田儒彰

(1中煤科工集团重庆研究院有限公司，重庆 400050; 2瓦斯灾害监控与应急技术国家重点实验室，重庆 400050)

煤矿带式高压隔爆型三相异步电动机的应用*

田儒彰1，2

(1中煤科工集团重庆研究院有限公司，重庆 400050; 2瓦斯灾害监控与应急技术国家重点实验室，重庆 400050)

针对带式输送机用高压隔爆型三相异步电机在煤矿工程应用中频繁出现质量问题进行原因分析，重点分析了带式输送机用高压隔爆电机使用工况的特殊性，并提出了解决方案，最后结合产品试验数据进行了技术分析，结果验证采用改进的技术方案的电机性能，明显高于市场通用的电动机，更适合煤矿带式输送机的应用。

带式输送机;频繁重载起动;功率不平衡;变频;应急互换

0 引言

带式输送机作为现代煤矿生产的关键输送工具，其安全性与可靠性直接影响着煤矿行业的发展和效益。然而，近年来配套带式输送机的高压隔爆电机却在大型矿山工作环境下频频出现起动时间长、温升高、转子端环脱落或融化、槽楔脱落、定子烧毁等问题，引起了高度的重视［1-3］。通过现场调查，并结合电机设计、修理经验认为，产生上述问题的主要原因有三方面。

(1)使用工况决定了煤矿带式输送机用高压隔爆电机比工厂用同类电机的问题突出。

(2)煤矿带式输送机的长距离、高带速、大功率导致了问题产生。对其配套用高压电机提出新的技术要求［4］。

(3)配套煤矿带式输送机用高压隔爆型电机所执行的新标准降低了电机关键性能指标要求，导致该类电机质量问题更加突出［5-6］。

目前，我国煤矿带式输送机一直没有专用配套电机，均采用通用于泵、压缩机等负载的YB系列高压隔爆型三相异步电动机作为驱动力，虽然提高了电机产品通用性，但却掩盖了煤矿带式输送机用高压三相异步电动机的特殊使用需求，致使通用设计的高压电机在煤矿实际工程应用中暴露出各种各样的问题。

本文从煤矿带式输送机使用工况出发，结合带式输送机的发展方向，采用新技术设计，开发了煤矿带式输送机专用高压隔爆型三相异步电动机，由此解决当前电机与带式输送机工况不匹配的问题，减少煤矿带式输送机用电机故障的发生。

1 工况特性

1．1 煤矿井下环境

与地面工厂环境相比，煤矿井下环境恶劣，湿度大(87%～100%)、粉尘浓度高(50mg/m3～100mg/m3)，甚至有渗水的情况，这对电机性能提出了更高的要求［7-8］。环境因素对电机的影响见表1。

表1 环境因素对电机的影响

1．2 电压波动大

煤矿井下的供电变压器、线路长短、负荷都与地面有很大差异，煤矿井下的电气设备允许起动电压波动范围在75%～110%之间，运行电压波动允许在－8%～－10%之间［9］，而这样的变化范围已经远远超出常规电机起动和运行的电压允许范围［10］。无论是高于额定电压还是低于额定电压长期运行对电机都会产生严重损害［11-12］，电压波动对电机的影响见表2。

表2 电压波动的影响

1．3 电机功率不平衡

大型煤矿带式输送机长距离、高带速、大功率的特点要求电机功率很大，为了降低单机大容量电机对电网的冲击影响，带式输送机在设计时均采用多机驱动，因此在实际应用中就存在电机功率不平衡的问题，当某台电机过载时，会引起控制开关柜跳闸，不能正常生产，严重时甚至会烧毁电机［13］。

1．4 频繁重载起动

从采掘工作面运输出来的煤炭常伴有矸石、铁料、木棒等，为保证输送系统运行安全需要电机停机将异物捡出;由于带式输送机控制系统故障原因，带式输送机也经常要停机，这就造成带式输送机电机的频繁重载起动。根据宁夏某大型煤矿的运行记录可知，频繁重载起动是带式输送机电机的常态运行工况，这种运行状态已经超出YB系列电机S1工作制设计基准。频繁起动引起的真空接触器操作过电压、大电流对电机的绕组绝缘和鼠笼转子损伤非常大，会加速电机绝缘老化，严重时会导致槽楔脱落、转子端环脱落、电机烧毁等严重问题［3］

