智能型电机综合保护器（智能电动机综合保护器说明书）

摘要：介绍了矿用电机智能综合保护系统的总体结构。它采用直接对交流信号进行整流、滤波、调理、采样的方法，将其转变为单片机可以识别的直流信号。通过对单片机采集的直流信号进行分析，进行信号编程判断，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讯。同时还介绍了矿井下电机的常见故障、产生原因以及判断这些故障所采用的检测和保护方法。

关键词：电动机；智能保护器；结构分析；微控制器；变压器。

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介绍

电机在运行过程中可能会出现各种故障，这与工作环境、使用方式、维护周期等因素密切相关。特别是在煤矿井下，由于井下环境恶劣，电机长期暴露在煤尘、潮湿等恶劣环境中，很容易导致电机散热通道堵塞等，常常造成电机烧完。因此，电机智能综合保护器的设计非常重要。

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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、电压互感器对煤矿井下供电系统进行改造，最后通过信号调理电路和信号采集电路（A/D转换电路）转换成微电压。控制器可以识别的数字信号；通过对微控制器进行编程，对采集到的信号进行处理以确定电机的当前状态；通过判断状态，通过电机保护控制电路对电机进行保护。和控制。同时，由于煤矿井下电机现场检查不太方便，这里设计的智能综合电机保护器还具有与矿井上方上位机通讯的功能。为了方便现场检查，还需要在保护器上设置电机状态显示和报警界面，实现良好的人机交互。同时应增加按钮调节功能，以适应不同电网电压等级下对电机的不同要求。

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保护器工作状态分析

2.1 漏电保护

煤矿井下电机及其供电线路常见的漏电故障有：

(1)由于电机或供电线路长期暴露在潮湿的环境中，其绝缘电阻下降，流向大地的接地电流增大，从而使电机和电气设备外壳带电。

(2)电机或供电线路的带电部分部分裸露，导致井下人员不高度注意不慎触及该处，造成一相直接或通过导线工具间接接地，造成漏电事故。

(3)由于电机或供电线路的绝缘部分长期老化、电压击穿或机械损坏，出现一相金属接地或电弧接地。

触电造成人身伤害或死亡的风险主要与流过人体的触电电流以及这些电流流动的时间长短有关。一般在不考虑栅极电容的情况下，当人体接触相导体时，30mA是允许通过人体的最大触电电流，即30mA以下的生命不会有危险。 660V 下引爆地下瓦斯的安全火花电流低于50mA。因此，漏电安全临界电流值应为30mA。

在忽略电网对地分布电容的情况下，中性点不接地系统中人体触电电流的计算公式： Ir为通过人体的电流，单位为A； E为电源电路相电压，V； r为电源电路各相对地绝缘电阻值，单位为； Rr是人体的电阻值，单位为。在煤矿井下，一般按最小值1k计算。

对于煤矿中性点不接地系统，漏电流通常很小，很难区分是否有故障。因此，需要增加一个接地的检测电源E，如图1所示。将附加的直流检测电源E连接到三相系统中。如果系统出现漏电，电流的流向将是电源正极电网对地绝缘电阻三相电网系统电源负极。由于是单回路系统，电流不会，因此，通过漏电保护电路检测采样电阻R两端的电压U，可以间接得知电网对地绝缘电阻的变化，进而可检测电网是否发生漏电。这种方法称为附加直流漏电保护法。

图1 附加直流漏电保护

漏电闭锁也是一种重要的漏电保护方法。漏电闭锁顾名思义就是当检测到线路有漏电时，人员送电后需要将开关锁定，防止漏电造成事故。当三相系统不通电时，可以通过添加直流电源来检测电网对地绝缘电阻的变化，从而判断是否发生漏电。当三相电网不通电时，如图2所示，接触器KM的主触头断开，接触器KM的常闭触头将附加直流电源接入系统。如果发生漏电，则电压U发生变化，从而触发漏电保护电路动作，达到漏电闭锁保护的目的。

