（控制理论与控制工程专业论文）矿用低压隔爆型磁力起动器智能保护器的研制.pdfVIP

论文题目： 专业： 硕士生： 指导教9 币： 矿用低压隔爆型磁力起动器智能保护器的研制 控制理论与控制工程 李, 限m d a d a d a d a d a d 意( 签名) 查整 高簧( 签名) 遂 摘要 磁力起动器是煤矿井下供电系统中的关键设备之一，控制并保护煤矿井下的电动 机，而电动机是煤矿生产的主要动力来源，它的安全运行与否影响着煤矿生产的安全。 随着煤炭工业的快速发展、煤矿井下机械化和自动化程度的提高，对矿井供电的连续性、 可靠性和安全性提出了越来越高的要求，因此研制一种结构简单、保护功能完善、智能 化程度高、运行安全可靠的磁力起动器的保护器具有非常重要的现实意义。 本文以s i l i c o nl a b o r a t o r i e s 公司生产的c 8 0 5 1 f 0 2 0 单片机为核心，设计了一种新型 磁力起动器的智能保护装置。该装置可以实现漏电闭锁、短路、过载、缺相、过压以及 欠压保护等，另外通过液晶显示器能够实时显示磁力起动器的工作状态、故障原因和故 障时间，同时还可以存储和查询历史故障信息等。 论文首先分析了煤矿井下电动机的常见故障，深入研究了漏电、短路、过载、缺相、 过压以及欠压等故障的保护原理，在此基础上，提出了智能保护器的硬件和软件设计方 案。硬件设计主要包括：系统整体结构、信号处理单元、驱动控制单元、人机接口单元、 单片机系统硬件以及d s l 3 0 2 实时时钟电路的设计等；软件设计主要包括：主控模块、 初始化模块、参数设置模块、数据采样与中断模块、故障检测模块以及人机接口模块的 设计等，该软件设计在集成开发环境s i l i c o nl a b o r a t o r i e si d e 下，采用模块化结构，使 用c 5 1 进行编程。在系统抗干扰方面，分析了干扰存在的原因，并从硬件和软件方面采 取了相应的抗干扰措施，最后给出了系统的调试过程与结果。 通过系统的硬件制作、调试与实验以及软件编程、调试，完成了磁力起动器的各种 保护要求以及其它辅助功能，通过实验和调试达到了保护装置的各项设计指标。调试结 果表明该智能保护器工作安全可靠，运行良好，满足了设计的要求。 关键词：煤矿安全；电动机保护；磁力起动器；智能保护器；液晶显示；c 8 0 5 1 f 0 2 0 研究类型：应用研究 s u b j e e r ：r e s e a r c ho fi n t e l l i g e n tp r o t e c t o ro fl o w - v o l t a g ef l a m e - p r o o f m a g n e t i cs t a r t e r f o rm i n e s p e c i a l t y ：c o n t r o lt h e o r ya n dc o n t r o le n g i n e e r i n g n a m e：l i x i a ( s i g n a t u r e ) i n s t r u c t o r ：g a oy un(signature) a b s t r a c t 2 m ；d 【 a so g l eo f t h ek e ye q u i p m e n t si np o w e rs u p p l ys y s t e mo f c o a lm i n e ，t h em a g n e t i cs t a r t e r c o n t r o l sa n dp r o t e c t st h em o m ri nu n d e r g r o u n dc o a lm i n e , a n dw h e t h e rt h em o t o rw h i c hi st h e c h i e fp o w e rs o u r c eo p e g a g 船s a f e l ya f f e c t st h es a f e t yp r o d u c t i o ni nc o a lm i n e w i t ht h er a p i d d e v e l o p m e n to fc o a li n d u s t r y , i m p r o v i n go fm e c l m i z i n ga n da u t o r n a t i c i t yi nc o a lm i n e 9 r e q u i w m e n t so fc o n t i n u i t y , r e l i a b i l i t y , a n ds a f a yf o rp o w e rs u p p t yi nc o a lm i n ea 地 i n c r e a s i n g l ye n h a l l c e d i ti ss i g n i f i c a n tt or e s e a r c hak i n do f p r o t e c t o rf o rt h em a g n e t i cs t a r t e r w h i c hi so f s i m p l es t r u