煤礦帶式高壓隔爆型三相異步電動機的應用*

田儒彰

(1中煤科工集團重慶研究院有限公司，重慶 400050; 2瓦斯災害監控與應急技術國家重點實驗室，重慶 400050)

煤礦帶式高壓隔爆型三相異步電動機的應用*

田儒彰1，2

(1中煤科工集團重慶研究院有限公司，重慶 400050; 2瓦斯災害監控與應急技術國家重點實驗室，重慶 400050)

針對帶式輸送機用高壓隔爆型三相異步電機在煤礦工程應用中頻繁出現質量問題進行原因分析，重點分析了帶式輸送機用高壓隔爆電機使用工況的特殊性，并提出了解決方案，最后結合產品試驗數據進行了技術分析，結果驗證采用改進的技術方案的電機性能，明顯高于市場通用的電動機，更適合煤礦帶式輸送機的應用。

帶式輸送機;頻繁重載起動;功率不平衡;變頻;應急互換

0 引言

帶式輸送機作為現代煤礦生產的關鍵輸送工具，其安全性與可靠性直接影響著煤礦行業的發展和效益。然而，近年來配套帶式輸送機的高壓隔爆電機卻在大型礦山工作環境下頻頻出現起動時間長、溫升高、轉子端環脫落或融化、槽楔脫落、定子燒毀等問題，引起了高度的重視［1-3］。通過現場調查，并結合電機設計、修理經驗認為，產生上述問題的主要原因有三方面。

(1)使用工況決定了煤礦帶式輸送機用高壓隔爆電機比工廠用同類電機的問題突出。

(2)煤礦帶式輸送機的長距離、高帶速、大功率導致了問題產生。對其配套用高壓電機提出新的技術要求［4］。

(3)配套煤礦帶式輸送機用高壓隔爆型電機所執行的新標準降低了電機關鍵性能指標要求，導致該類電機質量問題更加突出［5-6］。

目前，我國煤礦帶式輸送機一直沒有專用配套電機，均采用通用于泵、壓縮機等負載的YB系列高壓隔爆型三相異步電動機作為驅動力，雖然提高了電機產品通用性，但卻掩蓋了煤礦帶式輸送機用高壓三相異步電動機的特殊使用需求，致使通用設計的高壓電機在煤礦實際工程應用中暴露出各種各樣的問題。

本文從煤礦帶式輸送機使用工況出發，結合帶式輸送機的發展方向，采用新技術設計，開發了煤礦帶式輸送機專用高壓隔爆型三相異步電動機，由此解決當前電機與帶式輸送機工況不匹配的問題，減少煤礦帶式輸送機用電機故障的發生。

1 工況特性

1．1 煤礦井下環境

與地面工廠環境相比，煤礦井下環境惡劣，濕度大(87%～100%)、粉塵濃度高(50mg/m3～100mg/m3)，甚至有滲水的情況，這對電機性能提出了更高的要求［7-8］。環境因素對電機的影響見表1。

表1 環境因素對電機的影響

1．2 電壓波動大

煤礦井下的供電變壓器、線路長短、負荷都與地面有很大差異，煤礦井下的電氣設備允許起動電壓波動范圍在75%～110%之間，運行電壓波動允許在－8%～－10%之間［9］，而這樣的變化范圍已經遠遠超出常規電機起動和運行的電壓允許范圍［10］。無論是高于額定電壓還是低于額定電壓長期運行對電機都會產生嚴重損害［11-12］，電壓波動對電機的影響見表2。

表2 電壓波動的影響

1．3 電機功率不平衡

大型煤礦帶式輸送機長距離、高帶速、大功率的特點要求電機功率很大，為了降低單機大容量電機對電網的沖擊影響，帶式輸送機在設計時均采用多機驅動，因此在實際應用中就存在電機功率不平衡的問題，當某臺電機過載時，會引起控制開關柜跳閘，不能正常生產，嚴重時甚至會燒毀電機［13］。

1．4 頻繁重載起動

從采掘工作面運輸出來的煤炭常伴有矸石、鐵料、木棒等，為保證輸送系統運行安全需要電機停機將異物撿出;由于帶式輸送機控制系統故障原因，帶式輸送機也經常要停機，這就造成帶式輸送機電機的頻繁重載起動。根據寧夏某大型煤礦的運行記錄可知，頻繁重載起動是帶式輸送機電機的常態運行工況，這種運行狀態已經超出YB系列電機S1工作制設計基準。頻繁起動引起的真空接觸器操作過電壓、大電流對電機的繞組絕緣和鼠籠轉子損傷非常大，會加速電機絕緣老化，嚴重時會導致槽楔脫落、轉子端環脫落、電機燒毀等嚴重問題［3］

