煤礦掘錨機電機保護系統分析

王 偉

（國家能源集團神東煤炭集團補連塔煤礦，陜西榆林 719315）

0 引言

隨著中國煤礦開采規模的不斷擴大，掘進技術也在不斷改進。掘錨機這一優秀的成熟產品在國外被廣泛應用，但在國內仍處于起步階段。在煤礦回采工作中，采和掘的不平衡日益顯著，根本原因是掘進速度與支護速度的不匹配[1]，掘錨機的出現有效解決了該問題，將掘進與支護相融合在一起，并合理優化。掘錨機通過省去掘進與支護的換位時間，增加煤礦開采速度，再配以先進的控制系統，最終達到了提高掘護速度的目的[2]。然而實際生產中，該設備的支護效率大于掘進效率，仍然需要繼續優化改進，以實現掘錨一體的同步。實現這一終極目標的關鍵是控制系統的不斷優化改進，控制系統體現在電機的綜合保護、三車同步和功率匹配3個方面。電機作為動力源，一旦發生故障，將會影響整個掘進設備的工作，且因為礦井內的環境惡劣，使得維修非常困難。因此，對電機保護系統進行提升研究成為一項重點內容。

1 電機保護系統

電機電流幅值過載保護具有一定的缺陷，研究電機的有效保護方法顯得尤為重要。由于異步電機三相配電線路的不同特點，在不同狀態下，因過載而燒損電機的原因各不相同，最終導致的事故程度也不相同。故本文用對稱分量法作為理論依據，對三相電機工作電流進行保護設計，再通過線圈內部的溫度作為判斷標準，從而建立熱過載的反時限保護模式，最后通過硬件和軟件設計，最終實現三相電機啟動前的短路接地等各種故障的全面保護。電機保護系統主要有以下幾類[3]。

（1）熱反時保護模式。實際工況下，電機的熱過載保護有后續這些需要，比如，掘進過程中若突遇硬度較高的煤礦，且掘進機正處于高速切割的運行狀態，電機會呈超負荷運行，此時就需要電機控制系統按當前工作電流的過載百分比，對電機按二次方負曲線做時長的延時保護。

（2）三相不平衡判定模式。三相不平衡的多種判定方法中，對稱分量法是最有效的。PLC程序中會實測三相電流，用對稱分量法計算所需要的正序和負序電流，由此來判別三相是否平衡，最終對電機進行斷電保護。

（3）接地故障判定模式。隨著時間的推移，電機繞組絕緣性能會不斷下降，加上環境潮濕等外界因素，極容易發生接地故障。接地故障會引起電流失衡，再產生大量熱量會導致線圈內部溫度急劇上升，最終導致電機損壞。同時，三相電流的嚴重失衡會使旋轉磁場發生畸變，進而引起電機本體發生強烈振動，甚至會導致電機本體的變形損壞。因此，對電機接地電阻做在線檢測和控制保護顯得極為重要。

（4）系統接口自動模式。基于CAN總線的多個優點，多功能防爆型掘錨機的控制系統采用CAN總線作為通信平臺，再通過CANOPEN為接入協議，做到了減少電纜數量的同時，也加快了生產進度，還在一定程度上減輕了電纜成本，更重要的是滿足了防爆和快速聯絡的需求。

（5）電機啟停保護模式。多功能的防爆型掘錨機是一種復雜礦用設備，所有動力均來自電動機，配置一套可靠的電動機啟停保護系統顯得十分重要。

2 硬件與軟件設計

2.1 硬件

電機保護系統的硬件設計主要涉及PLC硬件選擇以及外圍系統選擇等方面的內容，這直接決定了電機整體的保護效果[4]。

（1）PLC選擇。綜合多項考慮，本文選擇了市場占有率最高的LM3108G高壓電網智能保護PLC，是一款煤礦設備的專用PLC，將保護、通信和測控融為一體，其主要特點有以下幾點：一是針對礦井環境設計，專門用于煤礦井下（交流50 Hz，額定電壓3 300 V、1 140 V、660 V，額定電流1 000 A及以下）中性點不接地的三相電網中，還可充當低壓電網的智能保護器，是實現井下自動化監控的最佳終端設備；二是可直接采集三相電壓、三相電流、零序電壓、零序電流等交流信號，采集速度更快，也節約了成本；三是具有過壓、欠壓、過載、短路、漏電等多項保護功能，能檢測電網絕緣電阻數據、模擬漏電和短路試驗、計算多種情況下的功率因數、選擇性實施漏電保護、繼電保護功能安全可靠；四是多端口，可擴展功能模塊、外界顯示屏、三方設備等，更好地組建了自動化監控系統。