c t u r e ，p e r f e c tp r o t e c t i n gf u n c t i o n , i n t e l l i g e n c e , a n dr e l i a b l er u n n i n g p i nt h i sa r t i c l e , c 8 0 5 1 f 0 2 0 ( as p e c i a l c h i pm i c r o c o m p u t e r ) p r o a u c e db ys i l i c o n l a b o r a t o r i e si su s e da sac o r eo fw h o l e & s i g na n dan o v e li n t e l l i g e n tp r o t e c t o ro ft h e m a g n e t i cs t a r t e ri sd e v e l o p e d , w h i c hc a nr e a l i z el e a k a g e ，l e a k a g el o c k o u t , s h o r tc i r c u i t , o v e r - l o a d , p h a s e - l a c o v e r - v o l t a g e ，a n dl o w - v o l t a g ep r o t e c t i o ne t c m e a n w h i l e ，w o l k i n g s t a t e 职蜀s o na n dt i m eo ff a u l t , m e m o r i z i n ga n di n q u i r i n go f h i s t o r yi n f o r m a t i o no f m a g n e t i c s t a r t e rc a l lb er e a l - t i m ed i s p l a y e db yl c d ( l i q u i dc r y s t a ld i s p l a y ) f i r s to fa n c o m m o nf a u l t so ft h em o w ri nu n d e r g r o u n dc o a lm i n ca l ea n a l y z e di nt h i s d i s s e r t a t i o na n dp r o t e c t i o np r i n c i p l e so fl e a k a g e , s h o r tc i r c u i t , o v e r - l o a d , p h a s e - l a c k i n 8 ， o v e r - v o l t a g e a n dl o w - v o l t a g ep r o t e c t i o n 勰d e e p l yr e s e a r c h e d , o nt h eb a s i so ft h e s e m e n t i o n e da b o v e , t h eh a r d w a r ea n dt h es o f t w a r eo ft h ei n t e l l i g e n tp r o t e c t o ra d e s i g n e d m h a r d w a r ei n c l u d e st h ew h o l eb o d yd e s i g n , s i g n a lp r o c 嘲u n i t , d r m n gc o n t r o lu n i t , m a n - m a c h i n ei n t e r f a c eu n i t , s y s t e mh a r d w a r eo fc h i pm i c r o c o m p u t e r , a n dr e a l - t i m ec l o c k c i r c u i to fd s l 3 0 2d e s i g ne t c 1 1 地s o f t w a r ei n c l u d e sm a i nc o n t r o lm o d u l e i n i t i a lm o d u l e , p a r a r a e t e rs e t t i n gm o d u l e , d a t as a m p l i n ga n di n t a a u p t i o nm o d u l e ，f a u l td e t e c t i n gm o d u l e ， a n dm a n - m a c h i n ei n t e r f a c em o d u l ee r e ，i nw h i c hc 5 1i su s e da n dm o d u l a rs t r c u n 他i s d e s i g n e di ns i l i c o nl a b o r a t o r i e si d e ( i n t e g r a t ed e v e