電動機智能綜合保護器在煤礦內的應用分析

摘要：介紹礦用電機智能綜合保護系統的整體結構，通過微控制器采集的直流信號編程判斷，直接將交流信號整流、濾波、調節、采樣轉化為微控制器可識別的直流信號，實現電機的相關保護控制、故障顯示和報警，以及與上位機的通信。同時，介紹了礦井下電機經常出現的故障及其原因，以及判斷這些故障所使用的檢測和保護方法。

關鍵詞：電機、智能保護器、結構分析、微控制器、互感器

引言

電機在運行狀態下可能會出現各種故障，這與工作環境、使用方法和維護周期密切相關。特別是在煤礦地下，由于地下環境惡劣，電機長期暴露在煤塵、潮濕等惡劣環境中，容易導致電機散熱道堵塞，電機經常燒毀。因此，電機智能綜合保護器的設計非常重要。

一電機智能綜合保護器結構分析

礦用電機智能綜合保護器系統是指通過電流互感器和電壓互感器變壓煤礦地下電網供電系統，通過信號調節電路和信號采集電路(A／D轉換電路)，最后轉換為微控制器能識別的數字信號；通過編程微控制器，處理收集到的信號，判斷電機當前狀態；通過判斷狀態，通過電機保護控制電路實現電機的保護和控制。

二保護器工作狀態分析

1漏電保護

煤礦地下電機及其供電線路常見的漏電故障有：

（1）由于長期暴露在潮濕的環境中，電機或供電線路的絕緣電阻下降，流向地球的對地電流增大，從而給電機和電氣設備的外殼帶電。

（2）電機或供電線路帶電體部分暴露，導致未高度重視的地下人員意外接觸，通過導體工具直接或間接接地，造成漏電事故。

（3）由于長期老化、電壓擊穿或機械損壞，電機或供電線路的絕緣部分發生一相中的金屬接地或弧光接地。

人身觸電造成人身傷亡的危險主要與流經人身的觸電電流和流經這些電流的時間長短有關。一般來說，當人體觸摸一相導線而不考慮電網電容時，30ma允許通過人體的最大觸電電流，即30ma以下不會造成生命危險。660V地下引爆氣體的安全火花電流小于50ma。因此，漏電安全的臨界電流值應為30ma。

在忽略電網對地分布電容的情況下，在中性點不接地系統中人體觸電電流的計算公式中:Ir是通過人體的電流，單位是A；E是供電電路的相電壓，單位為V；r為供電電路各相對地絕緣電阻值，單位為Ω；Rr為人體電阻值，單位為人體電阻值，單位為人體電阻值，單位為Ω，煤礦井下一般按zui低值為1kΩ計算。

對于煤礦地下中性點不接地系統，漏電電流通常很小，難以區分故障。因此，需要添加接地檢測電源E，如圖1所示。將附加的DC檢測電源E連接到三相系統中。如果系統發生泄漏，則電流將根據電源的正極→電網對地絕緣電阻→三相電網系統→電源負極流向運行。由于單回路系統和電流不變，采樣電阻R兩端的電壓U尺寸通過漏電保護電路檢測，間接了解電網對地絕緣電阻值的變化，檢測電網是否漏電。該方法稱為附加直流電源漏電保護法。

圖1附加直流電源漏電保護

漏電鎖也是一種重要的漏電保護方法。顧名思義，漏電鎖是指檢測到線路漏電時，需要關閉開關，防止人員發電后因漏電而發生事故。當三相系統不通電時，可以通過附加直流電源檢測到電網對地絕緣電阻值的變化，從而判斷是否發生漏電。三相電網未通電時，如圖2所示，接觸器KM主觸點斷開，接觸器KM常閉觸點將附加直流電源連接到系統。如果發生漏電，電壓U會發生變化，從而觸發漏電保護電路的動作，達到漏電鎖保護的目的。

