电动机智能综合保护器在煤矿内的应用分析

摘要：介绍矿用电机智能综合保护系统的整体结构，通过微控制器采集的直流信号编程判断，直接将交流信号整流、滤波、调节、采样转化为微控制器可识别的直流信号，实现电机的相关保护控制、故障显示和报警，以及与上位机的通信。同时，介绍了矿井下电机经常出现的故障及其原因，以及判断这些故障所使用的检测和保护方法。

关键词：电机、智能保护器、结构分析、微控制器、互感器

引言

电机在运行状态下可能会出现各种故障，这与工作环境、使用方法和维护周期密切相关。特别是在煤矿地下，由于地下环境恶劣，电机长期暴露在煤尘、潮湿等恶劣环境中，容易导致电机散热道堵塞，电机经常烧毁。因此，电机智能综合保护器的设计非常重要。

一电机智能综合保护器结构分析

矿用电机智能综合保护器系统是指通过电流互感器和电压互感器变压煤矿地下电网供电系统，通过信号调节电路和信号采集电路(A／D转换电路)，最后转换为微控制器能识别的数字信号；通过编程微控制器，处理收集到的信号，判断电机当前状态；通过判断状态，通过电机保护控制电路实现电机的保护和控制。

二保护器工作状态分析

1漏电保护

煤矿地下电机及其供电线路常见的漏电故障有：

（1）由于长期暴露在潮湿的环境中，电机或供电线路的绝缘电阻下降，流向地球的对地电流增大，从而给电机和电气设备的外壳带电。

（2）电机或供电线路带电体部分暴露，导致未高度重视的地下人员意外接触，通过导体工具直接或间接接地，造成漏电事故。

（3）由于长期老化、电压击穿或机械损坏，电机或供电线路的绝缘部分发生一相中的金属接地或弧光接地。

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经这些电流的时间长短有关。一般来说，当人体触摸一相导线而不考虑电网电容时，30ma允许通过人体的最大触电电流，即30ma以下不会造成生命危险。660V地下引爆气体的安全火花电流小于50ma。因此，漏电安全的临界电流值应为30ma。

在忽略电网对地分布电容的情况下，在中性点不接地系统中人体触电电流的计算公式中:Ir是通过人体的电流，单位是A；E是供电电路的相电压，单位为V；r为供电电路各相对地绝缘电阻值，单位为Ω；Rr为人体电阻值，单位为人体电阻值，单位为人体电阻值，单位为Ω，煤矿井下一般按zui低值为1kΩ计算。

对于煤矿地下中性点不接地系统，漏电电流通常很小，难以区分故障。因此，需要添加接地检测电源E，如图1所示。将附加的DC检测电源E连接到三相系统中。如果系统发生泄漏，则电流将根据电源的正极→电网对地绝缘电阻→三相电网系统→电源负极流向运行。由于单回路系统和电流不变，采样电阻R两端的电压U尺寸通过漏电保护电路检测，间接了解电网对地绝缘电阻值的变化，检测电网是否漏电。该方法称为附加直流电源漏电保护法。

图1附加直流电源漏电保护

漏电锁也是一种重要的漏电保护方法。顾名思义，漏电锁是指检测到线路漏电时，需要关闭开关，防止人员发电后因漏电而发生事故。当三相系统不通电时，可以通过附加直流电源检测到电网对地绝缘电阻值的变化，从而判断是否发生漏电。三相电网未通电时，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连接到系统。如果发生漏电，电压U会发生变化，从而触发漏电保护电路的动作，达到漏电锁保护的目的。

图2附加直流电源漏电闭锁

2过载保护

常见的电机运行方式主要有三种:长时间运行、短时间运行和重复短时间运行。在这三种运行方式下，电机的加热情况是不同的。因此，同一台电机在短时间运行或重复短时间运行时，可以允许大输出短时间过载，而电机在长时间运行时不能长时间过载。为了保证电机的长期稳定运行，短时间过载不会停止运行，这就要求电机具备一定的过载能力。异步电机的过载能力通常用最大扭矩Mm除以额定扭矩MH获得的商业KM来表示，中小型电机的KM＝1．6~1．8、中大型电机的KM＝1．8~2．5、有特殊要求的电机KM可达到2．0~3．0或更大。

在这里，电机过载保护特性通常被定义为：电机过载倍数与其过载保护动作时间之间的关系。如图3所示，电机过载保护特性曲线。

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有一个共同的特点，即电机只能在保护特性曲线的左侧正常工作，曲线1、2、3与曲线4之间的每个区域都是无效区域，即该区域不能得到充分利用。曲线3是上述三种曲线中zui接近曲线4的，即反时限过载保护特性效果好。

反时限过载保护的过载倍数是故障电流大小与过载保护的动作时间成反比，电流大小决定了动作时间的趋势。因此，电机过载的整定时间应为电流值的一定倍数下的动作时间。

电机过载运行状态是指当运行电流大于额定电流时，电机过载会导致电机铜消耗急剧增加，使电机绕组加热导致电机烧毁，间接检测电机运行电流判断电机加热，实现电机过载保护。由于该方法检测对象为电流，能适应所有电气负荷，调整灵活，维护方便，应用广泛。因此，在本设计中，根据煤矿地下情况选择C＝2时极度反时限过载保护方法保护电机。

3短路保护

由于电机短路故障会带来非常严重的后果，因此电机综合保护器中的短路保护应为快速断开保护。电机的启动电流通常非常大，接近短路时的电流。因此，电机的短路整定电流倍数应大于使电机稳定启动的最大电流，通常取电机额定电流的8~10倍，时限设置为避免电机启动时瞬时冲击电流的时间，一般大于0.04s。

电机运行时通常会出现堵转故障，堵转故障时通过电机的电流也很大。为了区分堵转故障电流和电机正常启动瞬间的电流，电机稳定启动的最大电流一般作为堵转保护的整定值，时限设置为电机在重载情况下通常启动的时间，一般为8~16s。电机的堵转保护和短路保护共同构成电机的短路保护。

本设计采用电流横幅保护原理，可设置短路电流保护值，以适应不同的电网等级。

三保护器选择分类

现代智能电机保护器在实际生产中还有许多功能，如回顾功能、远程通信、远程控制、多种启动方式选择等。

保护器分为：普通型、数码显示监控型、智能监控中文显示型。

四ARD系列电机保护器产品选型介绍

ARD智能电机保护器适用于额定电压至660V的低压电机电路，集保护、测量、控制、通信、运行和维护于一体。其完善的保护功能保证了电机的安全运行，具有逻辑可编程功能，可满足各种控制方法。本产品采用分体式结构，由主体、显示单元和互感器组成，可适应各种机柜的安装。可选择不同的通信模块来满足现场通信的需要。

1产品选型

五结论

本文结合煤矿井下实际情况，设计了一款矿用电动机智能综合保护器。设计方案切合实际要求，实现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，确保了系统的可靠性、准确性、抗干扰性和灵敏性。

参考文献：

[1]陈瑞利.煤矿电动机智能综合保护器工作分析[J].科技资讯, 2020(4).

[2]安科瑞企业微电网设计与应用手册.2022.05版.

[3] GB 14048.4-2020 低压开关设备和控制设备 第4-1部分：接触器和电动机起动器机电式接触器和电动机起动器(含电动机保护器).