2.1 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：

(1)電動機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，從而使電動機及電氣設(shè)備外殼帶電。

(2)電動機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)電動機或者供電線路絕緣部分因為久置老化、電壓性擊穿或者機械損壞等原因而發(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主要與流經(jīng)人身的觸電電流和流過這些電流時間長短有關(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，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。井下在660V時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，對于中性點不接地系統(tǒng)中人體觸電電流計算公式中：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計算。

對于煤礦井下中性點不接地系統(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)極流向來運行，由于單回路系統(tǒng)，電流不變，因此通過漏電保護電路檢測采樣電阻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法。

圖1 附加直流電源漏電保護

漏電閉鎖同樣是一種重要的漏電保護方法，顧名思義，漏電閉鎖是指當(dāng)檢測到線路發(fā)生漏電時，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主觸點斷開，接觸器KM常閉觸點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)漏電保護電路動作，達(dá)到漏電閉鎖保護的目的。

圖2 附加直流電源漏電閉鎖

2.2過載保護

常見的電動機運行方式主要有長時間運行、短時間運行及重復(fù)短時間運行三種，在這三種運行方式下，電動機的發(fā)熱情況各不相同。因此，同一臺電動機按短時間運行方式或者重復(fù)短時間運行方式使用時可以允許有較大的輸出，即可短暫地過載，而采用長時間運行方式時電動機不可長期過載運行。為了確保電動機長期穩(wěn)定運行，不會因為短時間的過載而發(fā)生停止運行的現(xiàn)象，這就要求電動機要有一定的過載能力。異步電動機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，中小型電動機的KM＝1．6~1．8，中型及大型電動機的KM＝1．8~2．5，有特殊要求的電動機KM可以達(dá)到2．0~3．0或更大。

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

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擁有一個共同的特點就是，電動機只能在保護特性曲線的左側(cè)正常工作，曲線1、2、3中的每一條與曲線4之間的區(qū)域為無效區(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，也就是反時限過載保護特性。

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

電動機過載運行狀態(tài)指的是當(dāng)其運行電流大于額定電流時的工作狀態(tài)，電動機過載時會引起電動機的銅耗急劇增加，從而使得電動機的繞組發(fā)熱導(dǎo)致電動機燒損，因此可以間接檢測電動機的運行電流來判斷電動機的發(fā)熱情況，實現(xiàn)電動機過載的保護。因為這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)計中，根據(jù)煤礦井下情況，選用C＝2時的極度反時限過載保護方法對電動機進(jìn)行保護。

2.3短路保護

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

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

在本設(shè)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(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

引起電動機燒損的另一個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％以上燒損的電動機是由這兩種原因引起的，在做電動機綜合保護器時，這兩種情況必須考慮。從廣義上來說，電動機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)重的電動機繞組電流不對稱狀態(tài)就是電動機的斷相運行狀態(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)時銅損的3倍。由此可見，三相不平衡或者斷相對電動機的損壞是相當(dāng)大的，對其進(jìn)行檢測。

當(dāng)三相電流平衡時，三相電流的值是相等的，當(dāng)不平衡時，每相將會發(fā)生相應(yīng)變化。本設(shè)計中，根據(jù)以上原理通過式(3)計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)計算出的不平衡度可以判斷三相不平衡的程度，當(dāng)計算結(jié)果為100％時，則說明電路中已經(jīng)發(fā)生斷相故障，此時應(yīng)該立即執(zhí)行相應(yīng)保護動作。2．5欠壓和過壓保護欠壓和過壓保護是煤礦井下必*保護類型之一。當(dāng)電網(wǎng)電壓下降到額定電壓的75％時即被稱為欠壓，此時保護器對電動機進(jìn)行保護延時跳閘；同樣，當(dāng)電網(wǎng)電壓超過115％的額定電壓時即被稱為過壓，此時保護器對電動機進(jìn)行保護延時跳閘。采用鑒幅式保護原理對電動機進(jìn)行欠壓和過壓保護。鑒幅式保護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)延時保護動作。

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(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。可選配不同通訊模塊適應(yīng)現(xiàn)場通訊需求。

5.1、功能特點

■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(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時間、外部故障、起動次數(shù)限制、運行時間報警、故障次數(shù)報警。

■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。

■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(xiàn)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(tǒng)相接，可實現(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