煤矿掘锚机电机保护系统探讨

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随着中国煤矿开采规模的不断扩大，掘进技术也在不断改进。掘锚机这一优秀的成熟产品在国外被广泛应用，但在国内仍处于起步阶段。在煤矿回采工作中，采和掘的不平衡日益显著，根本原因是掘进速度与支护速度的不匹配[1]，掘锚机的出现有效解决了该问题，将掘进与支护相融合在一起，并合理优化。掘锚机通过省去掘进与支护的换位时间，增加煤矿开采速度，再配以先进的控制系统，最终达到了提高掘护速度的目的[2]。然而实际生产中，该设备的支护效率大于掘进效率，仍然需要继续优化改进，以实现掘锚一体的同步。实现这一终极目标的关键是控制系统的不断优化改进，控制系统体现在电机的综合保护、三车同步和功率匹配3个方面。电机作为动力源，一旦发生故障，将会影响整个掘进设备的工作，且因为矿井内的环境恶劣，使得维修非常困难。因此，对电机保护系统进行提升研究成为一项重点内容。

1电机保护系统

电机电流幅值过载保护具有一定的缺陷，研究电机的有效保护方法显得尤为重要。由于异步电机三相配电线路的不同特点，在不同状态下，因过载而烧损电机的原因各不相同，最终导致的事故程度也不相同。故本文用对称分量法作为理论依据，对三相电机工作电流进行保护设计，再通过线圈内部的温度作为判断标准，从而建立热过载的反时限保护模式，最后通过硬件和软件设计，最终实现三相电机启动前的短路接地等各种故障的全面保护。电机保护系统主要有以下几类[3]。（1）热反时保护模式。实际工况下，电机的热过载保护有后续这些需要，比如，掘进过程中若突遇硬度较高的煤矿，且掘进机正处于高速切割的运行状态，电机会呈超负荷运行，此时就需要电机控制系统按当前工作电流的过载百分比，对电机按二次方负曲线做时长的延时保护。（2）三相不平衡判定模式。三相不平衡的多种判定方法中，对称分量法是最有效的。PLC程序中会实测三相电流，用对称分量法计算所需要的正序和负序电流，由此来判别三相是否平衡，最终对电机进行断电保护。（3）接地故障判定模式。随着时间的推移，电机绕组绝缘性能会不断下降，加上环境潮湿等外界因素，极容易发生接地故障。接地故障会引起电流失衡，再产生大量热量会导致线圈内部温度急剧上升，最终导致电机损坏。同时，三相电流的严重失衡会使旋转磁场发生畸变，进而引起电机本体发生强烈振动，甚至会导致电机本体的变形损坏。因此，对电机接地电阻做在线检测和控制保护显得极为重要。（4）系统接口自动模式。基于CAN总线的多个优点，多功能防爆型掘锚机的控制系统采用CAN总线作为通信平台，再通过CANOPEN为接入协议，做到了减少电缆数量的同时，也加快了生产进度，还在一定程度上减轻了电缆成本，更重要的是满足了防爆和快速联络的需求。（5）电机启停保护模式。多功能的防爆型掘锚机是一种复杂矿用设备，所有动力均来自电动机，配置一套可靠的电动机启停保护系统显得十分重要。

