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煤礦內(nèi)電動機(jī)智能保護(hù)器結(jié)構(gòu)分析

 更新時(shí)間:2023-04-21 點(diǎn)擊量:364

摘要 :介紹了礦用電動機(jī)智能綜合保護(hù)器系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu),采用直接將交流信號整流、濾波、調(diào)理、采樣的方式變?yōu)槲⒖刂破髂軌蜃R別的直流信號,通過對微控制器采集到的直流信號編程判斷來實(shí)現(xiàn)對電動機(jī)的相關(guān)保護(hù)控制、故障顯示與報(bào)警以及與上位機(jī)的通信。同時(shí)還介紹了有關(guān)礦井下電動機(jī)經(jīng)常出現(xiàn)的故障及其原因和判斷這些故障所使用的檢測和保護(hù)方法。

關(guān)鍵詞: 電動機(jī);智能保護(hù)器;結(jié)構(gòu)分析;微控制器;互感器。

引言

電動機(jī)在運(yùn)行狀態(tài)下可能會發(fā)生各種各樣的故障,這與工作環(huán)境、使用方式和維護(hù)周期等因素密切相關(guān)。特別是在煤礦井下,由于井下環(huán)境惡劣,電動機(jī)長時(shí)間暴露在煤塵、潮濕等惡劣環(huán)境中,容易導(dǎo)致電動機(jī)散熱道堵塞等,經(jīng)常會出現(xiàn)電動機(jī)的燒損。因此電動機(jī)智能綜合保護(hù)器的設(shè)計(jì)就顯得非常重要。

引言電動機(jī)智能綜合保護(hù)器結(jié)構(gòu)分析

礦用電動機(jī)智能綜合保護(hù)器的系統(tǒng)指的是通過電流互感器和電壓互感器對煤礦井下電網(wǎng)供電系統(tǒng)進(jìn)行變壓,通過信號調(diào)理電路和信號采集電路(A/D轉(zhuǎn)換電路),最后轉(zhuǎn)換成微控制器能夠識別的數(shù)字信號;通過對微控制器進(jìn)行相關(guān)編程,對采集到的信號進(jìn)行處理,判斷電動機(jī)當(dāng)前處在什么狀態(tài);通過對該狀態(tài)的判斷,經(jīng)由電動機(jī)保護(hù)控制電路實(shí)現(xiàn)對電動機(jī)的保護(hù)和控制。同時(shí)由于對煤礦井下電動機(jī)的現(xiàn)場巡檢并不是很方便,在此設(shè)計(jì)的電動機(jī)智能綜合保護(hù)器還要加上與井上上位機(jī)通信的功能。為方便就地檢查,同樣需要在保護(hù)器上設(shè)置電動機(jī)狀態(tài)顯示與報(bào)警界面,實(shí)現(xiàn)良好的人機(jī)交互,同時(shí)應(yīng)加上按鍵調(diào)節(jié)功能以適應(yīng)不同電網(wǎng)電壓等級下對電動機(jī)不同的要求。

保護(hù)器工作狀態(tài)分析

2.1 漏電保護(hù)

煤礦井下電動機(jī)及其供電線路常見的漏電故障有:

(1)電動機(jī)或者供電線路因長期暴露在潮濕環(huán)境中,導(dǎo)致其絕緣電阻下降,流向大地的對地電流增大,從而使電動機(jī)及電氣設(shè)備外殼帶電。

(2)電動機(jī)或者供電線路帶電體發(fā)生部分裸露現(xiàn)象,致使未受到高度重視的井下人員誤觸到該處,直接或者間接通過導(dǎo)體工具而致使其中一相接地,造成漏電事故。

(3)電動機(jī)或者供電線路絕緣部分因?yàn)榫弥美匣?、電壓性擊穿或者機(jī)械損壞等原因而發(fā)生一相中的金屬性接地或弧光接地。

人身觸電造成人身傷亡的危險(xiǎn)主要與流經(jīng)人身的觸電電流和流過這些電流時(shí)間長短有關(guān)系。一般在不考慮電網(wǎng)電容情況下,人體觸到一相導(dǎo)線時(shí),30mA為允許通過人體的最大觸電電流,即30mA以下不至于發(fā)生生命危險(xiǎn)。井下在660V時(shí)引爆瓦斯的安全火花電流為50mA以下。所以,漏電安全臨界電流值應(yīng)該為30mA。

在忽略電網(wǎng)對地分布電容情況下,對于中性點(diǎn)不接地系統(tǒng)中人體觸電電流計(jì)算公式中:Ir為通過人體的電流,單位為A;E為供電電路的相電壓,單位為V;r為供電電路每相的對地絕緣電阻值,單位為Ω;Rr為人體電阻值,單位為Ω,在煤礦井下一般按照值為1kΩ計(jì)算。