（2）外圍系統選擇。電機保護還需要配備相應的外圍元件，實現電動機的綜合保護，例如CAN/Modbus網關、高壓接觸器、防爆箱等。為達到穩定使用和抗干擾等基本功能，本文綜合考慮選擇上海泗博公司的CAN/Modbus網關產品，可以使得雙總線主從與通信，并且保證掘錨機通信系統達到一致。高壓接觸器選擇美國EATON品牌，防爆箱選擇上海華欣的生產工藝，外圍系統的選擇都以滿足相關標準和礦井下使用為基本原則。

2.2 軟件

本文以CoDeSys2.1平臺進行軟件編程設計，CoDeSys2.1編程與總系統同屬一個軟件平臺，該平臺操作簡單方便，具有多種編程語言以滿足不同的需求，并且自帶多項專用指令庫，例如實現短路、漏電等保護功能，強大的功能為電機綜合保護的實現提供了可靠便捷的平臺[5]。在運用該平臺進行編程的過程中，本文嚴格執行企業標準，從命名每一個變量、定義每一個功能模塊、選擇編程語言，再到選擇每一個輸入輸出點，以及設計控制系統的顯示界面。編程充分發揮了LD語言的特長，編寫了電機的各個控制部分，解決了現場調試和故障難以查找排除等困難。電流I2t熱的積分計算功能選用ST文本來進行編寫，再通過C語言表達更加直觀。FBD語言可以同步顯示每一個功能的編寫步驟，保證細節正確，因此控制系統中的各項保護功能選用FBD語言。此外還融合了分布式控制的防干擾處理的濾波方法到整個編程中，以保證電機綜合保護系統可以穩定地工作。

軟件方面主要為實現超前漏電檢測、電機PTC熱電阻檢測和三相不平衡保護檢測而進行編程。

（1）超前漏電檢測的編程思路。第一步檢測絕緣電阻的輸入阻值，并對均值做濾波處理，以保證正常范圍值。第二步采樣500次電流的AD值，再用冒泡法取得最大、最小值，累加求和。第三步通過加權法去掉最大和最小值，取剩余498個數據的平均值，目的是濾除異常數據和干擾。如果這個過程是二次及以上，且電阻值大于0.5 MΩ的1.5倍以上，則允許輸出，否則將持續關斷控制回路并輸出報警信號。

（2）電機PTC熱電阻檢測的編程思路。第一步檢測熱電偶的輸入阻值，對正常的數值做數據標定以得到實際的阻值。第二步是進行RC濾波處理，并對比100℃時的阻值，如果小于等于該阻值，輸出TRUE，表示控制系統工作正常，相反發出報警信號并關閉回路。

（3）三相不平衡保護的編程思路。第一步比較三相電流的最大、最小值。第二步計算平均電流值，若該值大于電流零值，保留該值，并進行繼續運算，相反清零。第三步判斷電機啟動，啟動則正常輸出，相反則延時60 s再做輸出并控制回路。

3 實驗分析

本節進行了掘進功率的匹配實驗，以驗證本文所設計的電機保護系統的正確性[6]。實驗中加大了電機的扭矩負載，使電機處于最大負荷下工作，實驗數據如表1所示。

表1 電機實驗統計數據

隨著負載從25%升高到120%，電機溫度從49℃上升至105℃，并保持了0.4 h的工作。此外，在打開水冷系統的情況下，電機實測溫度均小于或等于55℃，結果與電機理想控制相吻合。實驗過程中所呈現的電流曲線與斷電保護也滿足相關標準，可見實驗驗證了本文所設計的電機保護系統能滿足掘錨機的需求。

4 結束語

基于對稱分量法對三相電機工作電流進行保護，并以線圈內部溫升為判定標準，建立了熱過載反時限的保護模式，最終通過硬件和軟件的選擇實現了電機的綜合保護。本文選擇了高壓電網專用的PLC系統，并設計了可靠的CAN-Modbus實時通訊協議，讓硬件設施發揮完美作用。編程為實現各項保護控制奠定軟件基礎，進一步鞏固了電機保護系統的穩定性。實驗也充分肯定了該套電機保護系統的優化改進是正確的，為滿足掘錨機的進一步發展做出一定貢獻。