煤礦掘錨機(jī)電機(jī)保護(hù)系統(tǒng)分析

王 偉

（國(guó)家能源集團(tuán)神東煤炭集團(tuán)補(bǔ)連塔煤礦，陜西榆林 719315）

0 引言

隨著中國(guó)煤礦開采規(guī)模的不斷擴(kuò)大，掘進(jìn)技術(shù)也在不斷改進(jìn)。掘錨機(jī)這一優(yōu)秀的成熟產(chǎn)品在國(guó)外被廣泛應(yīng)用，但在國(guó)內(nèi)仍處于起步階段。在煤礦回采工作中，采和掘的不平衡日益顯著，根本原因是掘進(jìn)速度與支護(hù)速度的不匹配[1]，掘錨機(jī)的出現(xiàn)有效解決了該問題，將掘進(jìn)與支護(hù)相融合在一起，并合理優(yōu)化。掘錨機(jī)通過省去掘進(jìn)與支護(hù)的換位時(shí)間，增加煤礦開采速度，再配以先進(jìn)的控制系統(tǒng)，最終達(dá)到了提高掘護(hù)速度的目的[2]。然而實(shí)際生產(chǎn)中，該設(shè)備的支護(hù)效率大于掘進(jìn)效率，仍然需要繼續(xù)優(yōu)化改進(jìn)，以實(shí)現(xiàn)掘錨一體的同步。實(shí)現(xiàn)這一終極目標(biāo)的關(guān)鍵是控制系統(tǒng)的不斷優(yōu)化改進(jìn)，控制系統(tǒng)體現(xiàn)在電機(jī)的綜合保護(hù)、三車同步和功率匹配3個(gè)方面。電機(jī)作為動(dòng)力源，一旦發(fā)生故障，將會(huì)影響整個(gè)掘進(jìn)設(shè)備的工作，且因?yàn)榈V井內(nèi)的環(huán)境惡劣，使得維修非常困難。因此，對(duì)電機(jī)保護(hù)系統(tǒng)進(jìn)行提升研究成為一項(xiàng)重點(diǎn)內(nèi)容。

1 電機(jī)保護(hù)系統(tǒng)

電機(jī)電流幅值過載保護(hù)具有一定的缺陷，研究電機(jī)的有效保護(hù)方法顯得尤為重要。由于異步電機(jī)三相配電線路的不同特點(diǎn)，在不同狀態(tài)下，因過載而燒損電機(jī)的原因各不相同，最終導(dǎo)致的事故程度也不相同。故本文用對(duì)稱分量法作為理論依據(jù)，對(duì)三相電機(jī)工作電流進(jìn)行保護(hù)設(shè)計(jì)，再通過線圈內(nèi)部的溫度作為判斷標(biāo)準(zhǔn)，從而建立熱過載的反時(shí)限保護(hù)模式，最后通過硬件和軟件設(shè)計(jì)，最終實(shí)現(xiàn)三相電機(jī)啟動(dòng)前的短路接地等各種故障的全面保護(hù)。電機(jī)保護(hù)系統(tǒng)主要有以下幾類[3]。

（1）熱反時(shí)保護(hù)模式。實(shí)際工況下，電機(jī)的熱過載保護(hù)有后續(xù)這些需要，比如，掘進(jìn)過程中若突遇硬度較高的煤礦，且掘進(jìn)機(jī)正處于高速切割的運(yùn)行狀態(tài)，電機(jī)會(huì)呈超負(fù)荷運(yùn)行，此時(shí)就需要電機(jī)控制系統(tǒng)按當(dāng)前工作電流的過載百分比，對(duì)電機(jī)按二次方負(fù)曲線做時(shí)長(zhǎng)的延時(shí)保護(hù)。

（2）三相不平衡判定模式。三相不平衡的多種判定方法中，對(duì)稱分量法是最有效的。PLC程序中會(huì)實(shí)測(cè)三相電流，用對(duì)稱分量法計(jì)算所需要的正序和負(fù)序電流，由此來判別三相是否平衡，最終對(duì)電機(jī)進(jìn)行斷電保護(hù)。

（3）接地故障判定模式。隨著時(shí)間的推移，電機(jī)繞組絕緣性能會(huì)不斷下降，加上環(huán)境潮濕等外界因素，極容易發(fā)生接地故障。接地故障會(huì)引起電流失衡，再產(chǎn)生大量熱量會(huì)導(dǎo)致線圈內(nèi)部溫度急劇上升，最終導(dǎo)致電機(jī)損壞。同時(shí)，三相電流的嚴(yán)重失衡會(huì)使旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)發(fā)生畸變，進(jìn)而引起電機(jī)本體發(fā)生強(qiáng)烈振動(dòng)，甚至?xí)?dǎo)致電機(jī)本體的變形損壞。因此，對(duì)電機(jī)接地電阻做在線檢測(cè)和控制保護(hù)顯得極為重要。

