电机保护器的硬件设计

发展及研究现状：一．元器件简介。热继电器在电子业尚不发达的时代曾是电动机过载保护的首选产品，但因其存在一定的缺陷，包括整定粗糙、受环境影响大、重复性差、误差大及功能单一等，已无法满足越来越高的要求，因而也就无法避免被淘汰的命运。熔断器作为电动机的过载保护是一种不科学的做法，因为首先受其规格限制无法按电动机额定电流进行准确设定，况且如果熔断器规格选得太小容易造成断路，使电动机单相运行，如果熔断器规格选得太大，则达不到过载保护的效果。电流继电器具有过载、堵转保护功能，有的还有缺相保护，其过载保护具有反时限特性，但其结构复杂，机械制造精度高，价格高且体积庞大，因而目前己被基本淘汰。二．基于模拟电子式电动机保护器的掘进机保护装置在上个世纪八十年代，半导体模拟器件逐渐兴起并普及，随之出现了性能较可靠、功能多样化的模拟电子式电动机保护器。EBZ100型掘进机就是IMM国际煤矿机械有限公司在这个时期开发生产的产品，其电气保护系统功能如下所述：EBZ100型掘进机将负荷开关闭合时，设备工作照明灯将点亮，漏电闭锁装置对两个回路的电机电路同时进行漏电监测，同时低压漏电检测装置也将对36V电路进行漏电检测，另外，该设备装有瓦斯断电仪和甲烷传感器，如瓦斯浓度超标，瓦斯断电仪将动作，使设备不能启动。电动机在运行中如有短路、过载和断相等故障时，电动机综合保护器的控制触点断开，与之对应的电机停止运转并不能重新起动。故障排除后，按下电动机综合保护器的复位按钮，故障指示灯熄灭，电机方可重新启动和运行。虽然模拟电子式电动机保护器运行可靠，但这类产品仍存在一些无法克服的缺陷，包括如下几个方面:1.整定精度不高，模拟电子式电动机保护器均采用电位器进行额定电流的整定，然而要使电位器滑动臂的旋转角度与其阻值成较好的线形关系比较困难。2.采样精度不高，模拟线路对电流互感器的非线性问题束手无策，因而大部分厂家只好将非线性问题依赖于提高电流互感器的线性，而实际使电流互感器在很宽的范围内保持线性是非常困难的，另外，采样线路本身也存在非线性问题。3.无法实现具有多功能的全保护，社会的不断进步促使人们对电动机保护的要求也越来越高，希望保护器的功能多样化，性能可靠，接线简单，界面直观且体积要小，然而这些纯模拟线路是无法办到的。三．基于数字电子式电动机保护器的掘进机保护装置近些年来，由于单片机技术的不断发展，出现了以单片机为核心的电动机保护器，这类保护装置可实现电动机的智能化综合保护。EBZ100E型掘进机就是IMM国际煤矿机械有限公司利用这种技术开发的产品，其电气保护系统如下所述：EBZ100E型掘进机电气控制系统以可编程序控制器和数字电子式电动机保护器为核心，对截割、油泵、二运三个电机的过压、欠压、过温、过载、过流、三相平衡状态、电机及其电缆的绝缘状态（漏电闭锁）进行监控和保护、并具有瓦斯监控和低压漏电保护功能。控制系统具有程序控制、可靠性高、抗震动、抗干扰等特点。1.主回路：主回路主要是由负荷开关熔断器组TQ，真空接触器KV1~KV3；阻容吸收器FV1~FV3；以及电流互感器CT1~CT9组成。负荷开关作为电源开关，当其闭合时主回路各接触器上端得电。电流互感器CT1~CT9取各回路电流作为采样信号，通过电流互感器转换成电压信号后送掘进机综合保护器，若有故障对各电机给以保护，并通过显示窗口显示出来故障原因，正常时显示运行状态等参数。2.控制回路电路的组成：控制回路是以可编程序控制器为核心，它接受转换开关、急停按钮的信号，通过内部程序控制继电器输出接口，实现各电机启动和停止。同时接受瓦斯传感器及综合保护器的信号，通过程序实现整个电气系统的保护功能。为了增强系统可靠性，在控制回路中增设了漏检接触器LJ及中间继电器KA1~KA7，漏检接触器能有效将主回路高电压隔离。数字电子式电动机保护器在采样和整定精度方面做的很好，可对采样信号进行软件非线性校正，并可实现真有效值计算，真正做到了高精度采样。