電動(dòng)機(jī)保護(hù)控制器在礦用配電上的應(yīng)用

一、引言

電動(dòng)機(jī)保護(hù)年限、運(yùn)行方法以及環(huán)境等問題均可能造成作業(yè)過程中的各種阻礙，使其運(yùn)行過程不能得到有效的保障。電動(dòng)機(jī)運(yùn)行過程中常常發(fā)生毀壞以及散熱道擁塞的故障，尤其井下粉塵較多、氣體濕潤(rùn)等惡劣環(huán)境更容易造成電動(dòng)機(jī)故障。電動(dòng)機(jī)的智能綜合保護(hù)器為解決上述問題提供了一個(gè)契機(jī)。通過考察和研究，發(fā)現(xiàn)電動(dòng)機(jī)造成的電氣故障包括電壓過高、一相或多相斷開、三相電流值不一致、短路、電壓不足、漏電等問題。

二、電動(dòng)機(jī)（礦用）智能綜合保護(hù)器構(gòu)造解析

電動(dòng)機(jī)（礦用）智能綜合保護(hù)器體系的主要設(shè)計(jì)以及作用對(duì)象是煤礦井電力體系，具體操作過程是：首先分別運(yùn)用電壓、電流互感器對(duì)其展開變壓操作，運(yùn)用信號(hào)采集及調(diào)理電路，將其具象為數(shù)字信號(hào)，這一過程需要確保微控制器可以甄別。在完成上述操作后，要對(duì)所采集的信號(hào)進(jìn)行分析和解析，通過編程操作完成對(duì)微控制器的處置，從而在電動(dòng)機(jī)維護(hù)控制電路配置完善的基礎(chǔ)上，甄別電動(dòng)機(jī)目前處于何種狀況，從而維護(hù)和保障電動(dòng)機(jī)。為實(shí)現(xiàn)地面與煤礦井下的聯(lián)通檢查，避免由于煤礦井下實(shí)地勘察不方便造成的安全隱患問題，在電動(dòng)機(jī)智能綜合保護(hù)器上應(yīng)配備通信裝置，使得煤礦井下與地面上位機(jī)實(shí)現(xiàn)便捷通信，同時(shí)設(shè)計(jì)電動(dòng)機(jī)報(bào)警界面并配備電動(dòng)機(jī)實(shí)時(shí)狀態(tài)，以達(dá)到人機(jī)交互的良好效果。最后，為使電動(dòng)機(jī)與不同電網(wǎng)電壓等級(jí)相適宜，應(yīng)在保護(hù)器上增添按鍵調(diào)節(jié)選項(xiàng)。

三、保護(hù)器工作狀態(tài)分析

3.1漏電保護(hù)

煤礦井下電動(dòng)機(jī)及其供電線路常見的漏電故障有以下幾種。

1）電動(dòng)機(jī)以及供電線路的絕緣面上出現(xiàn)弧光接地或金屬性接地，這是由電動(dòng)機(jī)放置時(shí)間過久，電壓過強(qiáng)出現(xiàn)的穿透問題，設(shè)備及機(jī)械損壞等造成。

2）電動(dòng)機(jī)或供電線路出現(xiàn)漏電事故。這一現(xiàn)象產(chǎn)生的原因是線路的帶電體暴露在空氣中，使得煤礦井下施工作業(yè)人員意外接觸到帶電體。還有一種觸電方式是施工作業(yè)人員接觸到導(dǎo)體造成其中一相接地。

3）電動(dòng)機(jī)或供電線路外殼帶電造成的安全隱患。這是由于線路經(jīng)常展現(xiàn)在濕潤(rùn)的外部環(huán)境中，使得電阻減小，即相應(yīng)地增大進(jìn)入地面的電流。

人員觸電傷亡的主要原因是流入人體的電流較大以及經(jīng)由電流的時(shí)間間隔較長(zhǎng)所導(dǎo)致的。人身接觸到一根裸導(dǎo)線時(shí)，保證人身安全的最大電流是30mA，就是說，不超過30mA的電流經(jīng)由人體不會(huì)造成人員死亡，這是基于電網(wǎng)電容不在考慮范圍的情況下。在煤礦井下不超過50mA是瓦斯引爆的安全電流，故漏電安全臨界電流值應(yīng)該為30mA。