（4）系統(tǒng)接口自動(dòng)模式?；贑AN總線的多個(gè)優(yōu)點(diǎn)，多功能防爆型掘錨機(jī)的控制系統(tǒng)采用CAN總線作為通信平臺(tái)，再通過CANOPEN為接入?yún)f(xié)議，做到了減少電纜數(shù)量的同時(shí)，也加快了生產(chǎn)進(jìn)度，還在一定程度上減輕了電纜成本，更重要的是滿足了防爆和快速聯(lián)絡(luò)的需求。

（5）電機(jī)啟停保護(hù)模式。多功能的防爆型掘錨機(jī)是一種復(fù)雜礦用設(shè)備，所有動(dòng)力均來自電動(dòng)機(jī)，配置一套可靠的電動(dòng)機(jī)啟停保護(hù)系統(tǒng)顯得十分重要。

2 硬件與軟件設(shè)計(jì)

2.1 硬件

電機(jī)保護(hù)系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)主要涉及PLC硬件選擇以及外圍系統(tǒng)選擇等方面的內(nèi)容，這直接決定了電機(jī)整體的保護(hù)效果[4]。

（1）PLC選擇。綜合多項(xiàng)考慮，本文選擇了市場(chǎng)占有率最高的LM3108G高壓電網(wǎng)智能保護(hù)PLC，是一款煤礦設(shè)備的專用PLC，將保護(hù)、通信和測(cè)控融為一體，其主要特點(diǎn)有以下幾點(diǎn)：一是針對(duì)礦井環(huán)境設(shè)計(jì)，專門用于煤礦井下（交流50 Hz，額定電壓3 300 V、1 140 V、660 V，額定電流1 000 A及以下）中性點(diǎn)不接地的三相電網(wǎng)中，還可充當(dāng)?shù)蛪弘娋W(wǎng)的智能保護(hù)器，是實(shí)現(xiàn)井下自動(dòng)化監(jiān)控的最佳終端設(shè)備；二是可直接采集三相電壓、三相電流、零序電壓、零序電流等交流信號(hào)，采集速度更快，也節(jié)約了成本；三是具有過壓、欠壓、過載、短路、漏電等多項(xiàng)保護(hù)功能，能檢測(cè)電網(wǎng)絕緣電阻數(shù)據(jù)、模擬漏電和短路試驗(yàn)、計(jì)算多種情況下的功率因數(shù)、選擇性實(shí)施漏電保護(hù)、繼電保護(hù)功能安全可靠；四是多端口，可擴(kuò)展功能模塊、外界顯示屏、三方設(shè)備等，更好地組建了自動(dòng)化監(jiān)控系統(tǒng)。

（2）外圍系統(tǒng)選擇。電機(jī)保護(hù)還需要配備相應(yīng)的外圍元件，實(shí)現(xiàn)電動(dòng)機(jī)的綜合保護(hù)，例如CAN/Modbus網(wǎng)關(guān)、高壓接觸器、防爆箱等。為達(dá)到穩(wěn)定使用和抗干擾等基本功能，本文綜合考慮選擇上海泗博公司的CAN/Modbus網(wǎng)關(guān)產(chǎn)品，可以使得雙總線主從與通信，并且保證掘錨機(jī)通信系統(tǒng)達(dá)到一致。高壓接觸器選擇美國(guó)EATON品牌，防爆箱選擇上海華欣的生產(chǎn)工藝，外圍系統(tǒng)的選擇都以滿足相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)和礦井下使用為基本原則。

2.2 軟件

本文以CoDeSys2.1平臺(tái)進(jìn)行軟件編程設(shè)計(jì)，CoDeSys2.1編程與總系統(tǒng)同屬一個(gè)軟件平臺(tái)，該平臺(tái)操作簡(jiǎn)單方便，具有多種編程語言以滿足不同的需求，并且自帶多項(xiàng)專用指令庫(kù)，例如實(shí)現(xiàn)短路、漏電等保護(hù)功能，強(qiáng)大的功能為電機(jī)綜合保護(hù)的實(shí)現(xiàn)提供了可靠便捷的平臺(tái)[5]。在運(yùn)用該平臺(tái)進(jìn)行編程的過程中，本文嚴(yán)格執(zhí)行企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，從命名每一個(gè)變量、定義每一個(gè)功能模塊、選擇編程語言，再到選擇每一個(gè)輸入輸出點(diǎn)，以及設(shè)計(jì)控制系統(tǒng)的顯示界面。編程充分發(fā)揮了LD語言的特長(zhǎng)，編寫了電機(jī)的各個(gè)控制部分，解決了現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試和故障難以查找排除等困難。電流I2t熱的積分計(jì)算功能選用ST文本來進(jìn)行編寫，再通過C語言表達(dá)更加直觀。FBD語言可以同步顯示每一個(gè)功能的編寫步驟，保證細(xì)節(jié)正確，因此控制系統(tǒng)中的各項(xiàng)保護(hù)功能選用FBD語言。此外還融合了分布式控制的防干擾處理的濾波方法到整個(gè)編程中，以保證電機(jī)綜合保護(hù)系統(tǒng)可以穩(wěn)定地工作。