l o p i n ge n v i r o n m e n t ) 1 1 始r e & s o no f i n t e r f e r e n c ei sa n a l y z e da n dc o r r e s p o n d i n ga n t i - i n t e r f e r e n c em e a $ 蝴o ft h eh a r d w a r ea n d t h es o f t w a r ea r ea d v a n c e d a tl a s t , t h ep r o c e s sa n dr e s u l t so f t e s ta r eg i v e 也 t h ep r o t e c t i v er e q u i r e m e n t sa n do t h e r ss u b s i d i a r yf u n c t i o n sa r er e a l i z e db yd e s i g na n d t e s to ft h eh a r d w a r ea n dt h es o i t w a r e t h ed e s i g ni n d e x e so fp r o t e c t o ra r ea c h i e v e d , a n dt h e r e s u l t sm a n i f e s tt h a tt h ei n t e l l i g e n tp r o t e c t o rn m ss t a b l ya n dw o r k si ng o o do r d e ra n dm e e t s t h er e q u i r e m e n t so f s a f e t yp r o d u c t i o ni nc o a lm i n e k e y w o r d s ：m i n es a f e t y m o t o rp r o t e c t i o n m a g n e t i cs t a r t e r i n t e l l i g e n tp r o t e c t o r l i q u i dc r y s t a ld i s p l a y 妻料技夫学 学位论文独创性说明 本人郑重声明：所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及 其取得研究成果。尽我所知，除了文中加以标注和致谢的地方外，论文中不包含 其他人或集体已经公开发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得西安科技大学 或其他教育机构的学位或证书所使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所 做的任何贡献均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：穆霞 日期： 2 。1 耳罗同子国 学位论文知识产权声明书 本人完全了解学校有关保护知识产权的规定，即：研究生在校攻读学位期间 论文工作的知识产权单位属于西安科技大学。学校有权保留并向国家有关部门或 机构送交论文的复印件和电子版。本人允许论文被查阅和借阅。学校可以将本学 位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描 等复制手段保存和汇编本学位论文。同时本人保证，毕业后结合学位论文研究课 题再撰写的文章一律注明作者单位为西安科技大学。 保密论文待解密后适用本声明。 学位论文作者签名： 奄t 瑟 日 磅朋 、产 名签师 教 导指 1 绪论 l 绪论 我国是一个产煤大国，煤炭工业的发展对我国国民经济的持续健康发展意义重大。 电动机是煤矿井下使用台数最多的设备之一，其运行正常与否直接影响到煤矿的生产和 经济效益。而作为矿用电动机的控制核心一智能保护器的可靠性和灵敏度将直接影响 到煤矿井下电气设备的正常运行以及煤矿安全生产等。这是研究本课题的意义所在。 1 1 选题的背景及研究的实际意义 1 1 1 课题背景 煤炭在我国能源消费构成中占7 0 以上，是主要的能源，在我国经济社会发展中具 有重要的战略地位。我国煤炭产量约占世界煤炭产量的三分之一，但是煤矿死亡人数却 占世界的8 0 e 左右【l 】。尽管我国煤矿百万吨死亡率逐年下降，但事故死亡人数居高不下， 百万吨死亡率明显高于世界主要产煤国的水平，重、特大事故还没有得到有效控制，因 此煤矿安全在煤炭生产中占有特别重要的地位。随着我国煤矿自动化程度的提高，越来 越多的煤矿机电设备需要用微型计算机来实现对其的控制和保护，而煤矿井下特殊工作 环境对微机保护系统提出了严格的要求，使得智能化发展进展缓慢。 “矿用隔爆型磁力起动器是一种组合电器，主要用于有瓦斯和煤尘爆炸危险的矿井 中，控制并保护井下拖动机械设备的电动机，而电动机是煤矿井下供电系统的重要组成 部分，因此它的正常运行对煤矿井下的安全生产起着举足轻重的作用。这些电动机长期 运行在井下恶劣的环境中，所带机械负荷变化比较大且不易控制，因此电动机发生故障 的几率要比其他设备高得多，故障原因也比较复杂，除了与电气有关的原因外还有与机 械、环境等因素有关。 