煤礦綜機電氣設備故障分析及其保護問題研究

唐 楠

（神華寧夏煤業集團清水營煤礦 寧夏 靈武 751410）

0 引言

煤礦井下綜采工作面的采煤機、運輸機和調度絞車等綜采機械設備靠隔爆型異步電動機拖動，異步電動機受磁力起動器的控制。 異步電動機、磁力起動器及連接電纜等電氣設備長期運行在井下惡劣的環境中，所帶機械負荷的變化比較大且不易控制，瓦斯煤塵積聚、滴水冒頂事故等會使電氣設備絕緣強度逐漸降低，因此電氣設備故障的幾率要比其他設備高的多。

1 異步電動機故障分析

步電動機以其結構簡單、成本低廉、運行維護方便等特點，得到廣泛的應用。 要使電動機可靠、安全地運行，必須研究異步電動機有可能發生的各類故障，以及這些故障給電動機帶來的影響。

對于異步電動機來說，其故障形式主要分為繞組損壞和軸承損壞兩方面。 造成繞組損壞的主要原因有:

1.1 由于電源電壓太低使得電動機不能順利啟動， 或者短時間內重復啟動， 使得電動機因長時間的大啟動電流而過熱。

1.2 長期受電、熱、機械或化學作用，使繞組絕緣老化和損壞，形成相間或對地短路。

1.3 因機械故障造成電動機轉子堵轉。

1.4 三相電源電壓不平衡或波動太大， 或者電動機斷相運行。

1.5 冷卻系統故障或環境溫度過高。

2 電動機綜合保護方案

2.1 以序分量為基礎的電流保護

根據對稱分量法，發生不對稱故障時，電動機電流可分解為正序、負序和零序分量。 當電動機三相對稱時，負序和零序電流為零，而發生不對稱故障時負序和零序電流則會顯著增加。 因此可以在檢測電動機過流程度的同時，以序分量為基礎，檢測負序、零序電流的大小。 這樣，不但能更好地反應電動機的運行狀況， 還可以大大提高保護的靈敏度和可靠性。

若以過流信息反映短路和堵轉故障，以負序和零序電流反映各類不對稱短路和接地短路等不對稱故障，可以實施全面的電流保護。 具體方案如下:

2.1.1 設置電流速斷保護作為電動機的主保護，用于電動機內部定子繞組以及進線所發生的相間短路故障。 設置速斷保護電流定值時，要保證電動機在滿載啟動過程中短路保護可靠地不動作，即躲過電動機最大啟動電流。

2.1.2 設置堵轉保護作為電動機運行過程中短路保護的后備保護。 當保護裝置在電機運行過程中檢測到電流超過堵轉電流整定值，并達到整定時限時，堵轉保護動作，出口跳閘。 堵轉保護在電動機啟動過程中閉鎖，啟動結束后自動投入。

2.1.3 設置過負荷保護來防止電動機長時間過負荷運行，定子部分過熱而引起的損壞。 過負荷保護和速斷保護、堵轉保護互相配合，更符合電動機的實際過電流特性。

2.1.4 針對電動機的各類非接地性不對稱故障 （如斷相、逆相、三相不平衡和相間短路等），設置負序電流保護。 在整定負序電流定值時，需要注意1%的電壓不平衡會引起6%的電流不平衡。 而實際供電電源總存在一定的不對稱，即使在正常運行時，電動機也會有一定的負序電流，所以整定時必須躲過這一不平衡因素。

2.1.5 針對各種接地性短路故障，設置零序電流保護。

2.2 過負荷保護原理

2.2.1 電動機的發熱與溫升

電動機在運行時，總有一定能量損耗，損耗包括銅耗、鐵耗和機械損耗，其中銅損與電流的平方成正比，而鐵耗和機械損耗幾乎不變的，這些損耗將全部轉變成熱能，使電動機自身溫度升高，超過周圍環境溫度。 電動機溫度比環境溫度高出的值就稱為溫升。