2硬件与软件设计

2.1硬件。电机保护系统的硬件设计主要涉及PLC硬件选择以及外围系统选择等方面的内容，这直接决定了电机整体的保护效果[4]。（1）PLC选择。综合多项考虑，本文选择了市场占有率最高的LM3108G高压电网智能保护PLC，是一款煤矿设备的专用PLC，将保护、通信和测控融为一体，其主要特点有以下几点：一是针对矿井环境设计，专门用于煤矿井下（交流50Hz，额定电压3300V、1140V、660V，额定电流1000A及以下）中性点不接地的三相电网中，还可充当低压电网的智能保护器，是实现井下自动化监控的最佳终端设备；二是可直接采集三相电压、三相电流、零序电压、零序电流等交流信号，采集速度更快，也节约了成本；三是具有过压、欠压、过载、短路、漏电等多项保护功能，能检测电网绝缘电阻数据、模拟漏电和短路试验、计算多种情况下的功率因数、选择性实施漏电保护、继电保护功能安全可靠；四是多端口，可扩展功能模块、外界显示屏、三方设备等，更好地组建了自动化监控系统。（2）外围系统选择。电机保护还需要配备相应的外围元件，实现电动机的综合保护，例如CAN/Modbus网关、高压接触器、防爆箱等。为达到稳定使用和抗干扰等基本功能，本文综合考虑选择上海泗博公司的CAN/Modbus网关产品，可以使得双总线主从与通信，并且保证掘锚机通信系统达到一致。高压接触器选择美国EATON品牌，防爆箱选择上海华欣的生产工艺，外围系统的选择都以满足相关标准和矿井下使用为基本原则。2.2软件。本文以CoDeSys2.1平台进行软件编程设计，CoDeSys2.1编程与总系统同属一个软件平台，该平台操作简单方便，具有多种编程语言以满足不同的需求，并且自带多项专用指令库，例如实现短路、漏电等保护功能，强大的功能为电机综合保护的实现提供了可靠便捷的平台[5]。在运用该平台进行编程的过程中，本文严格执行企业标准，从命名每一个变量、定义每一个功能模块、选择编程语言，再到选择每一个输入输出点，以及设计控制系统的显示界面。编程充分发挥了LD语言的特长，编写了电机的各个控制部分，解决了现场调试和故障难以查找排除等困难。电流I2t热的积分计算功能选用ST文本来进行编写，再通过C语言表达更加直观。FBD语言可以同步显示每一个功能的编写步骤，保证细节正确，因此控制系统中的各项保护功能选用FBD语言。此外还融合了分布式控制的防干扰处理的滤波方法到整个编程中，以保证电机综合保护系统可以稳定地工作。软件方面主要为实现超前漏电检测、电机PTC热电阻检测和三相不平衡保护检测而进行编程。（1）超前漏电检测的编程思路。第一步检测绝缘电阻的输入阻值，并对均值做滤波处理，以保证正常范围值。第二步采样500次电流的AD值，再用冒泡法取得最大、最小值，累加求和。第三步通过加权法去掉最大和最小值，取剩余498个数据的平均值，目的是滤除异常数据和干扰。如果这个过程是二次及以上，且电阻值大于0.5MΩ的1.5倍以上，则允许输出，否则将持续关断控制回路并输出报警信号。（2）电机PTC热电阻检测的编程思路。第一步检测热电偶的输入阻值，对正常的数值做数据标定以得到实际的阻值。第二步是进行RC滤波处理，并对比100℃时的阻值，如果小于等于该阻值，输出TRUE，表示控制系统工作正常，相反发出报警信号并关闭回路。（3）三相不平衡保护的编程思路。第一步比较三相电流的最大、最小值。第二步计算平均电流值，若该值大于电流零值，保留该值，并进行继续运算，相反清零。第三步判断电机启动，启动则正常输出，相反则延时60s再做输出并控制回路。

3实验分析

本节进行了掘进功率的匹配实验，以验证本文所设计的电机保护系统的正确性[6]。实验中加大了电机的扭矩负载，使电机处于最大负荷下工作，实验数据如表1所示。随着负载从25%升高到120%，电机温度从49℃上升至105℃，并保持了0.4h的工作。此外，在打开水冷系统的情况下，电机实测温度均小于或等于55℃，结果与电机理想控制相吻合。实验过程中所呈现的电流曲线与断电保护也满足相关标准，可见实验验证了本文所设计的电机保护系统能满足掘锚机的需求。

4结束语

基于对称分量法对三相电机工作电流进行保护，并以线圈内部温升为判定标准，建立了热过载反时限的保护模式，最终通过硬件和软件的选择实现了电机的综合保护。本文选择了高压电网专用的PLC系统，并设计了可靠的CAN-Mod⁃bus实时通讯协议，让硬件设施发挥完美作用。编程为实现各项保护控制奠定软件基础，进一步巩固了电机保护系统的稳定性。实验也充分肯定了该套电机保护系统的优化改进是正确的，为满足掘锚机的进一步发展做出一定贡献。

参考文献：

[1]薛永,秦飞龙.全断面巷道快速掘进系统在千万吨矿井的应用及优化[J].煤矿机械,2019,40(08):155-157.

[2]秦彦凯.EBZ300Y型掘锚一体机在快速掘进中的应用[J].煤炭技术,2019,38(08):176-178.

[3]郑增波.煤巷与半煤岩悬臂式掘进机电气控制技术研究[D].石家庄:河北科技大学,2012.

[4]孔庆胜,王彦明.ABM20S型掘锚一体机运输系统的改造[J].科技视界,2012(19):192-193.

[5]刘美俊,林明星,钮恒,等.掘进机PLC控制系统的设计与维护[J].煤炭工程,2016,48(11):131-133.

[6]梅光发.煤巷掘锚一体机化快速掘进技术研究与应用[J].山西煤炭,2017,37(01):63-65.

作者:王伟 单位:国家能源集团