据不完全统计，电动机的故障中与电气有关的占3 3 ，与机械有关的占3 2 ，与环 境及维护有关的占1 5 ，与其他原因有关的占2 0 。这些数据都是就宏观而言1 2 1 ，而导 致这些故障的原因大致可划分为： ( 1 ) 不平衡电压。当电压不平衡时，由于转子对负序电压分量的阻抗很低，因此 会在转子中感应出很大的负序电流，这样的电流将使转子发热，导致转子松动，轴承发 热引起机械方面的故障。 ( 2 ) 缺相效应。电动机的缺相是不平衡电压的极端情况，它造成的损害大体与不 平衡电压相类似。 ( 3 ) 过负荷效应。过负荷效应的主要作用是定子绕组发热和绕组末端的匝间、个 别线圈之间产生机械张力，这些因素会烧坏线圈。频繁的起动、停止操作也会发生类似 西安科技大学硕士学位论文 现象。另外，连续过载或所带的机械出故障以及电源电压降低都会导致定子绕组过热。 以上这些故障会引起绝缘体过热、破裂、漏电等，继而发生匝问短路、线圈间短路、漏 电等故障，最终易导致定子绕组损坏。 ， ( 4 ) 环境与维护的影响。当环境温度过高、通风系统故障或使用的润滑剂不干净 等都易使绕组过热引起上述的一些故障。 从以上故障分析中可以看出电动机故障的突发性与多发性，而要在煤矿井下对电动 机这些可能的故障实施全面的、完善的保护是非常困难的。因此研制一种结构简单、保 护功能完善、智能化程度高、运行安全可靠的磁力起动器的保护装置来满足煤矿井下安 全生产的需要已势在必行。 1 1 2 课题研究的实际意义 煤炭能源化工工业是今后2 0 年的重要发展方向，由当前的发展趋势来看，中国将 成为世界最大的煤化工业国家之一，因此煤矿安全在煤炭生产中的地位越来越重要。电 动机的正常运行对煤矿井下的安全生产起着举足轻重的作用，因此识别和判断电动机的 各种不正常运行状况以及各种故障类型，并对电动机实施有效的保护是重要的，对提高 矿井生产效率具有非常现实的意义。 ，由于煤矿井下工作面输送机负荷变动大，常常导致电动机过载；矿井空气潮湿或淋 水会使电动机绝缘程度降低；井下巷道空间狭窄，易使输送机中部槽变形，由于浮煤、 积煤经常压埋电动机造成散热不良；另外，工作面放炮或顶板冒落，会导致电动机断相 或短路。电动机由于工作环境恶劣而产生的缺相、短路、过载和漏电等故障，如不及时 处理，会造成较大的经济损失甚至危害人身安全。而目前使用的电动机保护器性能不可 靠，误动、拒动现象多，以至于使用者为了维持生产而经常甩掉保护。 矿用隔爆型磁力起动器控制并保护井下拖动机械设备的电动机，其性能好坏直接影 响着煤矿井下的生产安全和生产效率。随着电子信息技术的发展，磁力起动器趋向智能 化，即智能化开关。智能化开关是传统开关技术同智能化技术相结合的成果，国外早已 开始了对它的研究以及应用。而我国目前大部分磁力起动器仍然是早期非智能化产品， 随着我国对煤炭需求量的增大，矿井供电安全可靠性与提高煤炭生产效率的矛盾越来越 突出，因此研发高水平、高性能的智能保护器具有非常重要的意义。 本课题正是针对当前煤矿安全方面所存在的问题，设计了一种新型的、智能化的磁 力起动器来实现煤矿井下电动机的综合保护。该智能保护器能够实现以下几个功能： ( 1 ) 具有工作状态的实时显示功能，能够通过液晶显示器实时的显示工作状态。 ( 2 ) 具有漏电、漏电闭锁、短路、缺相、过载、过压以及欠压保护等保护功能。 ( 3 ) 具有故障状态显示和存储功能，能够通过液晶显示器显示故障原因，保存和 查询故障历史数据( 故障原因和故障发生时间) 2 l 绪论 ( 4 ) 具有参数设置功能，能够通过键盘上的按键对额定电压、额定电流、电流系 数及过载系数进行选择和设置。 ( 5 ) 具有时钟的实时显示功能。 本课题的研究对于提高煤矿井下电动机运行的可靠性、安全性以及连续性，具有重 要的现实意义。 1 2 本课题研究领域的国内外的研究动态和发展趋势 1 2 1 电气设备智能保护概述 电气设备保护的发展大致分为3 个阶段：传统的组合保护方式；模拟电子式 保护；微机式保护方式。而智能保护就是将微电子技术和微电脑技术应用到保护中， 取代传统的继电器、仪表等电磁元件，以单片机为核心，将控制、保护、通讯等功能集 于一体，利用其通讯联网功能和“智能”全面的保护电气设备，并可将故障时的停电范 围减到最小，大大减少维护工作量。 智能保护有传统保护无法比拟的优点 3 1 ： ( 1 ) 高度的灵活性 对于不同原理的保护，可使用相同的硬件，只要更改程序既可实现一机多用。而且 还可以随时通过更改整定值，改变保护特性、增减保护功能等。 ( 2 ) 自适应性 程序可实现自适应性，可依系统运行状态而自动改变整定值和特性，如电动机的短 路保护，在起动和正常运行状态分别采用不同的整定值，从而提高系统的可靠性和灵敏 性。 ( 3 ) 性能稳定，可靠性高 智能保护的功能主要取决于算法和判据，即由软件决定，对于同类型的保护装置， 只要程序相同，其保护性能必然一致，所以性能稳定。而且智能保护的软件可以设计成 对保护定值和一些硬件设备进行定期自检，发现故障及时报警并将相应的保护退出。在 硬件方面，通过一些抗干扰措旌以及冗余结构，能大大增强系统的可靠性，从而有效的 防止误动和拒动。 ( 4 ) 综合判断能力强 常规继电保护中，当要考虑的因素太多时，用模拟电路很难实现的问题，在智能保 护中利用微机的逻辑判断能力，很容易解决，因而可以使继电保护的动作更合理。 ( 5 ) 调试维护方便 智能保护上电后都要进行自检，发现异常后及时报警，只有一切正常才进行保护判 断，所以几乎不需要人工调试。在运行过程中可以通过面板上的键盘更改保护定值，并 3 西安科技大学硕士学位论文 且可以通过液晶显示显示器显示故障原因，因而工作量小。 近年来，我国电力部f - j 弓l 进了不少国外的智能化保护设备，应用到电力网上，同时， 一些研究单位和开关厂家也已着手研究我国自己的智能化保护设备【4 1 ，取得了一定的进 展。但是，由于煤矿井下环境恶劣，突发事件多，生产危险性大，近几年来由于重视设 备的安全可靠而忽略其先进性，使得煤矿供电技术水平远远落后于电力系统的发展，这 与煤矿电网不断升级，产量不断提高的发展趋势不相适应，必将影响我国煤矿井下的安 全水平和自动化水平。因此，研制适合于我国煤矿井下特殊环境的电气设备的智能保护 器已势在必行。 1 2 2 电动机保护的发展趋势和研究现状 磁力起动器主要保护煤矿井下拖动机械设备的电动机，所以了解电动机保护的发展 趋势和研究现状也是本文的必然要求。 我国的电动机保护装置大约经历了全面仿苏、自行设计、更新换代、智能化发展等 几个阶段p l 。值得一提的是由于近年来微处理器技术的发展，给电动机保护器向智能化、 多功能化方向发展提供了硬件平台，使得电动机保护进入了一个飞速发展的阶段，下面 简述发展过程。 ( 1 ) 热继电器、熔断器和电磁式电流继电器 在建国初期，我国引进了苏联的瓜系列热继电器，从而开始了其在中国电动机保 护行业中长达半个世纪的生涯，直到1 9 9 6 年国家八部委联合发文强制将其淘汰嘲。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，但热继电器存在致命的 缺陷，包括整定粗糙、受环境影响大、重复性差、误差大以功能单一等，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。 熔断器曾作为电动机的过载保护，这种做法很不科学。因为电动机负载变化不定无 法按其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。 电磁式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，目前基本已被淘汰。 ( 2 ) 模拟电子式电动机保护器 在上个世纪七八十年代，随着半导体模拟器件的兴起及普及，涌现出了一批性能比 较可靠、功能多样化的电子式电动机保护器，为电动机的可靠运行提供了较好的保障。 但这类产品仍存在一些无法克服的缺陷，主要包括三个方面：整定精度不高；采 样精度不高：无法实现具有多种保护功能于一体的全面保护。随着社会的发展，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， 界面直观且体积小，这些都是纯粹的模拟线路根本无法实现的。 4 1 绪论 鉴于以上原因，纯粹模拟线路的保护器正逐渐被其它一些技术更先进的产品代替。 ( 3 ) 数字电子式电动机保护器 这类电动机保护器主要以单片机作为控制器，可实现电动机的智能化综合保护，有 的还具有远程通讯功能，可以在p c 机上实现对多台联网的电动机的在线综合监视与控 制，在采样和整定精度方面有了质的飞跃。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、高精度和高可靠方向发展。 以上为中国电动机保护发展的三个历程，而国外对于电动机保护器也具有很成熟的 技术，并且已经研制出了高效自动化的检测和处理系统。法国的施奈德公司是世界上生 产电力与控制装置的主要公司之一。施奈德电气取得并发展了四个在电气相关工程领域 具有领导地位的品牌：梅兰日兰、莫迪康、美商实快电力和t e 电器，是一个专业化的、 组织完好的企业。他们通过检测电流、电压，然后转化为数字信号输入单片机，然后进 行数据处理和保护、显示并打印出变形图川。 随着计算机技术以及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，成为电动机保护装置的主要形式与发展方向。本课题正是基于 这种思想，研制了一种矿用低压隔爆型磁力起动器的智能保护器来实现煤矿井下电动机 的综合保护。 1 2 3 磁力起动器的发展趋势和研究现状 随着我国煤炭工业的发展，煤矿井下使用的国产千伏级防爆电器产品，通过采用快 开门结构、真空电器、数字化保护等技术改造，部分产品已达到国外同类产品的水平。 但该类产品也存在系列多品种杂、规格不全等诸多问题，给煤矿生产和管理带来了许多 困难。如在上世纪7 0 年代起全国统一设计生产的1 1 4 0 v 电压等级的产品规格中，低端 和高端分别只有6 0 a 和3 0 0 a 一个规格。近年来，结合采掘工作的需要，陆续开发生产 了4 0 a 、6 3 0 a 开关以及4 x 4 0 0 、6 4 0 0 等组合开关，但是2 5 0 a 级以下的千伏级产品， 一直没有厂家全系列批量生产嘲。 