)保護作為電動機運行過程中短路保護的后備保護。 當保護裝置在電機運行過程中檢測到電流超過堵轉(zhuǎn)電流整定值，并達到整定時限時，堵轉(zhuǎn)保護動作，出口跳閘。 堵轉(zhuǎn)保護在電動機啟動過程中閉鎖，啟動結(jié)束后自動投入。

2.1.3 設(shè)置過負荷保護來防止電動機長時間過負荷運行，定子部分過熱而引起的損壞。 過負荷保護和速斷保護、堵轉(zhuǎn)保護互相配合，更符合電動機的實際過電流特性。

2.1.4 針對電動機的各類非接地性不對稱故障 （如斷相、逆相、三相不平衡和相間短路等），設(shè)置負序電流保護。 在整定負序電流定值時，需要注意1%的電壓不平衡會引起6%的電流不平衡。 而實際供電電源總存在一定的不對稱，即使在正常運行時，電動機也會有一定的負序電流，所以整定時必須躲過這一不平衡因素。

2.1.5 針對各種接地性短路故障，設(shè)置零序電流保護。

2.2 過負荷保護原理

2.2.1 電動機的發(fā)熱與溫升

電動機在運行時，總有一定能量損耗，損耗包括銅耗、鐵耗和機械損耗，其中銅損與電流的平方成正比，而鐵耗和機械損耗幾乎不變的，這些損耗將全部轉(zhuǎn)變成熱能，使電動機自身溫度升高，超過周圍環(huán)境溫度。 電動機溫度比環(huán)境溫度高出的值就稱為溫升。

2.2.2 傳統(tǒng)的反時限過負荷保護及其存在的問題

感應(yīng)電動機傳統(tǒng)的過負荷保護大都具有反時限特性，即允許過負荷的時間與其過負荷的電流大小有關(guān)，過負荷電流的值越大，允許過負荷的時間越短。

2.2.3 電動機熱積累模型

電動機的三種不同工況，即堵轉(zhuǎn)或停止、加速、運行，對應(yīng)不同的熱容限特性。 但大多數(shù)電動機的熱容限特性都可以用一條平滑的反時限曲線表示。 熱容限曲線上的點表示電動機在該工況下運行相應(yīng)的電流，轉(zhuǎn)子將在對應(yīng)的時間后達到熱容限。

2.3 兩段式定時限負序電流保護

電動機三相電流不對稱時，如發(fā)生斷相、逆相、匝間短路、不對稱相間短路等均會引起較大的負序電流I2。 負序電流產(chǎn)生的負序旋轉(zhuǎn)磁場將會在轉(zhuǎn)子回路中感生出兩倍工頻的交流電，導致轉(zhuǎn)子發(fā)熱并產(chǎn)生振動，危及電動機安全經(jīng)濟運行。 因此有必要在電動機保護中設(shè)置負序電流保護。 該保護作為定子繞組匝間短路、斷相，逆相故障的主保護，同時可作為不對稱相間短路的后備保護。

由于電動機相對發(fā)電機而言，容量較小，因此其承受負序電流的能力比發(fā)電機強。 而且由于實際供電電源總存在一定的不對稱性，即使在正常運行時，電動機也會有一定的負序電流存在， 為了充分利用電動機承受負序電流的能力，我們采用了兩段式定時限負序電流保護，其特性接近于反時限特性，而且實現(xiàn)方便。

2.4 零序過流保護

由于井下電動機外殼必須安全接地， 因此電機繞組刮殼、絕緣破壞等都可能導致接地故障，尤其處在塵埃重或濕度大的井下環(huán)境下，故障率就更高。 發(fā)生接地性不對稱故障時，包括單相接地短路和兩相接地短路，會出現(xiàn)零序電流分量，這是區(qū)別其它任何非接地性故障的最根本特征，可作為接地性故障的主要判據(jù)。

2.5 電壓保護

系統(tǒng)電源電壓是很難保證恒定、 不出現(xiàn)波動或其它異常情況的。 當電動機的端電壓低于額定值時，由于電磁轉(zhuǎn)矩與電壓的平方成正比，因此其轉(zhuǎn)矩下降更多，從而導致負荷電流增大，電動機發(fā)熱增加，絕緣老化速度加快，使電機的使用壽命縮短。 而且根據(jù)工業(yè)現(xiàn)場的實際要求，當電源電壓短時降低或短時中斷后，一部分電動機不允許自起動，以保證一部分重要電動機啟動成功，因此必須裝設(shè)低電壓保護。另一方面，如果電動機帶負載運行時電源電壓升高，則電動機電流降低，但鐵損和銅損變大，引起電動機溫度上升。 因此，針對電源電壓的變化，可以分別配置低電壓和過電壓保護。

當三相相間電壓均小于低電壓保護定值時， 低電壓保護動作。 低電壓保護在電動機三相均無電流的情況下應(yīng)能自動退出，其定值的設(shè)置要躲過電動機啟動時的最低電壓。當三相相間電壓均高于過電壓保護定值時， 過電壓保護動作。 過電壓保護定值要按電網(wǎng)電壓允許波動的最大范圍進行整定。

2.6 啟動時間過長、轉(zhuǎn)子停滯及頻繁啟動保護

啟動時間過長保護是為電動機不能正常啟動或負載過大而設(shè)置的，因為電動機啟動電流較大（一般大于2.5 倍額定電流）， 如果長時間通過如此大的電流， 會導致電機迅速升溫，使絕緣老化速度增加，甚至燒毀電動機。

3 結(jié)束語

目前， 井下綜機電氣設(shè)備保護技術(shù)又有不盡人意之處，誤動、拒動的情況時有發(fā)生，常常影響正常生產(chǎn)，以致出現(xiàn)不少操作人員不用或?qū)⒈Ｗo裝置甩掉的嚴重情況，其后果是可想而知的。 為了避免事故的發(fā)生，保障人身、設(shè)備的安全，有效減小事故范圍，提高煤礦安全生產(chǎn)效率，研究、開發(fā)高性能的綜機電氣設(shè)備智能化保護裝置，具有重要的現(xiàn)實意義和重大的經(jīng)濟價值。

［1］王禹民.高壓異步電動機的故障診斷及綜合保護[J].電網(wǎng)技術(shù),1996,20（3）.

［2］王國強.電動機的智能保護及處理[J].電機電器技術(shù),1999,（2）.