軟件方面主要為實(shí)現(xiàn)超前漏電檢測(cè)、電機(jī)PTC熱電阻檢測(cè)和三相不平衡保護(hù)檢測(cè)而進(jìn)行編程。

（1）超前漏電檢測(cè)的編程思路。第一步檢測(cè)絕緣電阻的輸入阻值，并對(duì)均值做濾波處理，以保證正常范圍值。第二步采樣500次電流的AD值，再用冒泡法取得最大、最小值，累加求和。第三步通過加權(quán)法去掉最大和最小值，取剩余498個(gè)數(shù)據(jù)的平均值，目的是濾除異常數(shù)據(jù)和干擾。如果這個(gè)過程是二次及以上，且電阻值大于0.5 MΩ的1.5倍以上，則允許輸出，否則將持續(xù)關(guān)斷控制回路并輸出報(bào)警信號(hào)。

（2）電機(jī)PTC熱電阻檢測(cè)的編程思路。第一步檢測(cè)熱電偶的輸入阻值，對(duì)正常的數(shù)值做數(shù)據(jù)標(biāo)定以得到實(shí)際的阻值。第二步是進(jìn)行RC濾波處理，并對(duì)比100℃時(shí)的阻值，如果小于等于該阻值，輸出TRUE，表示控制系統(tǒng)工作正常，相反發(fā)出報(bào)警信號(hào)并關(guān)閉回路。

（3）三相不平衡保護(hù)的編程思路。第一步比較三相電流的最大、最小值。第二步計(jì)算平均電流值，若該值大于電流零值，保留該值，并進(jìn)行繼續(xù)運(yùn)算，相反清零。第三步判斷電機(jī)啟動(dòng)，啟動(dòng)則正常輸出，相反則延時(shí)60 s再做輸出并控制回路。

3 實(shí)驗(yàn)分析

本節(jié)進(jìn)行了掘進(jìn)功率的匹配實(shí)驗(yàn)，以驗(yàn)證本文所設(shè)計(jì)的電機(jī)保護(hù)系統(tǒng)的正確性[6]。實(shí)驗(yàn)中加大了電機(jī)的扭矩負(fù)載，使電機(jī)處于最大負(fù)荷下工作，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 電機(jī)實(shí)驗(yàn)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)

隨著負(fù)載從25%升高到120%，電機(jī)溫度從49℃上升至105℃，并保持了0.4 h的工作。此外，在打開水冷系統(tǒng)的情況下，電機(jī)實(shí)測(cè)溫度均小于或等于55℃，結(jié)果與電機(jī)理想控制相吻合。實(shí)驗(yàn)過程中所呈現(xiàn)的電流曲線與斷電保護(hù)也滿足相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，可見實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了本文所設(shè)計(jì)的電機(jī)保護(hù)系統(tǒng)能滿足掘錨機(jī)的需求。

4 結(jié)束語

基于對(duì)稱分量法對(duì)三相電機(jī)工作電流進(jìn)行保護(hù)，并以線圈內(nèi)部溫升為判定標(biāo)準(zhǔn)，建立了熱過載反時(shí)限的保護(hù)模式，最終通過硬件和軟件的選擇實(shí)現(xiàn)了電機(jī)的綜合保護(hù)。本文選擇了高壓電網(wǎng)專用的PLC系統(tǒng)，并設(shè)計(jì)了可靠的CAN-Modbus實(shí)時(shí)通訊協(xié)議，讓硬件設(shè)施發(fā)揮完美作用。編程為實(shí)現(xiàn)各項(xiàng)保護(hù)控制奠定軟件基礎(chǔ)，進(jìn)一步鞏固了電機(jī)保護(hù)系統(tǒng)的穩(wěn)定性。實(shí)驗(yàn)也充分肯定了該套電機(jī)保護(hù)系統(tǒng)的優(yōu)化改進(jìn)是正確的，為滿足掘錨機(jī)的進(jìn)一步發(fā)展做出一定貢獻(xiàn)。