對于煤礦井下中性點(diǎn)不接地系統(tǒng),通常其漏電電流非常小,不易區(qū)分故障與否,因此需要添加一個(gè)接地的檢測電源E,如圖1所示。將附加的直流檢測電源E接入三相系統(tǒng),如果系統(tǒng)出現(xiàn)漏電現(xiàn)象,那么電流將按照電源正極→電網(wǎng)對地絕緣電阻→三相電網(wǎng)系統(tǒng)→電源負(fù)極流向來運(yùn)行,由于單回路系統(tǒng),電流不變,因此通過漏電保護(hù)電路檢測采樣電阻R兩端的電壓U的大小從而可以間接知道電網(wǎng)對地絕緣電阻阻值的變化,進(jìn)而可以檢測到電網(wǎng)是否發(fā)生漏電現(xiàn)象。這種方法稱為附加直流電源漏電保護(hù)法。

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漏電閉鎖同樣是一種重要的漏電保護(hù)方法,顧名思義,漏電閉鎖是指當(dāng)檢測到線路發(fā)生漏電時(shí),需要閉鎖住電閘,防止人員送電之后因漏電而發(fā)生事故。當(dāng)三相系統(tǒng)未通電情況下,通過附加直流電源方法可以檢測到電網(wǎng)對地絕緣電阻阻值的變化,從而判斷是否發(fā)生漏電現(xiàn)象。在三相電網(wǎng)未通電情況下,如圖2所示,接觸器KM主觸點(diǎn)斷開,接觸器KM常閉觸點(diǎn)將附加直流電源接入系統(tǒng),如果發(fā)生漏電,則電壓U發(fā)生變化,從而觸發(fā)漏電保護(hù)電路動作,達(dá)到漏電閉鎖保護(hù)的目的。

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2.2過載保護(hù)

常見的電動機(jī)運(yùn)行方式主要有長時(shí)間運(yùn)行、短時(shí)間運(yùn)行及重復(fù)短時(shí)間運(yùn)行三種,在這三種運(yùn)行方式下,電動機(jī)的發(fā)熱情況各不相同。因此,同一臺電動機(jī)按短時(shí)間運(yùn)行方式或者重復(fù)短時(shí)間運(yùn)行方式使用時(shí)可以允許有較大的輸出,即可短暫地過載,而采用長時(shí)間運(yùn)行方式時(shí)電動機(jī)不可長期過載運(yùn)行。為了確保電動機(jī)長期穩(wěn)定運(yùn)行,不會因?yàn)槎虝r(shí)間的過載而發(fā)生停止運(yùn)行的現(xiàn)象,這就要求電動機(jī)要有一定的過載能力。異步電動機(jī)的過載能力通常用最大力矩Mm除以額定力矩MH得到的商KM來表示,中小型電動機(jī)的KM=1.6~1.8,中型及大型電動機(jī)的KM=1.8~2.5,有特殊要求的電動機(jī)KM可以達(dá)到2.0~3.0或更大。

在這里,通常將電動機(jī)過載保護(hù)特性定義為:電動機(jī)的過載倍數(shù)與其過載保護(hù)動作時(shí)間之間的關(guān)系。如圖3所示為電動機(jī)的過載保護(hù)特性曲線。

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從圖3可以看出,不同的保護(hù)特性曲線擁有一個(gè)共同的特點(diǎn)就是,電動機(jī)只能在保護(hù)特性曲線的左側(cè)正常工作,曲線1、2、3中的每一條與曲線4之間的區(qū)域?yàn)闊o效區(qū)域,即該區(qū)域不能被充分利用。曲線3是以上三種曲線中曲線4的,也就是反時(shí)限過載保護(hù)特性。

反時(shí)限過載保護(hù)的過載倍數(shù)即故障電流大小與過載保護(hù)的動作時(shí)間成反比,電流的大小決定了動作時(shí)間的走勢。因此電動機(jī)的過載整定時(shí)間應(yīng)該為某一電流值的某一倍數(shù)下的動作時(shí)間。

電動機(jī)過載運(yùn)行狀態(tài)指的是當(dāng)其運(yùn)行電流大于額定電流時(shí)的工作狀態(tài),電動機(jī)過載時(shí)會引起電動機(jī)的銅耗急劇增加,從而使得電動機(jī)的繞組發(fā)熱導(dǎo)致電動機(jī)燒損,因此可以間接檢測電動機(jī)的運(yùn)行電流來判斷電動機(jī)的發(fā)熱情況,實(shí)現(xiàn)電動機(jī)過載的保護(hù)。因?yàn)檫@種方法檢測的對象是電流,能適應(yīng)于一切電氣負(fù)載,而且其調(diào)整靈活、維修方便,所以得到了廣泛的應(yīng)用。因此,在本設(shè)計(jì)中,根據(jù)煤礦井下情況,選用C=2時(shí)的極度反時(shí)限過載保護(hù)方法對電動機(jī)進(jìn)行保護(hù)。

