電動機保護控制器在礦用配電上的應用

更新時間：2024-07-18

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摘要：闡述電動機（礦用）智能化綜合保護器體系的全部結構，同時解析并探索了保護器的維護準則，這些準則包括面向電動機的電壓負載較高、走電、電壓不足、短路等普遍存在的電路安全問題。

關鍵詞：電氣阻礙；電動機；智能保護器

一、引言

電動機保護年限、運行方法以及環境等問題均可能造成作業過程中的各種阻礙，使其運行過程不能得到有效的保障。電動機運行過程中常常發生毀壞以及散熱道擁塞的故障，尤其井下粉塵較多、氣體濕潤等惡劣環境更容易造成電動機故障。電動機的智能綜合保護器為解決上述問題提供了一個契機。通過考察和研究，發現電動機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、電動機（礦用）智能綜合保護器構造解析

電動機（礦用）智能綜合保護器體系的主要設計以及作用對象是煤礦井電力體系，具體操作過程是：首先分別運用電壓、電流互感器對其展開變壓操作，運用信號采集及調理電路，將其具象為數字信號，這一過程需要確保微控制器可以甄別。在完成上述操作后，要對所采集的信號進行分析和解析，通過編程操作完成對微控制器的處置，從而在電動機維護控制電路配置完善的基礎上，甄別電動機目前處于何種狀況，從而維護和保障電動機。為實現地面與煤礦井下的聯通檢查，避免由于煤礦井下實地勘察不方便造成的安全隱患問題，在電動機智能綜合保護器上應配備通信裝置，使得煤礦井下與地面上位機實現便捷通信，同時設計電動機報警界面并配備電動機實時狀態，以達到人機交互的良好效果。最后，為使電動機與不同電網電壓等級相適宜，應在保護器上增添按鍵調節選項。

三、保護器工作狀態分析

3.1漏電保護

煤礦井下電動機及其供電線路常見的漏電故障有以下幾種。

1）電動機以及供電線路的絕緣面上出現弧光接地或金屬性接地，這是由電動機放置時間過久，電壓過強出現的穿透問題，設備及機械損壞等造成。

2）電動機或供電線路出現漏電事故。這一現象產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人員意外接觸到帶電體。還有一種觸電方式是施工作業人員接觸到導體造成其中一相接地。

3）電動機或供電線路外殼帶電造成的安全隱患。這是由于線路經常展現在濕潤的外部環境中，使得電阻減小，即相應地增大進入地面的電流。

人員觸電傷亡的主要原因是流入人體的電流較大以及經由電流的時間間隔較長所導致的。人身接觸到一根裸導線時，保證人身安全的最大電流是30mA，就是說，不超過30mA的電流經由人體不會造成人員死亡，這是基于電網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該為30mA。

在煤礦井下，一般不容易甄別出中性點不接地系統是否出現故障，這是因為它的漏電電流極小，此時需要把三相交流電源與附加直流檢測電源相互連接，如中性點不接地系統發生漏電，則電流運行方式會發生轉變，變為從電源正極、電網對地絕緣電阻、三相交流電網絡系統、電源負極的方向運轉。電網對地絕緣電阻值的浮動可以通過電保護電路檢測采樣電阻兩端電壓的值得到，單回路系統電流并未發生變化，這一過程需要增添接地的檢測電源互投器，可以Z查電網的漏電問題，被稱為附加直流電源漏電保護法。

漏電保護的另外一種方法是漏電閉鎖。漏電閉鎖是指一種能夠檢測到帶電體的設備，該設備能夠在線路漏電時，自動察覺漏電體的存在并及時關閉起電閘，避免因電流流入造成的漏電問題，從而減少安全問題的發生。

如若三相交流電體系未通電，電網對地絕緣電阻值的浮動可以運用附加直流電源的方式監測到，漏電現象可以有效地通過監測電阻值浮動減少。同時，在三相交流電網絡未通電時，接觸器觸電點在漏電保護中至關重要，這是因為接觸器主觸點自動斷開，能夠把附加直流電源對接到系統中。在發生漏電情況時，漏電閉鎖的作用同樣可以顯現出來，這是因為電壓的變動能夠激活漏電保護電路，達到漏電閉鎖的作用效果。

3.2維護電動機過載

長時間運行、短時間運行、重復短時間運行是普遍的電動機運行方式。每種運行方式對應不同的發熱狀況，在短時間運行、重復短時間運行過程中，是可以有較大輸出的電流過載；但是在長時間運行過程中，長期電流過載是不允許的。如何使得長期運行時間下電動機能夠順利進行，這便將電動機的電流過載能力置于關鍵地位。

電流值的高低影響動作時間的趨勢，具體電流值的倍數增長下的動作時間應該成為電動機過載時間的衡量方式，使得故障電流高低（反時限過載倍數）高時，過載保護的動作時間呈降低趨勢，即二者為反比關系。

為了避免電動機電流過載出現的安全問題，可以通過檢查電動機的工作電流甄別電動機的發熱狀況。當工作電流超過額定電流時，即發生了電動機電流過載的問題，這一現象增加了電動機的銅耗，造成繞組變熱進而損毀電動機，這是通過檢查電流識別發動機發熱狀況的原理。由于電流檢測相對安全便捷、能夠在所有電氣負載中使用，而且在設備損毀時維修便捷，應用廣泛。故在煤礦井下在維護電動機時應采取反時限過載保護方法，使得電動機安全、高效運行。

