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科技造就价值发展过载保护器范围
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浅论异步电动机的各种保护

 

杭州之江开关厂 连理枝

摘 要: 本文论述了异步电动机在发生过载、短路、断相、欠电压等故障时产生的后果以及它们的有效保护方法。

关键词: 异步电动机  故障  保护

电动机的故障大体分为两部分:
一部分是机械的原因。例如轴承和风机的磨损或损坏:另一部分是电磁故障,二者互有关连。如轴承损坏,引起电动机的过载,甚至堵转,而风叶损坏,使电动机绕组散热困难,温升提高,绝缘物老化。电磁故障的原因很多,如电动机的过载、断相、欠电压和短路都足以使电动机受损和毁坏。过载、断相、欠电压运行都会使绕组内的电流增大,发热量增加(导体的发热量是和电流的平方成正比的),而短路造成的危害就更大。短路的原因是电动机本身的绝缘材料质量差或电动机受潮(在农村是经常发生的,例如受雨淋或落水),以致于绕组的相间击穿,引起短路。此外,还有电动机置于有酸碱物的场所,因受腐蚀而损坏绝缘。

一、电动机的过载及其保护

电动机的过载除上述原因外,还有:
a.电动机周围环境温度过高,散热条件差;
b.电动机在大的起动电流下缓慢起动;
c.电动机长期低速运行;
d.电动机频繁起动、制动、正反转运行及经常反接制动。
电动机的过载由于电流增大,发热剧增,从而使其绝缘物受到损害,缩短了其使用寿命甚至被烧毁。

从电动机的结构来看,鼠笼型电机的定子铁心置放绕组的槽内必须有良好的绝缘物,绕组(铜线)表面有绝缘漆层,绕线式电动机转子绕组与定子绕组一样,绕组与铁心槽衬以绝缘物,三个端线所接的铜滑环,环间,环与转轴之间也是彼此绝缘的。为了保证电动机的相间、带电体与外壳的绝缘,通常是使用各种耐热等级的绝缘材料的。各种绝缘都有一定的耐受工作温度的指标。IEC85规定A级(105℃)、E级(120℃)、B级(130℃)、F级(155℃)……。八十年代,IEC216提出了一个新的耐热标准,称为温度指数TI(Temperature Index)以此代替IEC85。TI是按阿尼罗乌丝(Arrhenins)公式t=10 a+b/T 计算的。式中:
t—寿命[小时(h)]
T—绝缘材料使用的温度(℃)
a、b—与材料有关的常数
例如:某电动机使用的绝缘材料a=-2,b=1034,使用温度T=164℃得 t=10-2+(1034/642)=10 4.30=2000h
它表示此绝缘物使用于164℃时,其使用寿命为20000小时。
如果把使用温度提高8℃,则T=164+8=172℃
t=10 -2+(1034/172)=10 4=10000h
它说明很早以来,电工技术工作者提出的绝缘材料的使用温度每增加8℃,其使用寿命就减半是有理论和实践依据的。
电动机的过载保护安秒(I-t)曲线(反时限)
1.电动机的过载特性
2.电动机保护器(电机保护器)的保护特性
3.电动机的起动电流特性

电动机保护器(电机保护器)的I-t曲线在电动机过载特性之内,但两曲线间距不必拉得过大,以便做到既不使电动机因为过载造成温升增大影响寿命,又充分利用电动机本身的最大耐受过载能力。根据生产和科学实践,对电动机的保护特性已由IEC947—4《低压开关设备和控制设备。低压机电式接角器和电动机起动器》作出了新的规定(我国的GB14048.4等效于IEC标准),对无温度补尝的保护电器:
1.0In>2h不动作
1.2In≤2h动作
7.2In:2s<Tp≤10s、4s<Tp≤10s、6s<Tp≤20s、9s<Tp≤30s(也分4组,与上面的1.5In的4组相对应)。