在整定方面采用数字设定，可以通过键盘现场设定，还可为过载保护设置反时限曲线。研制出了集保护、通讯控制于一体的多功能电动机保护器，对电动机发生断相、过载、短路、欠压、过压和漏电等故障实现保护，还具有电流电压显示，时间控制，软件自诊断，来电自恢复，自启动顺序，故障记忆，自琐和远传报警，显示故障时的电流、电压故障前后用声光示警，配置RS485通讯接口。随着微电子技术的发展，电动机保护器正朝着智能化，综合化，高精度，高可靠方向发展。基于微处理器或其它数字电路构成的新型微机保护装置，其与传统的保护装置相比具有以下优点:①具有计算、分析和逻辑判断能力和存储记忆功能，可以连续地进行自检，受环境因素的影响小，可靠性高;采用软件编程，可用同一硬件实现不同的保护原理。②具有故障记录、故障分析、交换信息等辅助功能，方便了对事故分析和处理。③通过网络实现与其他设备间的数据交换，为建立综合自动化保护系统提供帮助。④调试维护方便，缩短维修时间，并且可在现场修改保护功能及参数。(4)基于PLC及其辅助模块的掘进机保护装置PLC取代了传统的继电器控制，因其在性能上比继电器控制逻辑优异，特别是可靠性高、设计施工周期短、调试修改方便、而且体积小、功耗低、使用维护方便。EBZ55型掘进机就是IMM国际煤矿机械有限公司利用PLC技术开发生产的产品，其电气保护系统如下所述：整个电控系统以可编程控制器（PLC）及其模拟量输入单元为核心，对各电动机过压、欠压、短路、超温、过载、过流、三相不平衡、电机绝缘、系统高低压漏电等进行监控和保护，并通过液晶显示屏动态显示各电机运行状态、工作电压、截割电机负荷、故障信息等。EBZ55掘进机整个电气系统具有设计理念新、电气元件配置高、可靠性强、保护功能齐全、显示功能强大等特点。SIMATICS7-200系列PLC是由西门子公司生产的小型PLC，其特点是:SIMATICS7-200系列PLC适用于各行各业，各种场合中的检测，监测及控制的自动化，S7-200系列的强大功能使得其无论在独立运行中，或相连成网络皆能实现复杂控制功能，因此S7-200系列具有极高的性价比。S7-200CPU224集成14输入/10输出共24个数字量I/O点,可连接7个扩展模块，最大扩展至168路数字量I/O点或35路模拟量I/O点；13K字节程序和数据存储空间；6个独立的30KHz高速计数器，2路独立的20KHz高速脉冲输出，具有PID控制器；1个RS485通讯/编程口，具有PPI通讯协议、MPI通讯协议和自由方式通讯能力；I/O端子排可以很容易地整体拆卸，是具有较强控制能力的控制器。随着计算机技术、网络技术、通讯技术的飞速发展，极大地促进了微机继电保护系统的发展，其保护功能日趋完善，速度与可靠性越来越高。目前微机型继电保护装置正逐步取代其它形式的保护装置，成为掘进机综合保护装置的主要形式与发展方向。同所有的产品一样，掘进机综合保护装置经历了由低级到高级、由简单到复杂逐渐科学完善的发展过程，在这个过程中一批批技术人员倾注了大量的热情与心血。虽然掘进机保护装置已发展到了微电子时代，但掘进机保护的课题将永远不会停止，仍然需要我们百倍努力，仍有大量的工作等着我们去做。研究内容：保护装置采用完全集成的混合信号系统级芯片8051F020微处理器作为电动机的保护的核心，增加了粘连高压漏电检测模块、低压漏电与温度检测模块、瓦斯检测模块和运行故障显示表头。同时具有基于8051单片机的人机操作界面，和主CPU部分用RS-232进行连接。电机保护装置的常见保护形式：掘进机的综合保护主要是对电动机的保护，矿用隔爆型三相异步电动机是掘进机电气系统的主要组成部分，它与液压系统配合操作，可自如的实现整机的各种生产作业。作为电气主设备，电动机的运行正常与否，直接关系整机的性能，所以要高度重视，除了对电机的保护外，掘进机还有很多极其重要的保护形式。现对掘进机常见故障和矿井下的实际需要投入的主要的保护形式介绍如下：1.瓦斯闭锁保护:当瓦斯检测仪测得的瓦斯含量达到1%时报警,达到1.5%时，保护装置通过程序停前级电源。