1．5 变频技术应用

出于起动和节能的需要，变频技术在煤矿井下皮带输送机系统越来越普遍。国内矿山纷纷采用“变频器+异步电机+减速器+滚筒”的传动方式，这种驱动方式取消了液力耦合器，通过变频器对电机的矢量变频控制，平稳起动制动;更重要的是，带式输送机负载属于时变负载，轻载节能成为目前矿山要解决的重要课题。所以，带式输送机用电机既要符合常规电源供电的使用要求，也要满足变频器供电的情况［14］。

1．6 应急互换性

为适应煤矿的工作要求，实现高产高效的生产模式，带式输送机的多机驱动已成为发展趋势。多机驱动中的同轴驱动电机要能够在巷道左右两侧互换，以满足应急需要［15］。

2 解决方案

针对带式输送机用电机的工况特点，对煤矿带式输送机专用高压隔爆型三相异步电动机开发提出以下技术解决方案。

2．1 提高电机使用系数

提高电机使用系数，一方面为解决电机功率分配不平衡引起过载问题，需要留足功率余量，避免电控系统频繁报警停机或电机烧毁;另一方面，煤矿带式输送机电机运行一段时间后，机壳表面会堆积潮湿带粘度的粉尘层，大大降低了电机机壳的散热能力，电机需要预留温升余量。国家标准和IEC标准对高压电机的使用系数没有明确的规定［16］，带式输送机电机选型有的留余量，有的没有留余量，这就需要电机设计厂商在设计带式输送机用电机时留足使用系数。带式输送机的电机功率不平衡的程度决定于输送带弹性、滚筒直径、电动机特性以及驱动滚筒的布置［17］，不同的运行工况和不同的输送机型式，暂时无从具体计算电机在功率分配不平衡过载时所需要的具体功率，在开发过程中，选取使用系数靠NEMA标准。带式输送机用电机和YB系列高压电机考核温升、使用系数见表3。

表3 带式输送机用电机与YB系列电机考核温升、使用系数比较

2．2 采用变频电机设计方案

采用变频电机设计方案主要是为满足部分带式输送机采用变频器控制系统供电的使用要求，同时也考虑非变频器供电的带式输送机用电机的情况，这样就满足不同电源供电的工况。设计方案如下。

(1)在电磁设计上，优化槽型、控制电阻，减少变频器谐波对电机温升的影响，同时兼顾非变频起动所需的起动和过载能力。

(2)在绝缘设计上，要满足变频器脉冲电源的使用要求。

(3)在冷却系统上，充分考虑低频运行的散热要求。

(4)在结构设计上，定转子固有频率避开变频范围，避免电机运行引起共振。

2．3 采用耐热、耐潮、耐冲击绝缘系统

针对煤矿带式输送机所处的工况环境，开发了耐热、耐潮、耐冲击电机绝缘体系统，除了三大特性之外，该绝缘体系对6kV、10kV全部采用了三级防晕体系，能有效降低电机内腔潮湿空气被击穿之后产生的臭氧等气体对绝缘绕组的腐蚀，进一步延长电机绕组的绝缘寿命。绝缘系统主要参数见表4。

表4 带式输送机用电机绝缘体系

2．4 提高起动性能和过载能力

根据电机学原理，提高起动转矩倍数，降低起动电流倍数，可以缩短电机起动时间，降低电机起动时的发热量，减小电流冲击对绕组绝缘和转子的损伤，实践证明这种方式可以有效减少甚至杜绝绕组烧毁、定子槽楔脱落、转子端环脱落等诸多问题。所以煤矿带式输送机用电机的起动过载性能不仅要高于 JB/T 8674—2007，而且要高于JB/T 8674—1997，适当低于 MT/T 476—2011 YBC系列采煤机截割部用隔爆型三相异步电动机、MT/T 477—2011 YBU系列掘进机用隔爆型三相异步电动机、MT/T 478—2011 YBS系列输送机用隔爆型三相异步电动机等采掘面用电机的标准，具体取值见表5。