在煤礦井下，一般不容易甄別出中性點(diǎn)不接地系統(tǒng)是否出現(xiàn)故障，這是因?yàn)樗穆╇婋娏鳂O小，此時(shí)需要把三相交流電源與附加直流檢測(cè)電源相互連接，如中性點(diǎn)不接地系統(tǒng)發(fā)生漏電，則電流運(yùn)行方式會(huì)發(fā)生轉(zhuǎn)變，變?yōu)閺碾娫凑龢O、電網(wǎng)對(duì)地絕緣電阻、三相交流電網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)、電源負(fù)極的方向運(yùn)轉(zhuǎn)。電網(wǎng)對(duì)地絕緣電阻值的浮動(dòng)可以通過電保護(hù)電路檢測(cè)采樣電阻兩端電壓的值得到，單回路系統(tǒng)電流并未發(fā)生變化，這一過程需要增添接地的檢測(cè)電源互投器，電網(wǎng)的漏電問題，被稱為附加直流電源漏電保護(hù)法。

漏電保護(hù)的另外一種方法是漏電閉鎖。漏電閉鎖是指一種能夠檢測(cè)到帶電體的設(shè)備，該設(shè)備能夠在線路漏電時(shí)，自動(dòng)察覺漏電體的存在并及時(shí)關(guān)閉起電閘，避免因電流流入造成的漏電問題，從而減少安全問題的發(fā)生。

如若三相交流電體系未通電，電網(wǎng)對(duì)地絕緣電阻值的浮動(dòng)可以運(yùn)用附加直流電源的方式監(jiān)測(cè)到，漏電現(xiàn)象可以有效地通過監(jiān)測(cè)電阻值浮動(dòng)減少。同時(shí)，在三相交流電網(wǎng)絡(luò)未通電時(shí)，接觸器觸電點(diǎn)在漏電保護(hù)中至關(guān)重要，這是因?yàn)榻佑|器主觸點(diǎn)自動(dòng)斷開，能夠把附加直流電源對(duì)接到系統(tǒng)中。在發(fā)生漏電情況時(shí)，漏電閉鎖的作用同樣可以顯現(xiàn)出來，這是因?yàn)殡妷旱淖儎?dòng)能夠激活漏電保護(hù)電路，達(dá)到漏電閉鎖的作用效果。

3.2維護(hù)電動(dòng)機(jī)過載

長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行、短時(shí)間運(yùn)行、重復(fù)短時(shí)間運(yùn)行是普遍的電動(dòng)機(jī)運(yùn)行方式。每種運(yùn)行方式對(duì)應(yīng)不同的發(fā)熱狀況，在短時(shí)間運(yùn)行、重復(fù)短時(shí)間運(yùn)行過程中，是可以有較大輸出的電流過載；但是在長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行過程中，長(zhǎng)期電流過載是不允許的。如何使得長(zhǎng)期運(yùn)行時(shí)間下電動(dòng)機(jī)能夠順利進(jìn)行，這便將電動(dòng)機(jī)的電流過載能力置于關(guān)鍵地位。

電流值的高低影響動(dòng)作時(shí)間的趨勢(shì)，具體電流值的倍數(shù)增長(zhǎng)下的動(dòng)作時(shí)間應(yīng)該成為電動(dòng)機(jī)過載時(shí)間的衡量方式，使得故障電流高低（反時(shí)限過載倍數(shù)）高時(shí)，過載保護(hù)的動(dòng)作時(shí)間呈降低趨勢(shì)，即二者為反比關(guān)系。