2.2.2 傳統的反時限過負荷保護及其存在的問題

感應電動機傳統的過負荷保護大都具有反時限特性，即允許過負荷的時間與其過負荷的電流大小有關，過負荷電流的值越大，允許過負荷的時間越短。

2.2.3 電動機熱積累模型

電動機的三種不同工況，即堵轉或停止、加速、運行，對應不同的熱容限特性。 但大多數電動機的熱容限特性都可以用一條平滑的反時限曲線表示。 熱容限曲線上的點表示電動機在該工況下運行相應的電流，轉子將在對應的時間后達到熱容限。

2.3 兩段式定時限負序電流保護

電動機三相電流不對稱時，如發生斷相、逆相、匝間短路、不對稱相間短路等均會引起較大的負序電流I2。 負序電流產生的負序旋轉磁場將會在轉子回路中感生出兩倍工頻的交流電，導致轉子發熱并產生振動，危及電動機安全經濟運行。 因此有必要在電動機保護中設置負序電流保護。 該保護作為定子繞組匝間短路、斷相，逆相故障的主保護，同時可作為不對稱相間短路的后備保護。

由于電動機相對發電機而言，容量較小，因此其承受負序電流的能力比發電機強。 而且由于實際供電電源總存在一定的不對稱性，即使在正常運行時，電動機也會有一定的負序電流存在， 為了充分利用電動機承受負序電流的能力，我們采用了兩段式定時限負序電流保護，其特性接近于反時限特性，而且實現方便。

2.4 零序過流保護

由于井下電動機外殼必須安全接地， 因此電機繞組刮殼、絕緣破壞等都可能導致接地故障，尤其處在塵埃重或濕度大的井下環境下，故障率就更高。 發生接地性不對稱故障時，包括單相接地短路和兩相接地短路，會出現零序電流分量，這是區別其它任何非接地性故障的最根本特征，可作為接地性故障的主要判據。

2.5 電壓保護

系統電源電壓是很難保證恒定、 不出現波動或其它異常情況的。 當電動機的端電壓低于額定值時，由于電磁轉矩與電壓的平方成正比，因此其轉矩下降更多，從而導致負荷電流增大，電動機發熱增加，絕緣老化速度加快，使電機的使用壽命縮短。 而且根據工業現場的實際要求，當電源電壓短時降低或短時中斷后，一部分電動機不允許自起動，以保證一部分重要電動機啟動成功，因此必須裝設低電壓保護。另一方面，如果電動機帶負載運行時電源電壓升高，則電動機電流降低，但鐵損和銅損變大，引起電動機溫度上升。 因此，針對電源電壓的變化，可以分別配置低電壓和過電壓保護。

當三相相間電壓均小于低電壓保護定值時， 低電壓保護動作。 低電壓保護在電動機三相均無電流的情況下應能自動退出，其定值的設置要躲過電動機啟動時的最低電壓。當三相相間電壓均高于過電壓保護定值時， 過電壓保護動作。 過電壓保護定值要按電網電壓允許波動的最大范圍進行整定。

2.6 啟動時間過長、轉子停滯及頻繁啟動保護

啟動時間過長保護是為電動機不能正常啟動或負載過大而設置的，因為電動機啟動電流較大（一般大于2.5 倍額定電流）， 如果長時間通過如此大的電流， 會導致電機迅速升溫，使絕緣老化速度增加，甚至燒毀電動機。

3 結束語

目前， 井下綜機電氣設備保護技術又有不盡人意之處，誤動、拒動的情況時有發生，常常影響正常生產，以致出現不少操作人員不用或將保護裝置甩掉的嚴重情況，其后果是可想而知的。 為了避免事故的發生，保障人身、設備的安全，有效減小事故范圍，提高煤礦安全生產效率，研究、開發高性能的綜機電氣設備智能化保護裝置，具有重要的現實意義和重大的經濟價值。

［1］王禹民.高壓異步電動機的故障診斷及綜合保護[J].電網技術,1996,20（3）.

［2］王國強.電動機的智能保護及處理[J].電機電器技術,1999,（2）.