表5 带式输送机用电机与通用电机热态允许堵转时间比较

2．5 提高外壳防护等级

提高电机外壳防护等级，一方面是为了防止水进入电机机壳内部而导致电机绝缘电阻的下降、老化问题;另一方面是防止粉尘进入电机机壳内部。

目前国内YB系列电机都按IP55防护等级设计，但是根据对多台问题电机的拆解，电机机壳出线口部位进水进尘的问题还是存在，国内外配套带式输送机的电机厂商都如此，原因在于电机厂商为了加工方便，机壳出线口部位都是采用方形、平面设计(见图1)，这种结构防尘防水效果不佳。为解决这个问题，我们决定从模具入手，采用止口隔爆设计，以提高出线口位置电机的防护等级(见图2)。

图1 改进前机壳出线口

图2 改进后机壳出线口

2．6 加大绕组加热器功率

在电机内部增设加热器，在电机停机时通电能有效的降低电机内腔湿度，避免电机绕组受潮损坏。常规电机绕组加热带功率的选取是根据JB/T 7836．1《电机用电加热器第1部分:通用技术条件》，选型见式(1)

式中，W—电动机加热器功率，kW;D—电动机端罩(或端盖)直径，m;L—端罩(端盖)两内端面之间的长度，m。

式(1)的建立需要两个前提:

(1)加热器的功率大小应该能在电动机停用时，使一封闭电机的绕组温度高于环境温度5℃，在不考虑外界影响的情况下，释放热量完全被吸收。

(2)环境空气相对湿度不大于90%(环境温度为25℃ 时)。

由此可见，式(1)已经不适合煤矿井下带式输送机用电机的绕组加热带选型要求。另外，国内有关电机厂家在式(1)基础上乘1．3倍的使用系数［18］，在电机修理过程中仍然看到不少厂家电机用在煤矿井下后，尽管电机停机绕组加热带通电，但还是存在由于加热带功率不足导致绕组受潮的问题。结合经验，煤矿带式输送机用电机的绕组加热带功率选型在式(1)基础上乘1．8倍的使用系数。

2．7 双向风路系统

多机驱动应急互换成为带式输送机用电机的通用要求，这就要求电机内外风路不能选用单向风扇。实践表明，同型号电机用双向风扇替代单向风扇必将引起机械损耗的增大，电机效率下降，这就需要选取合适的风扇。采用双向风扇，可通过控制机械损耗占电机输入功率的比值及外风路风速能达到保证效率、控制温升的目的。具体取值见表6。

表6 高压隔爆型三相异步电动机机械耗控制与外风路风速

3 样机性能分析

根据以上技术方案，进行了煤矿带式输送机用高压隔爆型三相异步电动机的开发，并试制生产了涵盖6kV、10kV机座号H355-H560共5台性能样机，完成了湿热、型式、通电防爆、跌落、防护、热老化、介损、击穿电压等试验项目，试验全部合格。关键的试验结果见表7、图3、图4、图5、图6。试验数据表明，样机的起动性能、过载能力都符合文章提出的煤矿带式输送机用高压隔爆型三相异步电动机考核指标，性能远远高于当前市场通用的YB系列高压隔爆型三相异步电动机考核要求，能更好的适应煤矿带式输送机恶劣的运行工况。

表7 高压隔爆型三相异步电动机湿热试验结果

图3 样机堵转转矩倍数

图4 样机堵转电流倍数

图5 样机最大转矩倍数

图6 样机温升

4 结语

以满足工况运行需要为导向，专用设计是电机今后发展的一个重要方向。煤矿带式输送机专用高压隔爆型三相异步电动机的开发是一个很有意义的尝试，相信今后这类结合现场实际需要的专用化设计开发将会越来越多。试制样机下一步将进行现场工业运行试验检验，通过工业试验将进一步优化、完善这一类专用电机。

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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;毕业于哈尔滨理工大学电气工程自动化专业(电机电器及其控制方向)，现从事高压防爆电机设计开发及技术管理工作．

2015-05-25

中国煤炭科工集团有限公司科技创新(2015ZD003)