1．5 變頻技術應用

出于起動和節能的需要，變頻技術在煤礦井下皮帶輸送機系統越來越普遍。國內礦山紛紛采用“變頻器+異步電機+減速器+滾筒”的傳動方式，這種驅動方式取消了液力耦合器，通過變頻器對電機的矢量變頻控制，平穩起動制動;更重要的是，帶式輸送機負載屬于時變負載，輕載節能成為目前礦山要解決的重要課題。所以，帶式輸送機用電機既要符合常規電源供電的使用要求，也要滿足變頻器供電的情況［14］。

1．6 應急互換性

為適應煤礦的工作要求，實現高產高效的生產模式，帶式輸送機的多機驅動已成為發展趨勢。多機驅動中的同軸驅動電機要能夠在巷道左右兩側互換，以滿足應急需要［15］。

2 解決方案

針對帶式輸送機用電機的工況特點，對煤礦帶式輸送機專用高壓隔爆型三相異步電動機開發提出以下技術解決方案。

2．1 提高電機使用系數

提高電機使用系數，一方面為解決電機功率分配不平衡引起過載問題，需要留足功率余量，避免電控系統頻繁報警停機或電機燒毀;另一方面，煤礦帶式輸送機電機運行一段時間后，機殼表面會堆積潮濕帶粘度的粉塵層，大大降低了電機機殼的散熱能力，電機需要預留溫升余量。國家標準和IEC標準對高壓電機的使用系數沒有明確的規定［16］，帶式輸送機電機選型有的留余量，有的沒有留余量，這就需要電機設計廠商在設計帶式輸送機用電機時留足使用系數。帶式輸送機的電機功率不平衡的程度決定于輸送帶彈性、滾筒直徑、電動機特性以及驅動滾筒的布置［17］，不同的運行工況和不同的輸送機型式，暫時無從具體計算電機在功率分配不平衡過載時所需要的具體功率，在開發過程中，選取使用系數靠NEMA標準。帶式輸送機用電機和YB系列高壓電機考核溫升、使用系數見表3。

表3 帶式輸送機用電機與YB系列電機考核溫升、使用系數比較

2．2 采用變頻電機設計方案

采用變頻電機設計方案主要是為滿足部分帶式輸送機采用變頻器控制系統供電的使用要求，同時也考慮非變頻器供電的帶式輸送機用電機的情況，這樣就滿足不同電源供電的工況。設計方案如下。

(1)在電磁設計上，優化槽型、控制電阻，減少變頻器諧波對電機溫升的影響，同時兼顧非變頻起動所需的起動和過載能力。

(2)在絕緣設計上，要滿足變頻器脈沖電源的使用要求。

(3)在冷卻系統上，充分考慮低頻運行的散熱要求。

(4)在結構設計上，定轉子固有頻率避開變頻范圍，避免電機運行引起共振。

2．3 采用耐熱、耐潮、耐沖擊絕緣系統

針對煤礦帶式輸送機所處的工況環境，開發了耐熱、耐潮、耐沖擊電機絕緣體系統，除了三大特性之外，該絕緣體系對6kV、10kV全部采用了三級防暈體系，能有效降低電機內腔潮濕空氣被擊穿之后產生的臭氧等氣體對絕緣繞組的腐蝕，進一步延長電機繞組的絕緣壽命。絕緣系統主要參數見表4。

表4 帶式輸送機用電機絕緣體系

2．4 提高起動性能和過載能力

根據電機學原理，提高起動轉矩倍數，降低起動電流倍數，可以縮短電機起動時間，降低電機起動時的發熱量，減小電流沖擊對繞組絕緣和轉子的損傷，實踐證明這種方式可以有效減少甚至杜絕繞組燒毀、定子槽楔脫落、轉子端環脫落等諸多問題。所以煤礦帶式輸送機用電機的起動過載性能不僅要高于 JB/T 8674—2007，而且要高于JB/T 8674—1997，適當低于 MT/T 476—2011 YBC系列采煤機截割部用隔爆型三相異步電動機、MT/T 477—2011 YBU系列掘進機用隔爆型三相異步電動機、MT/T 478—2011 YBS系列輸送機用隔爆型三相異步電動機等采掘面用電機的標準，具體取值見表5。

表5 帶式輸送機用電機與通用電機熱態允許堵轉時間比較

2．5 提高外殼防護等級

提高電機外殼防護等級，一方面是為了防止水進入電機機殼內部而導致電機絕緣電阻的下降、老化問題;另一方面是防止粉塵進入電機機殼內部。

目前國內YB系列電機都按IP55防護等級設計，但是根據對多臺問題電機的拆解，電機機殼出線口部位進水進塵的問題還是存在，國內外配套帶式輸送機的電機廠商都如此，原因在于電機廠商為了加工方便，機殼出線口部位都是采用方形、平面設計(見圖1)，這種結構防塵防水效果不佳。為解決這個問題，我們決定從模具入手，采用止口隔爆設計，以提高出線口位置電機的防護等級(見圖2)。