煤矿井下供电系统的发展与采掘技术的进步息息相关，随着我国煤矿井下采掘方式 由炮采、机采发展到综合机械化采煤，采掘机械对供电设备电压等级及性能要求越来越 高，使得供电系统由起初的3 8 0 v 固定式采区变电所供电方式发展到今天的1 1 4 0 v 高压 深入顺槽的移动变电站供电方式，以减少线路损耗，提高供电质量。为适应煤矿生产发 展的客观需要，要求磁力起动器的结构形式、控制方式、保护性能等不断改进和发展。 5 0 年代，我国研制出q c 系列磁力起动器，至7 0 年代末一直长期应用于煤矿井下， 由于其内部接触器是空气式的，已不符合我国煤矿并下“接触器真空化”的要求，而且 其所配的保护只有熔断器和熟继电器两种，保护简单，可靠性差，已属淘汰产品。 5 西安科技大学硕士学位论文 8 0 年代后期，我国先后研制出j d b 电动机综合保护器和q j z 系列磁力起动器，增 加了一些保护功能，并以真空接触器取代了以前的空气式接触器，对我国煤矿供电系统 电动机保护的发展起了一定的促进作用嗍，使煤矿井下的生产和安全状况有了很大的改 观，但由于其所采用分立元件的分散性，原系统在可靠性和保护性能方面仍不能满足生 产实际的需要。 9 0 年代我国研制出z d b 电动机综合保护器，首次将单片机控制技术应用于煤矿井 下，这种保护器采用单片计算机作为中央控制单元，可以完成电动机的过载、过热、短 路、断相、欠压、过压以及漏电闭锁等保护功能，但由于原外壳没有显示窗和多余的出 线口，使单片机的许多功能无法发挥嗍。 2 0 0 0 年之后针对起动器产品存在的问题对其进行了升级改造，采用快开门结构、真 空电器、数字式电机综合保护等技术改造措施后，新系列起动器产品工作电压为1 1 4 0 v ， 亦可用于6 6 0 v 及3 8 0 v 供电系统，具有更加全面的保护功能，但是应用不是很广泛。 与国内磁力起动器的发展相比，西方较发达国家的磁力起动器控制技术发展较快 在西德，7 0 年代初就把真空接触器应用到井下磁力起动器之中。8 0 年代，西门子和a e g 公司建立了门类齐全的电动机电子综合保护器【“】。 英国在煤矿井下低压开关控制方面的研究处于世界领先水平，于8 0 年代末已把微 型计算机技术应用于单体磁力起动器的控制之中，但其漏电保护的动作电流比较大，达 1 5 0 m a ，超过了我国煤矿井下人身触电时的安全电流指标【1 2 1 3 l 。 随着煤矿机械设备容量的增大，大功率起动器是必不可少的，例如高产高效工作面 中采煤机、工作面输送机、泵站等，其中大容量采煤机容量已超过5 0 0 k w ，因此对起 动器的功率要求也相应提高，其可靠性对高产高效工作面的生产效率影响也很大。分析 总结以上的发展历程可知：国内目前的大多数煤矿井下的磁力起动器仍然功能有限，大 多采用模拟保护，共同点是可靠性不高、功能不集中、安全性欠佳。虽然国外矿用控制 开关不断更新，但进口设备成本甚高，因此开发高性能磁力起动器的保护系统是我国煤 矿机电产品发展的必由之路。这也是研究本课题的意义所在。 1 3 本文的主要任务和工作 1 3 1 本文的主要任务 本课题主要完成矿用低压隔爆型磁力起动器智能保护器的软、硬件设计，该智能保 护器用于交流5 0 h z 、额定电压1 1 4 0 6 6 0 v 、额定电流4 0 0 a 的磁力起动器开关中，实现 煤矿井下电动机的综合保护。要求实现的主要功能有： ( 1 ) i 作状态的实时显示。 ( 2 ) 智能保护器的故障保护功能：漏电、漏电闭锁、短路、过载、缺相、过压、 6 l 绪论 欠压保护等，故障状态显示、存储和查询以及参数设置功能。 1 3 2 本文的主要工作 根据系统的结构模型，本文的主要工作分以下几个章节来完成： ( 1 ) 第一章论述了本课题选题的背景、国内外研究动态和发展趋势以及本课题的 研究意义。 ( 2 ) 第二章对煤矿井下电动机常见故障进行了分析，并给出了各个保护原理及解 决方法 ( 3 ) 第三章论述了智能保护器的硬件设计。 ( 4 ) 第四章论述了智能保护器的软件设计 ( 5 ) 第五章论述了整个系统的调试过程、实验模拟。 ( 6 ) 第六章对系统的抗干扰问题进行了分析与解决。 ( 7 ) 第七章总结与展望。 7 西安科技大学硕士擘住论文 2 煤矿井下电动机常见故障及保护原理 由于该智能保护器被用在磁力起动器的末端，控制并保护煤矿井下的电动机，实现 电动机的综合保护：漏电、漏电闭锁、短路、过载、缺相、过压以及欠压保护等，本章 主要介绍煤矿井下电动机常见的各种故障以及针对这些故障的保护原理。 2 1 概述 煤矿井下电动机运行可分为3 种状态； ( 1 ) 正常运行状态：指负荷电流在小于或等于额定电流下运行。 ( 2 ) 异常运行状态：主要指电动机起动和电气设备在能承受时间内的过载运行。 ( 3 ) 故障状态：指电动机和电气设备在大于额定电流和额定电压下的运行，主要 故障有短路故障、缺相故障、过压故障等。 由于井下空间范围狭小、空间潮湿，并且矿井电网大部分为电缆供电，电气设备和 电缆易受砸、压、碰而使绝缘损坏，所以井下极易发生人身触电、漏电以及短路故障。 漏电电流的长期存在会使雷管提前引爆；电气设备长期过载容易引起火灾；漏电以及短 路故障容易引起瓦斯煤尘爆炸等。所以煤矿井下供电必须采取可靠的保护装置和必要的 安全措施，防止上述事故的发生，以确保人身和电气设备以及煤炭生产的安全。 