為了避免電動(dòng)機(jī)電流過載出現(xiàn)的安全問題，可以通過檢查電動(dòng)機(jī)的工作電流甄別電動(dòng)機(jī)的發(fā)熱狀況。當(dāng)工作電流超過額定電流時(shí)，即發(fā)生了電動(dòng)機(jī)電流過載的問題，這一現(xiàn)象增加了電動(dòng)機(jī)的銅耗，造成繞組變熱進(jìn)而損毀電動(dòng)機(jī)，這是通過檢查電流識(shí)別發(fā)動(dòng)機(jī)發(fā)熱狀況的原理。由于電流檢測(cè)相對(duì)安全便捷、能夠在所有電氣負(fù)載中使用，而且在設(shè)備損毀時(shí)維修便捷，應(yīng)用廣泛。故在煤礦井下在維護(hù)電動(dòng)機(jī)時(shí)應(yīng)采取反時(shí)限過載保護(hù)方法，使得電動(dòng)機(jī)安全、高效運(yùn)行。

3.3保護(hù)短路

電流短路在發(fā)動(dòng)機(jī)故障中十分常見，也會(huì)帶來嚴(yán)重的后果，故速斷保護(hù)是電動(dòng)機(jī)綜合保護(hù)器的首要設(shè)置。速斷保護(hù)裝置中，短路整定電流應(yīng)顯著超過電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)時(shí)的電流，8～10倍，時(shí)限設(shè)置應(yīng)超過0.04ｓ，這個(gè)時(shí)間間隔指的是避開啟動(dòng)電動(dòng)機(jī)瞬間產(chǎn)生的沖擊電流的時(shí)間。這是因?yàn)殡妱?dòng)機(jī)自身啟動(dòng)時(shí)的電流已經(jīng)非常之大，故短路電流倍數(shù)更應(yīng)明顯變大。

堵轉(zhuǎn)同樣是電動(dòng)機(jī)作業(yè)過程中常見的故障之一，通常把能夠支撐電動(dòng)機(jī)平穩(wěn)啟動(dòng)的極大電流設(shè)定為堵轉(zhuǎn)保護(hù)的整定值，以區(qū)別堵轉(zhuǎn)故障電流和正常啟動(dòng)電機(jī)的電流。時(shí)間限制為8～16ｓ，這里的時(shí)間設(shè)置指電動(dòng)機(jī)在承重較大時(shí)平穩(wěn)啟動(dòng)的時(shí)間，這是因?yàn)槎罗D(zhuǎn)發(fā)生時(shí)的電流同樣接近電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)時(shí)的電流。在設(shè)計(jì)中采用對(duì)電流的鑒幅式保護(hù)原理，其中可以對(duì)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(jí)中。

3.4對(duì)一相或多相斷開與三相電流幅值不一致的保護(hù)一相或多相斷開與三相電流幅值不一致是導(dǎo)致電動(dòng)機(jī)損毀的重要原因，這是因?yàn)槿嚯娏鞣挡灰恢乱簿褪禽斎腚娏鞑粚?duì)稱的狀態(tài)，會(huì)產(chǎn)生電動(dòng)機(jī)故障。另外，在三相電流幅值不一致較為嚴(yán)重的狀態(tài)時(shí)會(huì)產(chǎn)生一相或多相斷開的狀況，也會(huì)使得電動(dòng)機(jī)燒損，約有超過10％的電動(dòng)機(jī)損壞是由以上兩種原因造成的。因此，一相或多相斷開與三相電流幅值不一致也是電動(dòng)機(jī)綜合保護(hù)器設(shè)置過程中的重要考慮因素。

一相或多相斷開與三相電流幅值不一致等故障使得輸電以及變壓器的銅損大大增加。如若三相電流幅值不一致的程度達(dá)到最高值即100％時(shí)，那么需要采取對(duì)應(yīng)保護(hù)措施，因?yàn)榇藭r(shí)電路中易發(fā)生多相斷開故障。

3.5對(duì)電壓不足和電壓過高時(shí)的保護(hù)

