煤礦電動機(jī)智能綜合保護(hù)器工作分析

李 超

(煤炭工業(yè)晉城礦區(qū)建設(shè)工程質(zhì)量監(jiān)督站，山西 晉城 048006)

電動機(jī)在運(yùn)行狀態(tài)下可能會發(fā)生各種各樣的故障，發(fā)生原因與工作環(huán)境、使用方式和維護(hù)周期等因素密切相關(guān)。特別是在煤礦井下，由于井下環(huán)境惡劣，電動機(jī)長時間暴露在煤塵、潮濕等惡劣環(huán)境中，導(dǎo)致電動機(jī)散熱道堵塞等，經(jīng)常會出現(xiàn)電動機(jī)的燒損[1-3]. 因此，電動機(jī)智能綜合保護(hù)器的設(shè)計就顯得非常重要。煤礦井下電動機(jī)經(jīng)常出現(xiàn)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(jī)智能綜合保護(hù)器結(jié)構(gòu)分析

礦用電動機(jī)智能綜合保護(hù)器系統(tǒng)指的是使用電流互感器和電壓互感器對煤礦井下電網(wǎng)供電系統(tǒng)進(jìn)行變壓，通過信號調(diào)理電路和信號采集電路(A/D轉(zhuǎn)換電路)，轉(zhuǎn)換成微控制器能夠識別的數(shù)字信號，隨后對微控制器進(jìn)行相關(guān)編程，對采集到的信號進(jìn)行處理，判斷電動機(jī)所處狀態(tài)，經(jīng)由電動機(jī)保護(hù)控制電路實現(xiàn)對電動機(jī)的保護(hù)和控制。

由于對煤礦井下電動機(jī)的現(xiàn)場巡檢不方便，設(shè)計電動機(jī)智能綜合保護(hù)器應(yīng)增加與地面上位機(jī)通信的功能，為方便就地檢查，需要在保護(hù)器上設(shè)置電動機(jī)狀態(tài)顯示與報警界面，實現(xiàn)良好的人機(jī)交互，同時應(yīng)加上按鍵調(diào)節(jié)功能，以適應(yīng)不同電網(wǎng)電壓等級下對電動機(jī)不同的要求。系統(tǒng)整體框架見圖1.

圖1 電動機(jī)智能綜合保護(hù)器系統(tǒng)整體框架圖

2 保護(hù)器工作狀態(tài)分析

2.1 漏電保護(hù)

煤礦井下電動機(jī)及其供電線路常見的漏電故障有：

1) 電動機(jī)或供電線路因長期暴露在潮濕環(huán)境中，導(dǎo)致其絕緣電阻下降，流向大地的對地電流增大，使電動機(jī)及電氣設(shè)備外殼帶電。

2) 電動機(jī)或供電線路帶電體發(fā)生部分裸露現(xiàn)象，致使井下工作人員誤觸到該處，直接或者間接通過導(dǎo)體工具而致使其中一相接地，造成漏電事故。

3) 電動機(jī)或者供電線路絕緣部分因為久置老化、電壓性擊穿或者機(jī)械損壞等原因而發(fā)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(jīng)人身的觸電電流和流過這些電流時間長度有關(guān)系。一般在不考慮電網(wǎng)電容情況下，人體觸到一相導(dǎo)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(chǎn)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(yīng)該為30 mA.

在忽略電網(wǎng)對地分布電容情況下，對于中性點(diǎn)不接地系統(tǒng)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(wǎng)的最低絕緣電阻值及漏電保護(hù)絕緣電阻值見表1.

表1 各種電網(wǎng)最低絕緣電阻值表

對于煤礦井下中性點(diǎn)不接地系統(tǒng)，通常其漏電電流非常小，不易區(qū)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(tǒng)，如果系統(tǒng)出現(xiàn)漏電現(xiàn)象，那么電流將按照電源正極→電網(wǎng)對地絕緣電阻→三相電網(wǎng)系統(tǒng)→電源負(fù)極流向來運(yùn)行，由于單回路系統(tǒng)，電流不變，因此通過漏電保護(hù)電路檢測采樣電阻兩端的電壓U的值可以間接得出電網(wǎng)對地絕緣電阻阻值的變化，進(jìn)而可以檢測到電網(wǎng)是否發(fā)生漏電現(xiàn)象[2-3]. 這種方法稱為附加直流電源漏電保護(hù)法。

