煤矿电动机智能综合保护器工作分析

李 超

(煤炭工业晋城矿区建设工程质量监督站，山西 晋城 048006)

电动机在运行状态下可能会发生各种各样的故障，发生原因与工作环境、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，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。煤矿井下电动机经常出现的电气故障主要有：漏电、欠压、过压、三相不平衡、断相、过载和短路等。

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系统指的是使用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)，转换成微控制器能够识别的数字信号，随后对微控制器进行相关编程，对采集到的信号进行处理，判断电动机所处状态，经由电动机保护控制电路实现对电动机的保护和控制。

由于对煤矿井下电动机的现场巡检不方便，设计电动机智能综合保护器应增加与地面上位机通信的功能，为方便就地检查，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。系统整体框架见图1.

图1 电动机智能综合保护器系统整体框架图

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增大，使电动机及电气设备外壳带电。

2) 电动机或供电线路带电体发生部分裸露现象，致使井下工作人员误触到该处，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。

人身触电造成人身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度有关系。一般在不考虑电网电容情况下，人体触到一相导线时，30 mA为允许通过人体的最大触电电流，即30 mA以下不至于产生生命危险。井下在660 V时引爆瓦斯的安全火花电流为50 mA以下。所以，漏电安全临界电流值应该为30 mA.

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：

(1)

式中：

Ir—通过人体的电流，A；

E—供电电路的相电压，V；

r—供电电路每相的对地绝缘电阻值，Ω；

Rr—人体电阻值，Ω，在煤矿井下一般取最低值1.

煤矿井下低压电网的最低绝缘电阻值及漏电保护绝缘电阻值见表1.

表1 各种电网最低绝缘电阻值表

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互投器，见图2，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测采样电阻两端的电压U的值可以间接得出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[2-3]. 这种方法称为附加直流电源漏电保护法。

图2 附加直流电源漏电保护示意图

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，见图3，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3 附加直流电源漏电闭锁示意图

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3种，在这3种运行方式下，电动机的发热情况各不相同，因此对于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，即可短暂的过载，而长时间运行方式时，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现象，这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，见式(2)：

(2)

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。

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。电动机的过载保护特性曲线见图4.

图4 电动机过载保护特性曲线图

从图4可以看出，不同的保护特性曲线拥有一个共同的特点，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3条曲线中最接近曲线4的，也就是反时限过载保护特性效果最佳。

反时限过载保护的过载倍数即故障电流的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，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。

2.3 短路保护

由于电动机发生短路故障将会带来严重的后果，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大，接近短路时的电流，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，这个时间一般大于0.04 s.

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，这个时间一般为8～16 s. 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，其短路保护特性曲线见图5.

在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，约占10%以上

图5 电动机短路保护特性曲线图

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，这两种情况必须考虑。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=10 A，IB=10 A，IC=10 A，那么总铜损为102R+102R+102R=300R；如果三相电流不平衡，假设IA=5 A，IB=10 A，IC=15 A，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 A，IB=0 A，IC=15 A，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=0 A，IB=0 A，IC=30 A，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。该设计中，根据以上原理通过式(3)计算方式确定三相电流的不平衡度。

(3)

式中：

ω—三相电流不平衡度；

Imax—三相线电流中电流最大值，A；

Imin—三相线电流中电流最小值，A.

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100%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，当电网电压上升到超过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后执行相应延时保护动作。

3 结 语

介绍了矿用电动机智能综合保护器系统工作原理。分析了电动机在电网中出现漏电、欠压、过压、三相不平衡、断相、过载、短路等故障状态时的检测与保护功能。