2.3短路保護(hù)

由于電動機(jī)發(fā)生短路故障時(shí)將會帶來非常嚴(yán)重的后果,因此,在設(shè)置電動機(jī)綜合保護(hù)器中的短路保護(hù)時(shí)應(yīng)該是速斷保護(hù)。電動機(jī)的啟動電流往往非常之大,接近短路時(shí)候的電流。所以,電動機(jī)的短路整定電流倍數(shù)應(yīng)該大于使電動機(jī)穩(wěn)定啟動的最大電流,通常取電動機(jī)額定電流時(shí)的8~10倍,將時(shí)限設(shè)置為躲過電動機(jī)啟動時(shí)瞬間沖擊電流的時(shí)間,這個(gè)時(shí)間一般大于0.04s。

電動機(jī)在運(yùn)行時(shí)通常還會發(fā)生堵轉(zhuǎn)故障,堵轉(zhuǎn)故障發(fā)生時(shí)通過電動機(jī)的電流同樣非常大,為區(qū)分堵轉(zhuǎn)故障電流和電動機(jī)正常啟動瞬間的電流,一般將使電動機(jī)穩(wěn)定啟動的最大電流作為堵轉(zhuǎn)保護(hù)的整定值,將時(shí)限設(shè)置為通常電動機(jī)在重載情況下啟動的時(shí)間,這個(gè)時(shí)間一般為8~16s。電動機(jī)的堵轉(zhuǎn)保護(hù)與短路保護(hù)共同構(gòu)成了電動機(jī)的短路保護(hù)。

在本設(shè)計(jì)中采用對電流的鑒幅式保護(hù)原理,其中可以對短路電流保護(hù)值進(jìn)行設(shè)定,以適應(yīng)于不同的電網(wǎng)等級中。

2.4斷相與三相不平衡保護(hù)

引起電動機(jī)燒損的另一個(gè)原因就是三相不平衡,嚴(yán)重的三相不平衡則可能產(chǎn)生斷相,占10%以上燒損的電動機(jī)是由這兩種原因引起的,在做電動機(jī)綜合保護(hù)器時(shí),這兩種情況必須考慮。從廣義上來說,電動機(jī)繞組上的輸入電流達(dá)到一定程度的不對稱即為三相不平衡,這便是所謂的故障狀態(tài),更為嚴(yán)重的電動機(jī)繞組電流不對稱狀態(tài)就是電動機(jī)的斷相運(yùn)行狀態(tài)。

三相不平衡或者斷相故障增加了變壓器及輸電的銅損。三相不平衡電流對系統(tǒng)銅損的影響為:

假設(shè)R是電動機(jī)系統(tǒng)三相電路與變壓器繞組之間的電阻之和,如果三相電流平衡,假設(shè)IA=10A,IB=10A,IC=10A,那么總銅損為102R+102R+102R=300R;如果三相電流不平衡,假設(shè)IA=5A,IB=10A,IC=15A,那么總銅損為52R+102R+152R=350R,比平衡狀態(tài)的銅損增加了50R,也就是增長了17%;在嚴(yán)重情況下,也就是斷一相的情況下,假設(shè)IA=15A,IB=0A,IC=15A,那么總銅損為152R+0+152R=450R,是平衡狀態(tài)時(shí)銅損的1.5倍;在最嚴(yán)重情況下,也就是斷兩相情況下,假設(shè)IA=0A,IB=0A,IC=30A,那么總銅損為0+0+302R=900R,是平衡狀態(tài)時(shí)銅損的3倍。由此可見,三相不平衡或者斷相對電動機(jī)的損壞是相當(dāng)大的,對其進(jìn)行檢測。

當(dāng)三相電流平衡時(shí),三相電流的值是相等的,當(dāng)不平衡時(shí),每相將會發(fā)生相應(yīng)變化。本設(shè)計(jì)中,根據(jù)以上原理通過式(3)計(jì)算方式來確定三相電流的不平衡度。

Imax-Imin公式中:ω為三相電流不平衡度;Imax為三相線電流中電流最大值;Imin為三相線電流中電流最小值。

由此,根據(jù)式(3)計(jì)算出的不平衡度可以判斷三相不平衡的程度,當(dāng)計(jì)算結(jié)果為100%時(shí),則說明電路中已經(jīng)發(fā)生斷相故障,此時(shí)應(yīng)該立即執(zhí)行相應(yīng)保護(hù)動作。2.5欠壓和過壓保護(hù)欠壓和過壓保護(hù)是煤礦井下必*保護(hù)類型之一。當(dāng)電網(wǎng)電壓下降到額定電壓的75%時(shí)即被稱為欠壓,此時(shí)保護(hù)器對電動機(jī)進(jìn)行保護(hù)延時(shí)跳閘;同樣,當(dāng)電網(wǎng)電壓超過115%的額定電壓時(shí)即被稱為過壓,此時(shí)保護(hù)器對電動機(jī)進(jìn)行保護(hù)延時(shí)跳閘。采用鑒幅式保護(hù)原理對電動機(jī)進(jìn)行欠壓和過壓保護(hù)。鑒幅式保護(hù)原理是指將采集到的電網(wǎng)電壓參數(shù)進(jìn)行整流、濾波,通過對A/D轉(zhuǎn)換器結(jié)果進(jìn)行判斷之后執(zhí)行相應(yīng)延時(shí)保護(hù)動作。