图2 附加直流漏电锁定

2.2 过载保护

常见的电机运行方式有长期运行、短时运行和重复短时运行等。在这三种工作模式下，电机的发热情况是不同的。因此，同一台电机在短时运行模式或重复短时运行模式时，可以允许有较大的输出，即可以短暂过载，但在使用长期运行模式时，电机不能长时间过载。为了保证电机长期稳定运行，防止因短期过载而停机，电机必须具有一定的过载能力。异步电动机的过载能力通常用最大转矩Mm除以额定转矩MH所得的商KM来表示。中小型电机KM=1.6~1.8，中大型电机KM=1.8~2.5，有特殊要求的电机KM可达到2.0~3.0或更大。

这里，电机过载保护特性通常定义为：电机的过载倍数与其过载保护动作时间的关系。图3为电机的过载保护特性曲线。

图3 电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，就是电机只有在保护特性曲线的左侧才能正常工作。曲线1、2、3和曲线4之间的区域为无效区域，即该区域不能被充分利用。上述3条曲线中，曲线3与曲线4最接近，即反时限过载保护特性效果最好。

反时限过载保护的过载倍数，即故障电流的大小，与过载保护的动作时间成反比。电流的大小决定了动作时间的趋势。因此，电机的过载整定时间应为某一电流值的一定倍数时的动作时间。

电动机的过载运行状态是指运行电流大于额定电流时的运行状态。当电机过载时，电机的铜损会急剧增加，导致电机绕组发热，导致电机烧毁。因此，可以间接检测电机的工作电流。判断电机的发热情况，实现电机过载保护。由于该方法的检测对象是电流，可以适应所有用电负载，且调节灵活、易于维护，因此得到了广泛的应用。因此，本设计根据煤矿井下情况，选择C=2时的极端反时限过载保护方法来保护电机。

2.3 短路保护

由于电机出现短路故障会造成非常严重的后果，因此电机综合保护器中的短路保护应采用速断保护。电机的启动电流往往很大，接近短路时的电流。因此，电机的短路整定电流倍数应大于电机稳定启动的最大电流。通常为电机额定电流的810倍。时间限制设置为避免电机启动时产生瞬时冲击电流的时间。这个时间一般大于0.04s。

电机运行时，常常会出现堵转故障。当发生堵转故障时，流过电机的电流也很大。为了区分堵转故障电流与电机正常启动瞬间的电流，一般采用电机稳定启动的最大电流作为堵转故障。设置旋转保护的整定值，并将时限设置为电机通常重载启动的时间。该时间一般为8~16s。电机的堵转保护和短路保护共同构成了电机的短路保护。

本设计采用电流幅值保护原理，可设置短路电流保护值，以适应不同电网等级。

2.4 断相及三相不平衡保护

电机烧毁的另一个原因是三相不平衡。严重的三相不平衡可能会导致断相。 10%以上的电机烧毁都是由这两个原因造成的。在制作综合电机保护器时，必须考虑这两种情况。广义上讲，当电机绕组上的输入电流达到一定程度的不对称时，即为三相不平衡状态。这就是所谓的故障状态。更严重的电机绕组电流不对称状态是电机的缺相运行状态。

三相不平衡或断相会增加变压器和电力传输的铜损。三相不平衡电流对系统铜损的影响为：

假设R是电机系统三相电路与变压器绕组之间的电阻之和。如果三相电流平衡，假设IA=10A，IB=10A，IC=10A，则总铜损为102R+102R+102R=300R；如果三相电流不平衡，假设IA=5A，IB=10A，IC=15A，那么总铜损为52R+102R+152R=350R，比平衡状态下的铜损增加了50R ，增幅为17%；严重的话就是破损。一相情况下，假设IA=15A，IB=0A，IC=15A，那么总铜损为152R+0+152R=450R，是平衡状态铜损的1.5倍；最严重的情况就是两根线断了。相位条件下，假设IA=0A，IB=0A，IC=30A，则总铜损为0+0+302R=900R，是平衡状态铜损的三倍。可见，三相不平衡或断相都会对电机造成相当大的损害，检测至关重要。