3.3保護短路

電流短路在發動機故障中十分常見，也會帶來嚴重的后果，故速斷保護是電動機綜合保護器的S選設置。速斷保護裝置中，短路整定電流應顯著超過電動機啟動時的電流，8～10倍，時限設置應超過0.04ｓ，這個時間間隔指的是避開啟動電動機瞬間產生的沖擊電流的時間。這是因為電動機自身啟動時的電流已經非常之大，故短路電流倍數更應明顯變大。

堵轉同樣是電動機作業過程中常見的故障之一，通常把能夠支撐電動機平穩啟動的極大電流設定為堵轉保護的整定值，以區別堵轉故障電流和正常啟動電機的電流。時間限制為8～16ｓ，這里的時間設置指電動機在承重較大時平穩啟動的時間，這是因為堵轉發生時的電流同樣接近電動機啟動時的電流。在設計中采用對電流的鑒幅式保護原理，其中可以對短路電流保護值進行設定，以適應于不同的電網等級中。

3.4對一相或多相斷開與三相電流幅值不一致的保護一相或多相斷開與三相電流幅值不一致是導致電動機損毀的重要原因，這是因為三相電流幅值不一致也就是輸入電流不對稱的狀態，會產生電動機故障。另外，在三相電流幅值不一致較為嚴重的狀態時會產生一相或多相斷開的狀況，也會使得電動機燒損，約有超過10％的電動機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機綜合保護器設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到最高值即100％時，那么需要采取對應保護措施，因為此時電路中易發生多相斷開故障。

3.5對電壓不足和電壓過高時的保護

煤礦井下保護有兩種重要的類型：對電壓不足和電壓過高時的保護。電壓過高是指超過115％額定電壓的電網電壓，推遲跳閘時間是保護器此刻采取的對應措施。電壓不足指低于額定電壓的75％的電網電壓，此時保護器采取的對應措施仍是推遲跳閘時間。為解決電動機出現的電壓過高及電壓不足問題，鑒幅式保護應運而生。它把檢測到的電網電壓值采取直流與交流電路互換的措施，并通過模數轉換器采取對應保護措施。

四、ARD系列電動機保護器產品選型介紹

ARD智能電動機保護器適用于額定電壓至660V的低壓電動機回路，集保護、測量、控制、通訊、運維于一體。其完善的保護功能確保電動機安全運行，帶有邏輯可編程功能，可以滿足多種控制方式。該產品采用分體式結構，由主體、顯示單元、互感器組成，可適應各種柜體的安裝。可選配不同通訊模塊適應現場通訊需求。

4.1、功能特點

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

■保護功能包括過載反時限、過載定時限、接地、起動超時、漏電、欠載、斷相、堵轉、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時間、外部故障、起動次數限制、運行時間報警、故障次數報警。

■9路可編程DI輸入，默認采用內置DC24V電源，也可選擇外部有源濕接點。

■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，可通過通訊總線實現主站對電動機的遙控“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系統相接，可實現對現場設備的監控。

■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。

4.2、產品選型

名稱	型號	圖片	功能
系統組態軟件	Acrel-2000M		安科瑞Acrel-2000M馬達監控系統人機界面友好，能夠以配電一次圖的形式直觀顯示電機的運行狀態，實時監測各電機PTC阻值、電壓、電流、功率、功率因數等電參數信息，動態監視各電參量，有關故障、告警等信號。
智能通信管理機	ABOX數據采集箱		壁掛安裝，支持2G/4G全網通、網口、光纖多種通訊模式。支持多種串、網口通訊協議。斷網數據保存，支持斷點續傳。支持遠程更新升級和數據實時監控，減少現場維護工作。掉電檢測功能，實時檢測電站停電狀態。高性能，支持多平臺不同協議上傳數據。支持XML/JSON格式壓縮上傳，提供AES加密及MD5身份認證等安全策略
微機保護裝置	AM6-X		相間電流速斷保護，相間X時電流速斷保護（可帶低壓閉鎖），相間過電流保護（可帶低壓閉鎖），兩段式零序過流保護，反時限相間過流保護（可帶低壓閉鎖），零序反時限過流保護，過負荷保護，控制回路異常告警。
智能操控裝置	ASD500		一次回路模擬圖及開關狀態指示，高壓帶電顯示及核相，自動溫濕度控制，加熱回路故障告警，分合閘回路完好指示、分合閘回路電壓測量、預分預合閃光指示、電氣節點無線測溫，人體感應自動照明，語音提示，電參數測量及RS485通訊接口等眾多功能，集操作、顯示于一體。
低壓電動機保護器	ARD3M		智能電動機保護器（以下簡稱保護器）適用于額定電壓至660V的低壓電動機回路，集保護、測量、控制、通訊、運維于一體。其完善的保護功能確保電動機安全運行，帶有邏輯可編程功能，可以滿足多種控制方式。可選配不同通訊模塊適應現場通訊需求。該產品采用分體式結構，由主體、顯示單元、互感器組成，可適應各種柜體的安裝。具有許昌開普研究院有限公司、國家繼電保護及自動化設備質量監督檢驗中心檢測合格的型式檢驗報告證書和電磁兼容檢驗證書，產品防護等級均達到IP65，符合管廊綜合監控系統中對相關產品功能、防護等級及電磁兼容的要求。
低壓線路保護器	ALP220		具有反時限過流、低定時限過流、高定時限過流、低定時限零序、高定時限零序、反時限零序、斷相保護、電流不平衡、需量保護、聯動保護、欠壓保護、過壓保護、漏電保護等功能。
保護型互感器	AKH-0.66P		保護型互感器，測量交流電流信號
剩余電流互感器	AKH-0.66L		剩余互感器，采集剩余電流信號