在煤矿井下电动机故障中，常见的故障或异常运行状态还有欠压等，本文主要对漏 电、短路、过载、缺相、过压以及欠压等故障的电气特征进行分析，提出了相应的保护 方法。 2 2 漏电保护 煤矿安全规程【l q 规定：煤矿井下电动机的控制设备，应具备短路、过载、缺相以及 漏电闭锁保护装置。由此可见，漏电闭锁保护是磁力起动器的必设保护，其作用有两点： 一是对电动机定子绕组对地绝缘水平进行合闸前的监视，当对地绝缘电阻下降到规定值 或小于规定值时将磁力起动器闭锁，使之不能送电；二是在运行过程中检测定子绕组对 地绝缘电阻值的变化，一旦绝缘电阻值降低到规定值以下时，则立即跳闸并显示报警。 2 2 1 漏电产生的原因及危害 ( 1 ) 漏电与漏电故障 漏电是指在电网对地电压的作用下，电流沿电网对地的绝缘电阻和分布电容流入大 地，这一电流称为电网对地的漏电电流，简称漏电【l q 。在变压器中性点不接地的供电系 统中，当电网中的任何一相，不论什么原因，当绝缘遭到破坏出现漏电时，它对电网的 8 2 煤矿井下电动机常见故障及保护原理 平衡影响很小，不会影响电动机正常运转。这种漏电隐患在供电中长期存在下去的现象， 成为漏电故障。 ( 2 ) 常见漏电故障的原因 由于矿用电动机供电系统工作在煤矿井下危险、潮湿的恶劣环境中，电动机与工作 人员接触较为频繁，故比较容易发生漏电故障。造成漏电故障的主要原因如下： 井下巷道狭窄，环境较暗，工人工作时劳动工具( 锹、镐、钎等) 易将电缆割 伤或碰伤，造成漏电。 由于井下环境潮湿，且矿用电动机可能使用多年，其绝缘老化或潮气入侵，引 起绝缘电阻下降，使正常运行时系统对地的绝缘阻抗偏低或发生漏电。 另外，有可能因为开关长期不使用，接线板潮湿而可能造成漏电。 ( 3 ) 漏电故障的危害 漏电故障会给人身和矿井的安全带来很大的威胁，因而必须进行严格的管理。当漏 电电流的电火花能量达到瓦斯、煤尘最小点燃能量时，如果漏电处的瓦斯浓度在 5 一1 6 则能引起瓦斯、煤尘燃烧或爆炸；当漏电电流超过5 0 m a 时，可能引起电雷管 的超前起爆，导致人员伤亡u q ；当漏电故障不能及时发现和摊除时，就可能扩大为相间 短路事故；若人身触及一相带电或漏电设备的外壳时，流经人身电流超过3 0 m a 的极限 电流时，就有伤亡的危险。由此可见，漏电故障的危害是十分严重的，必须采取措施加 以预防。 2 2 2 附加电源直流检测原理 漏电保护的方法很多，从保护的原理上看不外乎有以下几种：附加直流电源检测原 理、零序电压保护原理、零序电流保护原理及零序电流方向保护原理。由于附加直流电 源检测式动作值整定简单，数值固定而且能反映电网对地的绝缘状况，且保护全面，无 动作死区，故障跳闸不受故障类型( 对称的或不对称) 和发生的时间、地点的影响，目 前我国井下低压电网的漏电保护大多采用这种保护原理。因此本系统也采用附加电源直 流检测式漏电保护，其详细介绍如下。 附加直流电源检测原理是利用附加在电动机定子绕组与地之间的直流电源来检测 电动机是否发生漏电故障。电动机若发生漏电故障，最容易检测到的是各相对地绝缘电 阻值的下降。可以设想在三相电网中附加一独立的直流电源，使之作用于电动机与大地 之间，这样在三相对地的绝缘电阻上将有一直流电流流过，该电流大小的变化直接反映 了电动机对地绝缘电阻值的变化，有效的检测和利用该电流，就可以构成附加电源直流 检测式漏电保护。其原理图如图2 1 所示。 9 西安科技大学硕士学位论文 c b a 广 i l - 一 爿 一州l巧 】【 卜 = w - -= 屹 c ic 2g 玑 t 丰l 4 - oic li 图2 1 附件电源直流检测式漏电保护原理图 图2 1 中，直流电源u 。通过由三相电抗器s k 组成的人为中性点加在三相电网与地 之间，直流电流由电源u ：正极流出入地，经绝缘电阻 、，2 、，j 进入三相电路，再由三 相电抗器s k 、零序电抗器l k 、千欧表k q ( 直流毫安表) 、继电器返回电源负极。接 地电容c ，和电网对地电容q 、c 2 、c 3 相当于开路，不会有电流流过，因此直流电流j ： 可由式( 2 1 ) 求出 ，：j l( 2 1 ) 2 恐+ ，z 式中，以为附加直流电压；如为检测回路除对地绝缘电b t 2 _ 外的电阻之和；噍相 当于电动机定子绕组对地的绝缘电阻并联值，即 ，z2 面丽i t 2 2 由式( 2 1 ) 可以看出，当咫和址一定时，直流电流l 主要由对地绝缘电阻值龟决 定，当绝缘电阻值下降到一定程度( 漏电故障发生) ，使得，大于直流继电器动作值时， 刁便会动作。 在系统应用中，通过检测加设的模拟对地绝缘电阻也上的电压珥来判断对地绝缘 水平的变化( 电路图如图3 1 0 所示) ，电压和电动机定子绕组的对地绝缘电阻的关系 如下所示 阢= l x r , l ( 2 3 ) 2 2 3 动作值整定 漏电动作电阻值是根据保证人身触电的安全来确定的。煤矿安全规程【1 5 1 规定我 国煤矿井下入身触电安全电流值为3 0 m a ，图2 2 为入体触电电路图。 l o 2 煤矿井下电动机常见故障及保护原理 c b a i 广一 t l _ 二_ 7 一 la u 丫懈 = ：抖 c 2 图2 2 人体触电电路图 在此中心点不接地系统的供电电网中，对地绝缘电阻和对地电容是对称的 ( r , f r 2 = r 3 f r 、c l = c 2 = c 3 = c ) ，设人体触及一相带电导体时( 设人体电阻为r 。) ， 触电电流通过人体、大地、对地绝缘电阻和分布电容回到电网构成闭合回路。