电动机智能综合保护器结构分析

矿用电动机智能综合保护器的系统指的是通过电流互感器和电压互感器对煤矿井下电网供电系统进行变压，通过信号调理电路和信号采集电路(A／D转换电路)，最后转换成微控制器能够识别的数字信号；通过对微控制器进行相关编程，对采集到的信号进行处理，判断电动机当前处在什么状态；通过对该状态的判断，经由电动机保护控制电路实现对电动机的保护和控制。同时由于对煤矿井下电动机的现场巡检并不是很方便，在此设计的电动机智能综合保护器还要加上与井上上位机通信的功能。为方便就地检查，同样需要在保护器上设置电动机状态显示与报警界面，实现良好的人机交互，同时应加上按键调节功能以适应不同电网电压等级下对电动机不同的要求。

二、保护器工作状态分析

2.1 漏电保护

   煤矿井下电动机及其供电线路常见的漏电故障有：

(1)电动机或者供电线路因长期暴露在潮湿环境中，导致其绝缘电阻下降，流向大地的对地电流增大，从而使电动机及电气设备外壳带电。

(2)电动机或者供电线路带电体发生部分裸露现象，致使未受到高度重视的井下人员误触到该处，直接或者间接通过导体工具而致使其中一相接地，造成漏电事故。

(3)电动机或者供电线路绝缘部分因为久置老化、电压性击穿或者机械损坏等原因而发生一相中的金属性接地或弧光接地。

   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过这些电流时间长短有关系。一般在不考虑电网电容情况下，人体触到一相导线时，30mA为允许通过人体的最大触电电流，即30mA以下不至于发生生命危险。井下在660V时引爆瓦斯的安全火花电流为50mA以下。所以，漏电安全临界电流值应该为30mA。

   在忽略电网对地分布电容情况下，对于中性点不接地系统中人体触电电流计算公式中：Ir为通过人体的电流，单位为A；E为供电电路的相电压，单位为V；r为供电电路每相的对地绝缘电阻值，单位为Ω；Rr为人体电阻值，单位为Ω，在煤矿井下一般按照值为1kΩ计算。

   对于煤矿井下中性点不接地系统，通常其漏电电流非常小，不易区分故障与否，因此需要添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接入三相系统，如果系统出现漏电现象，那么电流将按照电源正极→电网对地绝缘电阻→三相电网系统→电源负极流向来运行，由于单回路系统，电流不变，因此通过漏电保护电路检测采样电阻R两端的电压U的大小从而可以间接知道电网对地绝缘电阻阻值的变化，进而可以检测到电网是否发生漏电现象。这种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

   漏电闭锁同样是一种重要的漏电保护方法，顾名思义，漏电闭锁是指当检测到线路发生漏电时，需要闭锁住电闸，防止人员送电之后因漏电而发生事故。当三相系统未通电情况下，通过附加直流电源方法可以检测到电网对地绝缘电阻阻值的变化，从而判断是否发生漏电现象。在三相电网未通电情况下，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 附加直流电源漏电闭锁

2.2过载保护

   常见的电动机运行方式主要有长时间运行、短时间运行及重复短时间运行三种，在这三种运行方式下，电动机的发热情况各不相同。因此，同一台电动机按短时间运行方式或者重复短时间运行方式使用时可以允许有较大的输出，即可短暂地过载，而采用长时间运行方式时电动机不可长期过载运行。为了确保电动机长期稳定运行，不会因为短时间的过载而发生停止运行的现象，这就要求电动机要有一定的过载能力。异步电动机的过载能力通常用最大力矩Mm除以额定力矩MH得到的商KM来表示，中小型电动机的KM＝1．6~1．8，中型及大型电动机的KM＝1．8~2．5，有特殊要求的电动机KM可以达到2．0~3．0或更大。

   在这里，通常将电动机过载保护特性定义为：电动机的过载倍数与其过载保护动作时间之间的关系。如图3所示为电动机的过载保护特性曲线。