保護(hù)器選擇分類

現(xiàn)代智能電機(jī)保護(hù)器還有很多在實(shí)際生產(chǎn)中需要的功能,如回看功能、遠(yuǎn)程通訊、遠(yuǎn)程控制、多種啟動方式選擇等。

保護(hù)器在類型上分為:一般普通型、數(shù)碼顯示監(jiān)控型、智能監(jiān)控中文顯示型。

3.1一般普通型

結(jié)構(gòu)比較簡單,主要功能以突出過載、缺相(三相不平衡)堵轉(zhuǎn)等故障保護(hù)。故障類型采用指示燈顯示。

3.2數(shù)碼顯示監(jiān)控型

數(shù)碼顯示監(jiān)控型保護(hù)器,內(nèi)部電路運(yùn)用單片機(jī),采用數(shù)碼管作為顯示窗口,智能化綜合保護(hù),集保護(hù)、測量、通訊、顯示為一體。整定電流采用數(shù)字設(shè)定,用戶可以自行對各種參數(shù)修正。

3.3智能監(jiān)中文顯示控型

智能漢字顯示更適合國內(nèi),與其他類型相比,功能更加完善。此類產(chǎn)品對各種參數(shù)、狀態(tài)、信息直接在操作面板單元上中文漢顯液晶顯示,使界面更加直觀醒目,并且支持遠(yuǎn)程計(jì)算機(jī)通訊功能。啟動方式有多種選擇,并有存儲回看功能,給后期的維護(hù)維修提供了數(shù)據(jù)依據(jù)。

保護(hù)器在選擇上注意事項(xiàng)

在選擇保護(hù)器的同時(shí),還要考慮到以下幾種因素:

(1)電動機(jī)主要參數(shù):主要是功率、電壓、電流、頻率方面,為選型提供依據(jù)。

(2)使用環(huán)境因素的影響:主要指溫度、濕度、污染等。

(3)電動機(jī)使用方向:指拖動機(jī)械設(shè)備要求。

(4)控制系統(tǒng):控制模式有手動、自動化程序等工作運(yùn)行。啟動方式有直接、降壓、星三角、頻敏變阻器、變頻器、軟起動等啟動方式。

(5)安裝要求:在選型上要考慮安裝空間大小,留有足夠的余量,便于散熱及接線、維護(hù)、查看方便。

(6)靈敏度要求:是帶載啟動還是空載啟動,是滿載還是逐漸加載,主要是在電流設(shè)定方面要考慮到啟動瞬間的電流值與額定電流值之間的時(shí)間差。

(7)其他方面:如生產(chǎn)現(xiàn)場對電動機(jī)位置的隨意性、啟動停止的頻繁程度等。

ARD系列電動機(jī)保護(hù)器產(chǎn)品選型介紹

ARD智能電動機(jī)保護(hù)器適用于額定電壓至660V的低壓電動機(jī)回路,集保護(hù)、測量、控制、通訊、運(yùn)維于一體。其完善的保護(hù)功能確保電動機(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)場通訊需求。

5.1、功能特點(diǎn)

■支持基波和全波電力參數(shù)測量(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,星—三角起動,自耦變壓器起動,等多種起動方式,可通過通訊總線實(shí)現(xiàn)主站對電動機(jī)的遙控“起/停"。

■可選抗晃電功能:支持晃電立即再啟動、失壓重起動。

■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)對現(xiàn)場設(shè)備的監(jiān)控。

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

■顯示界面液晶顯示,支持中/英文切換。

5.2、產(chǎn)品選型

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結(jié)論

本文結(jié)合煤礦井下實(shí)際情況,設(shè)計(jì)了一款礦用電動機(jī)智能綜合保護(hù)器。設(shè)計(jì)方案切合實(shí)際要求,實(shí)現(xiàn)了電動機(jī)在電網(wǎng)中出現(xiàn)漏電、欠壓、過壓、三相不平衡、斷相、過載、短路等故障狀態(tài)時(shí)的檢測與保護(hù)功能,確保了系統(tǒng)的可靠性、準(zhǔn)確性、抗干擾性和靈敏性。


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