2.粘连保护:开机前和停机后保护装置检测真空接触器的主触点是否断开。3.漏电闭锁:当掘进机电气系统主电路单相对地绝缘电阻值降到规定值以下时电机不能启动。（参考值AC1140V为40KΩ，AC660V为22KΩ）4.低压漏电保护：当AC220V、AC120V、AC24V低压线路对地绝缘降低到规定值时保护动作，显示220V漏电、120V漏电或24V漏电。（参考值AC220V为5KΩ，AC120V为3KΩ，AC24V为2KΩ）5.电机温度保护:由于冷却系统故障或环境温度过高，油泵和截割电机绕组温度达到155℃时，埋在电机定子绕组中的温度继电器动作，保护装置通过程序控制油泵或截割电机停止运转电机冷却后自动复位。对应热敏电阻阻值为1.8KΩ～2KΩ。6.门闭锁保护:矿用掘进机的电气系统开关箱左右门上均有门闭锁行程开关,保证只有门关严后才能送电开机，防止井下的违章作业。7.联锁保护:只有矿用掘进机的油泵电机起动后才能起动其他电机,油泵电机起动后,截割电机才能起动“报警”,截割电机报警5～10秒后才能起动截割电机。8.对称故障保护:对称故障主要有对称过载、堵转、对称稳态短路等，这类故障对电动机的损害主要是由于电流增大所引起的热效应和机械应力，使绕组发热甚至损坏。9.不对称故障保护:电动机的不对称故障主要有断相、相间短路、匝间短路、不平衡运行、接地短路等。不对称故障对电动机的损害不仅仅是电流增加引起的发热，更重要的是不对称引起负序效应给电动机运行带来的隐患。因此，电动机运行缺陷的早期诊断是非常重要的。以上掘进机的微机保护主要通过测量电量(电流、电压以及开关状态等)来监测机器的运行状况，其中瓦斯检测、粘连漏电检测、门锁检测属于闭锁保护，同时瓦斯保护又属于监测保护，即在机器运行的过程中发现瓦斯超限可以及时切断前级电源，具体的保护方法在第4章进行详细的介绍。下面主要集中阐述对电机的保护，引起矿用隔爆型三相异步电动机的常见故障可分为对称故障和不对称故障两大类［9，10］。对称故障的主要特征是发生故障时三相仍基本对称，只是电流幅值增大，所引起的热效应在散热条件差的情况下特别容易烧坏电机。因此，对称故障可以由电流过流程度来反映，所以仍然以电流强度作为故障判据。不对称故障其实是电动机运行中比较常见的故障，故障之初并没有出现明显的电流增大，如果处理不及时会导致事故扩大，引发电动机机端过热、转子及起动力矩降低等问题，严重的损坏了电动机。不对称故障对电动机的损害主要是负序电流引起的负序效应，如果有过电流出现，还会使绕组发热，此类故障明显特征是电动机定子电流出现负序电流和零序电流。传统的电子型保护装置都是通过三相电流的过流程度来反映电机的故障特征的，但这类保护装置存在很多问题，原因是这类保护只能检测电机发生的对称故障，对于不出现明显的电流增加的不对称故障却不能够及时的作出判断[30,31]。本文针对传统的保护装置存在的问题，利用对称分量法，增加了不对称故障的检测，即通过对各相电流的计算分解出负序电流分量和零序电流分量，用来作为发生不对称故障的故障判据，从而实现电动机全面的综合保护。保护装置的硬件设计：4保护装置的硬件设计掘进机综合保护装置的硬件是实现各种功能的载体。硬件设计要求尽量简单，保证运行可靠。本保护装置实物如图4.1所示，控制核心采用C8051F020单片微处理器。其外围电路主要由开关量输入/输出回路、供电电源电路、NLD检测模块电路、低压漏电和温度检测模块电路、瓦斯闭锁保护电路、键盘和显示器接口电路、故障指示灯和报警电路、故障执行控制电路以及RS-232通信接口电路等组成。图4.1掘进机综合保护装置实物图硬件的基本工作原理是:用电流、电压互感器实时检测电动机的三相线电压和线电流；用粘连漏电检测电路检测真空接触器的管漏电、触头的粘连和电机的绝缘检测；用低压漏电检测电路检测电铃和照明灯漏电；用瓦斯断电仪和甲烷传感器监测矿井下的瓦斯浓度，此外还有电机温度，液位、油温、位移等传