根据戴维 南定理，人体触及一相导体时的等效电路如图2 3 所示。 图2 3 人体触电等效电路图 图2 3 中，虚线以内为等效电源，z 。相当于电源内阻，则 z 。：r + l j w c ( 2 4 ) 等效电压源即为供电电网的相电压，用u 表示，忽略电容影响，则由图2 3 可以计 算出流过人体的电流近似为 - 1。瓦u 2 丧 眩5 ) 本课题研究的电网额定电压分别为6 6 0 v 和1 1 4 0 v ，对于6 6 0 v 电网其相电压为 3 8 0 v ，而人体触电电流，一s 3 0 m a ，人体电阻约为k q ，则代入式( 2 5 ) 中，可 以得出r = 3 5 k q 。这说明对于6 6 0 v 电网，各相对地绝缘电阻值必须保持在3 5 k q 以上， 如果低于此值，则发生漏电时就非常危险。由此可以推出单相漏电时保护装置动作电阻 值为胄士= 3 5 3 = 1 1 7 k q 。同理可推出1 1 4 0 v 电网时，单相漏电时保护装置动作电阻的整 定值为2 0 l ：q 。由此可得出井下低压电网现行的直流检测式漏电保护动作电阻值如表 2 1 所示 西安科技天学硕士学位论文 表2 1 漏电保护的动作电阻值 心 单相两相三相 3 8 03 571 0 5 6 6 0l l2 23 3 1 1 4 02 04 06 0 电气标准中规定：电网电压为1 1 4 0 v 时，馈电开关的漏电闭锁值应为4 0 l ( q ，6 6 0 v 时，应为2 2 k q 。只有其对地绝缘电阻值上升到闭锁值的1 5 倍时方能解锁送电。它是 通过在程序中设置不同的比较值来实现的。漏电保护应满足快速性的要求，此处要求跳 闸时间小于0 2 5 s 。 2 3 短路保护 短路是指供电系统中不等电位的导体在电气上被短接。短路的基本类型有三相短 路、两相短路、单相短路、单相接地短路和两相接地短路等。短路故障是煤矿井下最常 见的故障之一，直接影响着井下供电的安全性、可靠性和连续性，因此，煤矿安全规 程要求在煤矿井下低压电网中必须装设过电流保护系统。 2 3 1 短路产生的原因及危害 在煤矿供电系统中，由于环境比较恶劣，设备易受潮，以及绝缘自然老化、机械损 伤等原因，造成供电线路和设备的损坏，从而引起短路旧。发生短路时，系统中总阻抗 大大减小，因而短路电流往往超过正常电流许多倍，这样的电流所产生的热和电动力作 用会使电气设备受到破坏，引起严重的后果。所以在智能保护器中，对各种短路故障都 应采取电流速断保护 2 3 2 短路保护原理 短路保护用于对电动机内部定子绕组以及进线所发生的相间短路故障的保护，是电 动机的主保护。由于电动机在起动过程中，起动电流很大，可以达到额定电流的7 倍以 上。为了保证在起动过程中速断保护可靠不动作，动作电流的整定值在起动过程以及起 动过程结束后的运行过程中采用不同的计算方法。 ( 1 ) 起动过程 当电动机满载起动时，设起动电流为厶，保护动作电流为厶，为了保证不发生短 路故障，要求t 。必须大于电动机满载起动电流i q a ，即 厶；k i = 墨j | 1 0 l ( 2 6 ) 2 煤矿井下电动机常见故障及保护原理 式中：x 可靠系数，取1 2 0 1 4 0 ； 匕电动机起动电流倍数，一般取和7 ( 2 ) 运行中的短路保护 在起动结束后的运行过程中，j ：，的整定可不必考虑要躲过电动机的起动电流，直 接按电动机的额定电流的倍数整定，即： l 2 = 加， ( 2 7 ) 式中一般取4 8 ，这样可大大提高电动机在起动结束后的运行过程中短路保护的灵敏 度。 在电动机的实际运行过程中，当三相电流的最大值大于j 。，。整定值时，保护装 置便动作跳闸，动作时间小于0 2 5 s ，这样可使电动机不至于被损坏，所以规定电流倍 数为8 0 和l o 时开始动作跳闸。该智能保护器能带动不同功率下的电动机工作，本设计 所带动的电动机电流档位为：8 0 a 、1 2 0 a 、1 6 0 4 、2 0 0 a 、2 4 0 a 、3 2 0 a 和4 0 0 a 等。 2 4 过载保护 过载又称为过负荷，是指实际流过电气设备的电流既超过其额定电流，又超过了允 许的过流时间。从过流和时问两个量来说，都是相对量，必须具备过流和超时这两个条 件，才称为过载嗍。 2 4 1 过载产生的原因及危害 当电动机过载运行时，由于负载转矩大于电动机的额定转矩，所以电动机为了拖动 机器运转强迫降低转速，以增大转子电流来提高电动机的电磁转矩，由于转子电流增加， 引起定子电流增加，造成电动机损耗增加。电动机因损耗增加而发热，时间一长，使绝 缘老化，甚至会烧毁电动机，但如果过载时间很短，发热量不大，而且很快散发出去， 则电动机暂时还可以承受，即允许一定的时限内的低倍过载，所以电动机的过载特性要 呈现良好的反时限特性。 2 4 2 过载保护原理 电动机过载会产生温升，缩短电动机的使用寿命。电动机结构复杂，本身不是匀质 物体，因此电动机过载应以最高点温升来保护，最高点温升计算起来相当困难且不准确， 因此通常计算电动机的平均温升作为电动