圖2 附加直流電源漏電保護(hù)示意圖

漏電閉鎖同樣是一種重要的漏電保護(hù)方法，顧名思義，漏電閉鎖是指當(dāng)檢測到線路發(fā)生漏電時，需要閉鎖住電閘，防止送電之后因漏電而發(fā)生事故。當(dāng)三相系統(tǒng)未通電情況下，通過附加直流電源方法可以檢測到電網(wǎng)對地絕緣電阻阻值的變化，從而判斷是否發(fā)生漏電現(xiàn)象，在三相電網(wǎng)未通電情況下，見圖3，接觸器KM主觸點(diǎn)斷開，接觸器KM常閉觸點(diǎn)將附加直流電源接入系統(tǒng)，如果發(fā)生漏電，則電壓U發(fā)生變化，從而觸發(fā)漏電保護(hù)電路動作，達(dá)到漏電閉鎖保護(hù)的目的。

圖3 附加直流電源漏電閉鎖示意圖

2.2 過載保護(hù)

常見的電動機(jī)運(yùn)行方式主要有長時間運(yùn)行、短時間運(yùn)行及重復(fù)短時間運(yùn)行3種，在這3種運(yùn)行方式下，電動機(jī)的發(fā)熱情況各不相同，因此對于同一臺電動機(jī)按短時間運(yùn)行方式或者重復(fù)短時間運(yùn)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(yùn)行方式時，電動機(jī)不可長期過載運(yùn)行。為了確保電動機(jī)長期穩(wěn)定運(yùn)行，不會因為短時間的過載而發(fā)生停止運(yùn)行現(xiàn)象，這要求電動機(jī)要有一定的過載能力。異步電動機(jī)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(jī)的KM=1.6～1.8，中型及大型電動機(jī)的KM=1.8～2.5，有特殊要求的電動機(jī)KM可以達(dá)到2.0～3.0或更大。

通常將電動機(jī)過載保護(hù)特性定義為：電動機(jī)的過載倍數(shù)與其過載保護(hù)動作時間之間的關(guān)系。電動機(jī)的過載保護(hù)特性曲線見圖4.

圖4 電動機(jī)過載保護(hù)特性曲線圖

從圖4可以看出，不同的保護(hù)特性曲線擁有一個共同的特點(diǎn)，電動機(jī)只能在保護(hù)特性曲線的左側(cè)正常工作，曲線1、2、3中的每一條與曲線4之間的區(qū)域為無效區(qū)域，即該區(qū)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(hù)特性效果最佳。

反時限過載保護(hù)的過載倍數(shù)即故障電流的大小與過載保護(hù)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(jī)的過載整定時間應(yīng)該為某一電流值的某一倍數(shù)下的動作時間。

電動機(jī)過載運(yùn)行狀態(tài)指的是當(dāng)其運(yùn)行電流大于額定電流時的工作狀態(tài)，電動機(jī)過載時會引起電動機(jī)的銅耗急劇增加，使得電動機(jī)的繞組發(fā)熱導(dǎo)致電動機(jī)燒損，因此可以間接檢測電動機(jī)的運(yùn)行電流來判斷電動機(jī)的發(fā)熱情況，實現(xiàn)電動機(jī)過載保護(hù)。因為這種方法檢測的對象是電流，能適應(yīng)于一切電氣負(fù)載，而且其調(diào)整靈活、維修方便，所以得到了廣泛的應(yīng)用。因此，在設(shè)計中，根據(jù)煤礦井下情況，選用C=2時的極度反時限過載保護(hù)方法對電動機(jī)進(jìn)行保護(hù)。

2.3 短路保護(hù)