煤礦井下保護(hù)有兩種重要的類型：對(duì)電壓不足和電壓過高時(shí)的保護(hù)。電壓過高是指超過115％額定電壓的電網(wǎng)電壓，推遲跳閘時(shí)間是保護(hù)器此刻采取的對(duì)應(yīng)措施。電壓不足指低于額定電壓的75％的電網(wǎng)電壓，此時(shí)保護(hù)器采取的對(duì)應(yīng)措施仍是推遲跳閘時(shí)間。為解決電動(dòng)機(jī)出現(xiàn)的電壓過高及電壓不足問題，鑒幅式保護(hù)應(yīng)運(yùn)而生。它把檢測(cè)到的電網(wǎng)電壓值采取直流與交流電路互換的措施，并通過模數(shù)轉(zhuǎn)換器采取對(duì)應(yīng)保護(hù)措施。

四、ARD系列電動(dòng)機(jī)保護(hù)器產(chǎn)品選型介紹

ARD智能電動(dòng)機(jī)保護(hù)器適用于額定電壓至660V的低壓電動(dòng)機(jī)回路，集保護(hù)、測(cè)量、控制、通訊、運(yùn)維于一體。其完善的保護(hù)功能確保電動(dòng)機(jī)安全運(yùn)行，帶有邏輯可編程功能，可以滿足多種控制方式。該產(chǎn)品采用分體式結(jié)構(gòu)，由主體、顯示單元、互感器組成，可適應(yīng)各種柜體的安裝?？蛇x配不同通訊模塊適應(yīng)現(xiàn)場(chǎng)通訊需求。

4.1、功能特點(diǎn)

■支持基波和全波電力參數(shù)測(cè)量（U、I、P、Q、S、PF、F、EP、EQ），電流及電流不平衡度、電流正序、負(fù)序、零序分量、電壓、三相電壓相角、剩余電流。

■保護(hù)功能包括過載反時(shí)限、過載定時(shí)限、接地、起動(dòng)超時(shí)、漏電、欠載、斷相、堵轉(zhuǎn)、阻塞、短路、溢出、不平衡(電流、電壓)、過功率、欠功率、過壓、欠壓、相序、溫度、tE時(shí)間、外部故障、起動(dòng)次數(shù)限制、運(yùn)行時(shí)間報(bào)警、故障次數(shù)報(bào)警。

■9路可編程DI輸入，默認(rèn)采用內(nèi)置DC24V電源，也可選擇外部有源濕接點(diǎn)。

■5路可編程DO輸出，滿足直接起動(dòng)，星—三角起動(dòng)，自耦變壓器起動(dòng)，等多種起動(dòng)方式，可通過通訊總線實(shí)現(xiàn)主站對(duì)電動(dòng)機(jī)的遙控“起/停"。

■可選抗晃電功能：支持晃電立即再啟動(dòng)、失壓重起動(dòng)。

■可選配MODBUS_RTU通訊、PROFIBUSDP通訊，支持最多2路通訊接口。

■可選配1路DC4-20mA模擬量輸出接口，與DCS系統(tǒng)相接，可實(shí)現(xiàn)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的監(jiān)控。

■具有故障記錄、起動(dòng)記錄、停車記錄、DI變位記錄和再起動(dòng)記錄等各類事件記錄。

■顯示界面液晶顯示，支持中/英文切換。

4.2、產(chǎn)品選型

五、結(jié)束語

針對(duì)電動(dòng)機(jī)運(yùn)行過程中出現(xiàn)的故障問題，通過實(shí)際考察， 解析了礦用電動(dòng)機(jī)智能綜合保護(hù)器體系的構(gòu)造，并對(duì)保護(hù)器的工作狀態(tài)及運(yùn)行方式進(jìn)行了分析，以期為相關(guān)工作提供參考。

參考文獻(xiàn)：

[1]許燕．高壓電動(dòng)機(jī)的保護(hù)與維護(hù)分析[J]．電子世界，2019(23)：33-35

[2]安科瑞企業(yè)微電網(wǎng)設(shè)計(jì)與應(yīng)用手冊(cè).2022.05版.

[3] GB 14048.4-2020 低壓開關(guān)設(shè)備和控制設(shè)備 第4-1部分：接觸器和電動(dòng)機(jī)起動(dòng)器機(jī)電式接觸器和電動(dòng)機(jī)起動(dòng)器(含電動(dòng)機(jī)保護(hù)器).