在八十年代,我国曾有科技人员对绕组采用B级绝缘(允许工作温度为130℃)的电动机,进行了实测(即不动作和动作的时间极限,此极限表明不会引起绝缘水平下降的电流与时间的最大值):
以上实测值是在几台电动机上测试的,不够全面,但它表明,这个标准还是比较实际的(6In是老标准)旧标准把6In作为可返回特性的电流,它相当于电动机的起动电流,经可返回时间(在通以6In时的延时时间,后将电流返回1倍In或0.9In,此段时间内保护电器不允许动作,这种可返回特性的规定是为了躲过电动机的起动,它的可返回时间应大于电动机的起动时间,旧标准的可返回时间分1s、3s、8s、13s几种)。鉴于把起动电流定在6倍和可返回时间固定在上述的4种已不能完全反映现实情况(例如Y型鼠笼型电动机的起动电流倍数就有5、5.5、 6、6.5、6.8、7的六种),因此我国的GB14048.4(等效采用IEC947-4)统一规定为7.2倍,并对不同的起动时间规定了延时时间Tp。美国NEMA(美国全国电气制造商协会)1993年的MG-1标准对电动机的过载和失速(相当于电动机的堵转和刚起动——笔者注)保护作了新的规定:“输出功率不超过500HP(马力,相当于368kW—笔者注),额定电压不超过1kV的多相电动机,在正常工作温度初次起动,耐受1.5倍全额电流的时间应不等于2min”,又规定:“功率输出不超过500HP,额定电压不超过1kV的多相电动机,在正常温度初次起动时,应能耐锁定转子电流的失速时间不少于12s”,从以上标准和对我国绝大多数的电动机的起动时间的统计来看,选1.5In为2min,7.2In为2s<Tp≤10s是适合的。当然,如果失速或起动时间超过10s也可取其他的Tp值。怎样进行电动机的过载保护?现在对电动机的过载保护采用最多的是热继电器,也有相当数量采用有复式脱扣器(热动和电磁脱扣器,后者用于短路保护)的断路器。对于重载起动的电动机(起动时间为一般电动机的数倍),如果使用一般的热继电器,常常会在起动过程中发生误动作(跳闸),使电动机无法起动。因此需要选用带速饱和电流互感器或限流电阻的热继电器,这种型式是通过速饱和电流互感器或限流电阻使起动电流成比例地缩小,就可以大大延长电动机的起动时间,保证正常起动,还有采取起动时将热继电器短接,起动完毕再将热继电器投入运行——完全短路法。此外,对带速饱和互感器的热继电器,起动时将互感器二次绕组短接,起动完毕后再使之投入等方法,来满足重载起动电动机的需要。


二、电动机的短路保护电动机保护器(电机保护器)瞬时动作电流整定值)电动机在短路情况下的保护,通常选用断路器,有的地方也使用熔断器。一些文献提到,断路器的瞬时动作电流整定值应能躲过电动机的全起动电流,其关系式为:

式中:
Isct—断路器瞬时动作电流整定值A;
k —可靠系数,它考虑了电动机起动电流的误差和断路器瞬动电流的误差,k一般取1.2;    
I'st—全起动电流值,也称尖峰电流A。所谓全起动电流,是包括周期分量和非周期分量两部分。非周期分量的衰减时间约为30ms左右,而一般的非选择性断路器的全分断时间在20ms之内,因此必须把非周期分量考虑进去。I’st为1.7~2倍的电动机起动电流I’st。在诸多文献中,如《建筑电气设计手册》规定Isct≥(1.7~2)Ist,而《工业与民用配电设计手册》规定Isct=1.7Ist,有的手册则规定Icst为2~2.5倍的电动机起动电流。低压电器标准,如JB1284《低压断路器》的编制说明中认为,根据实验和统计,保护鼠笼型电动机的断路器,其瞬动电流是整定在8~15倍电动机的额定电流的,而绕线式电动机应整定在3~6倍电动机额定电流。8~15倍鼠笼型电动机额定电流是一个范围,具体的数值还需要考虑电动机的型号、容量、起动条件等等因素。以下,我们分析一下,鼠笼型电动机起动时的全起动电流(类峰电流)。
1.起动电流的低功率因数,过渡过程的非周期分量的存在。在这种情况下,周期分量的幅值尽管稳定,但受非周期分量的影响,故有尖峰电流流过(功率因数低,表示电感L大,时间常数T=L/R大,非周期分量Imsin(Ψ—)e-t/T值大,非周期分量的衰减慢)。当起动电流的COS=0.3时,尖峰电流为起动电流(有效值)的2倍左右;
2.残余电压的影响而产生的瞬间再合闸的尖峰电流。
电动机切断电源后再接通时,当切断电源而电动机尚未停下,就带有残余电压。这种残余电压不仅是由于有剩磁而产生,而且还由于次级线圈(转子)有残余电流而形成,所存在的残余电压与再合闸时的电源电压在某一相位时的叠加,就会产生尖峰电流。其大小与电动机完全停止后再起动相比,要大(残余电压+电源电压)比电源电压倍,这种尖峰电流虽然仅出现1-2周波,但足以使断路器的瞬时脱扣器动作。