由于電動機(jī)發(fā)生短路故障將會帶來嚴(yán)重的后果，因此，在設(shè)置電動機(jī)綜合保護(hù)器中的短路保護(hù)時應(yīng)該是速斷保護(hù)。電動機(jī)的啟動電流往往非常大，接近短路時的電流，所以，電動機(jī)的短路整定電流倍數(shù)應(yīng)該大于使電動機(jī)穩(wěn)定啟動的最大電流，通常取電動機(jī)額定電流時的8～10倍，將時限設(shè)置為躲過電動機(jī)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(jī)在運(yùn)行時通常還會發(fā)生堵轉(zhuǎn)故障，堵轉(zhuǎn)故障發(fā)生時通過電動機(jī)的電流同樣非常大，為區(qū)分堵轉(zhuǎn)故障電流和電動機(jī)正常啟動瞬間的電流，一般將使電動機(jī)穩(wěn)定啟動的最大電流作為堵轉(zhuǎn)保護(hù)的整定值，將時限設(shè)置為通常電動機(jī)在重載情況下啟動的時間，這個時間一般為8～16 s. 電動機(jī)的堵轉(zhuǎn)保護(hù)與短路保護(hù)共同構(gòu)成了電動機(jī)的短路保護(hù)，其短路保護(hù)特性曲線見圖5.

在設(shè)計中采用對電流的鑒幅式保護(hù)原理，其中可以對短路電流保護(hù)值進(jìn)行設(shè)定，以適應(yīng)于不同的電網(wǎng)等級中。

2.4 斷相與三相不平衡保護(hù)

引起電動機(jī)燒損的另一個原因就是三相不平衡，嚴(yán)重的三相不平衡則可能產(chǎn)生斷相，約占10%以上

圖5 電動機(jī)短路保護(hù)特性曲線圖

燒損的電動機(jī)是由這兩種原因引起的，在做電動機(jī)綜合保護(hù)器時，這兩種情況必須考慮。從廣義上來說，電動機(jī)繞組上的輸入電流達(dá)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(tài)，更為嚴(yán)重的電動機(jī)繞組電流不對稱狀態(tài)就是電動機(jī)的斷相運(yùn)行狀態(tài)。

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(tǒng)銅損的影響為：

假設(shè)R是電動機(jī)系統(tǒng)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(shè)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(shè)IA=5 A，IB=10 A，IC=15 A，那么總銅損為52R+102R+152R=350R，比平衡狀態(tài)的銅損增加了50R，也就是增長了17%；在嚴(yán)重情況下，也就是斷一相的情況下，假設(shè)IA=15 A，IB=0 A，IC=15 A，那么總銅損為152R+0+152R=450R，是平衡狀態(tài)時銅損的1.5倍；在最嚴(yán)重情況下，也就是斷兩相情況下，假設(shè)IA=0 A，IB=0 A，IC=30 A，那么總銅損為0+0+302R=900R，是平衡狀態(tài)時銅損的3倍。由此可見，三相不平衡或者斷相對電動機(jī)的損壞是相當(dāng)大的，對其進(jìn)行檢測是必不可少的。

當(dāng)三相電流平衡時，三相電流的值是相等的，當(dāng)不平衡時，每相將會發(fā)生相應(yīng)變化。該設(shè)計中，根據(jù)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(jù)式(3)計算出的不平衡度可以判斷三相不平衡的程度，當(dāng)計算結(jié)果為100%時，則說明電路中已經(jīng)發(fā)生斷相故障，此時應(yīng)該立即執(zhí)行相應(yīng)保護(hù)動作。

2.5 欠壓和過壓保護(hù)

欠壓和過壓保護(hù)是煤礦井下必不可缺的保護(hù)類型之一。當(dāng)電網(wǎng)電壓下降到額定電壓的75%時即被稱為欠壓，此時保護(hù)器對電動機(jī)進(jìn)行保護(hù)延時跳閘。同樣，當(dāng)電網(wǎng)電壓上升到超過115%的額定電壓時即被稱為過壓，此時保護(hù)器對電動機(jī)進(jìn)行保護(hù)延時跳閘。采用鑒幅式保護(hù)原理對電動機(jī)進(jìn)行欠壓和過壓保護(hù)，鑒幅式保護(hù)原理是指將采集到的電網(wǎng)電壓參數(shù)進(jìn)行整流、濾波，通過對A/D轉(zhuǎn)換器結(jié)果進(jìn)行判斷后執(zhí)行相應(yīng)延時保護(hù)動作。

3 結(jié) 語

介紹了礦用電動機(jī)智能綜合保護(hù)器系統(tǒng)工作原理。分析了電動機(jī)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(hù)功能。