圖2附加直流電源漏電閉鎖

2過載保護

常見的電機運行方式主要有三種:長時間運行、短時間運行和重復短時間運行。在這三種運行方式下，電機的加熱情況是不同的。因此，同一臺電機在短時間運行或重復短時間運行時，可以允許大輸出短時間過載，而電機在長時間運行時不能長時間過載。為了保證電機的長期穩定運行，短時間過載不會停止運行，這就要求電機具備一定的過載能力。異步電機的過載能力通常用最大扭矩Mm除以額定扭矩MH獲得的商業KM來表示，中小型電機的KM＝1．6~1．8、中大型電機的KM＝1．8~2．5、有特殊要求的電機KM可達到2．0~3．0或更大。

在這里，電機過載保護特性通常被定義為：電機過載倍數與其過載保護動作時間之間的關系。如圖3所示，電機過載保護特性曲線。

圖3電動機過載保護特性曲線

從圖3可以看出，不同的保護特性曲線有一個共同的特點，即電機只能在保護特性曲線的左側正常工作，曲線1、2、3與曲線4之間的每個區域都是無效區域，即該區域不能得到充分利用。曲線3是上述三種曲線中zui接近曲線4的，即反時限過載保護特性效果好。

反時限過載保護的過載倍數是故障電流大小與過載保護的動作時間成反比，電流大小決定了動作時間的趨勢。因此，電機過載的整定時間應為電流值的一定倍數下的動作時間。

電機過載運行狀態是指當運行電流大于額定電流時，電機過載會導致電機銅消耗急劇增加，使電機繞組加熱導致電機燒毀，間接檢測電機運行電流判斷電機加熱，實現電機過載保護。由于該方法檢測對象為電流，能適應所有電氣負荷，調整靈活，維護方便，應用廣泛。因此，在本設計中，根據煤礦地下情況選擇C＝2時極度反時限過載保護方法保護電機。

3短路保護

由于電機短路故障會帶來非常嚴重的后果，因此電機綜合保護器中的短路保護應為快速斷開保護。電機的啟動電流通常非常大，接近短路時的電流。因此，電機的短路整定電流倍數應大于使電機穩定啟動的最大電流，通常取電機額定電流的8~10倍，時限設置為避免電機啟動時瞬時沖擊電流的時間，一般大于0.04s。

電機運行時通常會出現堵轉故障，堵轉故障時通過電機的電流也很大。為了區分堵轉故障電流和電機正常啟動瞬間的電流，電機穩定啟動的最大電流一般作為堵轉保護的整定值，時限設置為電機在重載情況下通常啟動的時間，一般為8~16s。電機的堵轉保護和短路保護共同構成電機的短路保護。

本設計采用電流橫幅保護原理，可設置短路電流保護值，以適應不同的電網等級。

三保護器選擇分類

現代智能電機保護器在實際生產中還有許多功能，如回顧功能、遠程通信、遠程控制、多種啟動方式選擇等。

保護器分為：普通型、數碼顯示監控型、智能監控中文顯示型。

四ARD系列電機保護器產品選型介紹

ARD智能電機保護器適用于額定電壓至660V的低壓電機電路，集保護、測量、控制、通信、運行和維護于一體。其完善的保護功能保證了電機的安全運行，具有邏輯可編程功能，可滿足各種控制方法。本產品采用分體式結構，由主體、顯示單元和互感器組成，可適應各種機柜的安裝。可選擇不同的通信模塊來滿足現場通信的需要。

1產品選型

五結論

本文結合煤礦井下實際情況，設計了一款礦用電動機智能綜合保護器。設計方案切合實際要求，實現了電動機在電網中出現漏電、欠壓、過壓、三相不平衡、斷相、過載、短路等故障狀態時的檢測與保護功能，確保了系統的可靠性、準確性、抗干擾性和靈敏性。

參考文獻：

[1]陳瑞利.煤礦電動機智能綜合保護器工作分析[J].科技資訊, 2020(4).

[2]安科瑞企業微電網設計與應用手冊.2022.05版.

[3] GB 14048.4-2020 低壓開關設備和控制設備 第4-1部分：接觸器和電動機起動器機電式接觸器和電動機起動器(含電動機保護器).