圖1 改進前機殼出線口

圖2 改進后機殼出線口

2．6 加大繞組加熱器功率

在電機內部增設加熱器，在電機停機時通電能有效的降低電機內腔濕度，避免電機繞組受潮損壞。常規電機繞組加熱帶功率的選取是根據JB/T 7836．1《電機用電加熱器第1部分:通用技術條件》，選型見式(1)

式中，W—電動機加熱器功率，kW;D—電動機端罩(或端蓋)直徑，m;L—端罩(端蓋)兩內端面之間的長度，m。

式(1)的建立需要兩個前提:

(1)加熱器的功率大小應該能在電動機停用時，使一封閉電機的繞組溫度高于環境溫度5℃，在不考慮外界影響的情況下，釋放熱量完全被吸收。

(2)環境空氣相對濕度不大于90%(環境溫度為25℃ 時)。

由此可見，式(1)已經不適合煤礦井下帶式輸送機用電機的繞組加熱帶選型要求。另外，國內有關電機廠家在式(1)基礎上乘1．3倍的使用系數［18］，在電機修理過程中仍然看到不少廠家電機用在煤礦井下后，盡管電機停機繞組加熱帶通電，但還是存在由于加熱帶功率不足導致繞組受潮的問題。結合經驗，煤礦帶式輸送機用電機的繞組加熱帶功率選型在式(1)基礎上乘1．8倍的使用系數。

2．7 雙向風路系統

多機驅動應急互換成為帶式輸送機用電機的通用要求，這就要求電機內外風路不能選用單向風扇。實踐表明，同型號電機用雙向風扇替代單向風扇必將引起機械損耗的增大，電機效率下降，這就需要選取合適的風扇。采用雙向風扇，可通過控制機械損耗占電機輸入功率的比值及外風路風速能達到保證效率、控制溫升的目的。具體取值見表6。

表6 高壓隔爆型三相異步電動機機械耗控制與外風路風速

3 樣機性能分析

根據以上技術方案，進行了煤礦帶式輸送機用高壓隔爆型三相異步電動機的開發，并試制生產了涵蓋6kV、10kV機座號H355-H560共5臺性能樣機，完成了濕熱、型式、通電防爆、跌落、防護、熱老化、介損、擊穿電壓等試驗項目，試驗全部合格。關鍵的試驗結果見表7、圖3、圖4、圖5、圖6。試驗數據表明，樣機的起動性能、過載能力都符合文章提出的煤礦帶式輸送機用高壓隔爆型三相異步電動機考核指標，性能遠遠高于當前市場通用的YB系列高壓隔爆型三相異步電動機考核要求，能更好的適應煤礦帶式輸送機惡劣的運行工況。

表7 高壓隔爆型三相異步電動機濕熱試驗結果

圖3 樣機堵轉轉矩倍數

圖4 樣機堵轉電流倍數

圖5 樣機最大轉矩倍數

圖6 樣機溫升

4 結語

以滿足工況運行需要為導向，專用設計是電機今后發展的一個重要方向。煤礦帶式輸送機專用高壓隔爆型三相異步電動機的開發是一個很有意義的嘗試，相信今后這類結合現場實際需要的專用化設計開發將會越來越多。試制樣機下一步將進行現場工業運行試驗檢驗，通過工業試驗將進一步優化、完善這一類專用電機。

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Development on High Voltage Flame Proof Three-Phase Induction Motor for Coal Mine Belt Conveyor

Tian Ruzhang
(China Coal Technology Engineering Group Chongqing Research Institute State Key Laboratory of Gas Disaster Monitoring and Emergency Response Technology，Chongqing 400050，China)

As for quality problems of the motor for belt conveyor applied in coal mine frequently occur，this paper analyzes its reason，working condition particularity of motor for belt conveyor is emphatically analyzed，then solution is proposed，at last technology level is analyzed combined with test data of the product，the results show that by using this improved technology，the motor performance is higher than common motor in the market and more suitable for application of coal mine belt conveyor．

Belt conveyor;frequent heavy load starting;power imbalance;variable frequency;emergency exchange

10．3969/J．ISSN．1008-7281．2015．05．11

TM357

B

1008-7281(2015)05-0035-005

田儒彰 男 1984年生;畢業于哈爾濱理工大學電氣工程自動化專業(電機電器及其控制方向)，現從事高壓防爆電機設計開發及技術管理工作．

2015-05-25

中國煤炭科工集團有限公司科技創新(2015ZD003)