当三相电流平衡时，三相电流的值相等。当它们不平衡时，每个相位都会发生相应的变化。本设计中，根据上述原理，通过式（3）的计算方法确定三相电流的不平衡度。

Imax-Imin公式中：为三相电流不平衡度； Imax为三相线电流中的最大电流值； Imin是三相线电流中的最小电流值。

因此，根据式（3）计算出的不平衡程度可以用来判断三相不平衡程度。当计算结果为100%时，说明电路发生断相，应立即采取相应的保护动作。 2.5 欠压、过压保护欠压、过压保护是煤矿井下不可缺少的保护类型之一。当电网电压下降到额定电压的75%时，称为欠电压。此时保护器保护电机并延时跳闸。同样，当电网电压超过额定电压的115%时，称为过电压。这是时间保护器保护电机并延迟跳闸。采用振幅检测保护原理，对电机进行欠压、过压保护。幅值检测保护的原理是指对采集到的电网电压参数进行整流滤波，判断A/D转换器的结果后执行相应的延时保护动作。

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保护器选型分类

现代智能电机保护器还具备实际生产中需要的多种功能，如复核功能、远程通讯、远程控制、多种启动方式选择等。

保护器分为类型：通用型、数显监控型、智能监控中文显示型。

3.1 通用型

结构比较简单，主要作用是突出过载、缺相（三相不平衡）、堵转等故障保护。故障类型通过指示灯显示。

3.2 数显监控型

数显监控保护器，内部电路采用单片机和数码管作为显示窗口。是一种集保护、测量、通讯、显示于一体的智能综合保护。整定电流采用数字设定，用户可自行修改各项参数。

3.3 智能监控中文显示控制型

智能汉字显示屏更适合家庭使用，功能比其他类型更齐全。该类型产品直接在操作面板单元上显示各种参数、状态和信息，采用中文液晶显示屏，使界面更加直观、醒目，并支持远程计算机通讯功能。有多种启动方式可供选择，并有存储和回顾功能，为后期维护和维修提供数据依据。

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选择保护器时的注意事项

选择保护器时，还应考虑以下因素：

(1)电机主要参数：主要是功率、电压、电流、频率，为选型提供依据。

(2)使用环境因素的影响：主要指温度、湿度、污染等。

(3)电机使用方向：指拖动机械设备的要求。

(4)控制系统：控制方式包括手动和自动程序操作。启动方式有直接式、降压式、星三角式、频敏变阻器、变频器、软启动等多种启动方式。

(5)安装要求：选择时必须考虑安装空间的大小，留有足够的余量，以利于散热、接线、维护、检查。

(6)灵敏度要求：无论是带载还是空载启动，无论是满载还是逐渐加载，要点是考虑启动瞬间电流值与额定电流值之间的时间差当前设置。

(7)其他方面：如生产现场电机位置的随机性、启停频率等。

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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、通讯、运维于一体。其完善的保护功能保证了电机的安全运行，并具有逻辑可编程功能，可满足多种控制方式。该产品采用分体式结构，由主体、显示单元、变压器组成，可适应各种机柜的安装。可选配不同的通讯模块，满足现场通讯需求。

5.1.功能特点

支持基波和全波功率参数测量（U、I、P、Q、S、PF、F、EP、EQ）、电流及电流不平衡度、电流正序、负序、零序分量、电压、三相相电压相角、剩余电流。

保护功能有过载反时限、过载时限、接地、启动超时、漏电、欠载、断相、堵转、堵转、短路、过流、不平衡（电流、电压）、过功率、欠功率、过压、欠压、相序、温度、tE时间、外部故障、启动次数限制、运行时间报警、故障报警次数。

9路可编程DI输入，默认内置DC24V电源，也可选配外部有源湿接点。

5路可编程DO输出，满足直接启动、星三角启动、自耦变压器启动等多种启动方式。主站可通过通讯总线实现对电机的远程控制“启/停”。

可选防触电功能：支持触电立即重启和失压重启。

可选配MODBUS_RTU通讯和PROFIBUSDP通讯，最多支持2个通讯接口。

可选配DC4-20mA模拟量输出接口，可连接DCS系统，对现场设备进行监控。

具有故障记录、启动记录、停车记录、DI位移记录、重启记录等多种事件记录。

显示界面为LCD，支持中英文切换。

5.2.产品选型

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综上所述

本文结合煤矿实际情况，设计了一种矿用电机智能综合保护器。设计方案满足实际要求，实现了电网出现漏电、欠压、过压、三相不平衡、缺相、过载、短路等故障情况时电机的检测和保护功能，保证了电网的正常运行。系统的可靠性和准确性。性能、抗干扰性和灵敏度。