安科瑞电气股份有限公司 上海嘉定 201801
摘要:介绍了矿用电动机智能综合保护器系统的总体结构，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上位机的通信。同时还介绍了有关矿井下电动机经常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。
关键词：电动机；智能保护器；结构分析；微控制器；互感器
0 引言
电动机在运行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。特别是在煤矿井下，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，容易导致电动机散热道堵塞等，经常会出现电动机的烧损[1-3]。因此，电动机智能综合保护器的设计就显得非常重要。
1 电动机智能综合保护器结构分析
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），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相关编程，对采集到的信号进行处理，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同电网电压等级下对电动机不同的要求。
2 保护器工作状态分析
2.1漏电保护
煤矿井下电动机及其供电线路常见的漏电故障有：
（１）电动机或者供电线路因长期暴露在潮湿环境中，导致其绝缘电阻下降，流向大地的对地电流变大，从而使电动机及电气设备外壳带电。
（２）电动机或者供电线路带电体发生部分现象，致使未受到高度重视的井下人员误触到该处，直接或者间接通过导体工具而致使其中一相接地，造成漏电事故。
（３）电动机或者供电线路绝缘部分因为久置老化、电压性击穿或者机械损坏等原因而发生一相中的金属性接地或弧光接地。
人身触电造成伤亡的危险主要与流经人身的触电电流和流过这些电流时间长短有关系。一般在不考虑电网电容情况下，人体触到一相导线时，30mＡ为允许通过人体的大触电电流，即30mＡ以下不至于发生生命危险。井下在660V时引爆瓦斯的火花电流为50mA以下。所以，漏电临界电流值应该为30mA。
在忽略电网对地分布电容情况下，对于中性点不接地系统中人体触电电流计算公式为: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，单位为Ｖ；ｒ为供电电路每相的对地绝缘电阻值，单位为Ω；Rr为人体电阻值，单位为Ω，在煤矿井下一般按照低值为1kΩ计算。
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→电网对地绝缘电阻→三相电网系统→电源负流向来运行，由于单回路系统，电流不变，因此通过漏电保护电路检测采样电阻Ｒ两端的电压Ｕ的大小从而可以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。
图１附加直流电源漏电保护
漏电闭锁同样是一种重要的漏电保护方法，顾名思义，漏电闭锁是指当检测到线路发生漏电时，需要闭锁住电闸，防止人员送电之后因漏电而发生事故。当三相系统未通电情况下，通过附加直流电源方法可以检测到电网对地绝缘电阻阻值的变化，从而判断是否发生漏电现象。在三相电网未通电情况下，如图２所示，接触器ＫＭ主触点断开，接触器ＫＭ常闭触点将附加直流电源接入系统，如果发生漏电，则电压Ｕ发生变化，从而触发漏电保护电路动作，达到漏电闭锁保护的目的。
图２附加直流电源漏电闭锁
2.2过载保护
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。为了确保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大力矩Ｍｍ除以额定力矩ＭＨ得到的商ＫＭ来表示，如式所示。
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，有特殊要求的电动机ＫＭ可以达到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。
图３电动机过载保护特性曲线
从图３可以看出，不同的保护特性曲线拥有一个共同的特点就是，电动机只能在保护特性曲线的左侧正常工作，曲线１、２、３中的每一条与曲线４之间的区域为无效区域，即该区域不能被充分利用。曲线３是以上三种曲线中接近曲线４的，也就是反时限过载保护特性效果佳。
反时限过载保护的过载倍数即故障电流大小与过载保护的动作时间成反比，电流的大小决定了动作时间的走势。因此电动机的过载整定时间应该为某一电流值的某一倍数下的动作时间。
电动机过载运行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急剧增加，从而使得电动机的绕组发热导致电动机烧损，因此可以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时的度反时限过载保护方法对电动机进行保护。
2.3短路保护
由于电动机发生短路故障时将会带来非常严重的后果，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，这个时间一般大于0.04。
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，这个时间一般为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。
2.4断相与三相不平衡保护
引起电动机烧损的另一个原因就是三相不平衡，严重的三相不平衡则可能产生断相，占10％以上烧损的电动机是由这两种原因引起的，在做电动机综合保护器时，这两种情况须考虑。从广义上来说，电动机绕组上的输入电流达到一定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。
三相不平衡或者断相故障增加了变压器及输电的铜损。三相不平衡电流对系统铜损的影响为：
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，Ｉ＝15，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＝15，IB＝0A，I＝15，那么总铜损为152Ｒ＋0＋152Ｒ＝450R，是平衡状态时铜损的1.5倍；在严重情况下，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，对其进行检测是必不可少的。
当三相电流平衡时，三相电流的值是相等的，当不平衡时，每相将会发生相应变化。本设计中，根据以上原理通过式计算方式来确定三相电流的不平衡度。式中：ω 为三相电流不平衡度；Imax为三相线电流中电流大值；Imin为三相线电流中电流小值。
由此，根据式（３）计算出的不平衡度可以判断三相不平衡的程度，当计算结果为满级时，则说明电路中已经发生断相故障，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。当电网电压下降到额定电压的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％的额定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。
3安科瑞ARD系列智能电动机保护器介绍与综合选型
3.1产品简介
ARD该系列低压电动机保护器，具有过载、断相、不平衡、欠载、接地/漏电、堵转等保护功能。可与接触器、电动机起动器等电器元件构成电动机控制保护单元，具有远程自动控制、现场直接控制、面板指示、信号报警、现场总线通信等功能。应用范围：可广泛应用于煤矿、石化、冶炼、电力、建筑等行业的配电领域。
3.2产品选型
产品功能
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型号 功能 |
ARD2 |
ARD2L |
ARD2F |
ARD3 |
ARD3T |
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应用场合 |
低压0.4kv-1.14kv电动机保护 |
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保护功能 |
起动超时 |
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过载 |
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欠载 |
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短路 |
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阻塞 |
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堵转 |
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不平衡 |
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反馈超时 |
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外部故障 |
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模块结构故障 |
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内部故障 |
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过压 |
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欠压 |
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断相 |
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相序 |
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过功率 |
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欠功率 |
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tE时间 |
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