因为1、2两个原因,可出现下列情况:

(1)电动机直接起动
由于COS为0.3,尖峰电流为(6In)的2倍,等于
In(有效值)故塑壳式断路器的瞬时脱扣器整定电流值最小值为8.5In,(In为电动机的额定电流)

(2)星—三角(Y-Δ)起动
也假设为COS0.3,当从Y起动到Δ运转的一瞬间(1~2周波),尖峰电流(峰值)约为额定电流(有效值)的19倍,则断路器必须把瞬时动作电流整定到14In
? 以上。

(3)自耦减压起动时
COS=0.3,电动机起动电流为6In,由于有尖峰电流的存在,原来按80%抽头的正常起动电流为3.84In,现提高到7.7In,按65%抽头的正常起动电流为4.3In,现提高到5In。

(4)瞬时再起动
按COS为0.3,起动电流为6In,考虑到残余电压的影响,尖峰电流为最大,是额定电流的24倍(6×2×2)(峰值),其有效值为
=16.97≈17,因而断路器的瞬时脱扣器的整定电流必须在电动机额定电流的17倍以上。从以上分析可知,正是电动机的型号、结构、起动方式等的不同,导致尖峰电流的出现,由此而推出Isct在8~15倍In之内(个别的还可达到17倍In),对于瞬时动作电流可调的断路器,其调节范围按8~15倍In考虑,而大量的塑壳式断路器(不可调),取其平均值12In,误差
采用熔断器保护电动机的瞬动,熔断器的熔体电流可由下式确定:
Irin≥Ist比α
式中:Ist —电动机的起动电流 A;
α —决定起动状况和熔断器的系数,一般为2~3之间。

三、关于鼠笼型电动机的断相保护电动机的断相分为两类,一是电动机外部的电源线断线;二是电动机内部定子绕组的断线,而电动机内部接线又分为星形联结和三角形连接两种。因此提到断相必须分清是那一种性质,另外,所谓断相保护,是指正在运行中的电动机。

1.被保护的电动机的定子绕组是星形联结,断相运行时,一般说未断的两相电流会增大。由于电压的不平衡,至少有一相电流增大。因是星形联结,线电流等于相电流,所以对于星形联结的电动机,选用一般的三极热继电器或三极保护电动机型的断路器,是能够起到有效保护的。

2.被保护的电动机的定子绕组是三角形联结,当电动机发生断相时会有两种情况产生:
a.电动机外部的电源线断线(如熔断器——相熔断),I2ph=2Iph I2=I3=I1ph+I2ph=1.5I 2ph此时线电流与相电流之间已不是的关系,线电流已经不能正确反映相电流的大小,即不能有效地反映电动机绕组是否已处于过载状态。
当电动机在额定负载下断相运行时,I1ph=I3ph=0.58In(In为电动机的额定电流),I2ph=2Iph=1.16In,I2=I3=1.5I2ph=1.5×1.6In=1.73In。此时如果选用一般的三极热继电器(或断路器),勉强可以起保护作用但是当负载在额定负载的65%下断线运行时会动作,时间长了可能烧毁电动机。为解决保护问题,应采用带断相保护的热继电器,如JR 20、T系列、3UA系列等。
b.电动机的定子绕组为三角形联结,绕组断了一相,如图3所示,此时就出现: I2=I3=Iph  I1= I ph可以看到,有一相线电流与未断线前是一样的,因此,可以选用一般的三极热继电器来保护。

四、关于电动机的欠电压保护
当低压配电和用电电路因发生故障而使网络电压大幅度降低时,就会使正常运转的电动机出现疲倒、堵转、使大批电动机产生几倍的过电流甚至短路。此时必须使用保护电器将故障电
压切断,以便保护电动机(特别是功率为30kV及以上的电动机)及其线路。
电压降低到足以使电动机疲倒、堵转的电压,称为临界电压。在临界电压出现时,低压保护电器恰好会动作就称为欠电压保护。
当电网电压低于电动机的临界电压,保护装置方始动作,称为失压保护,失压保护是欠电压 保护的一种。
根据理论计算,在额定负载(满负荷)时,
鼠笼型电动机的临界电压  Uk=0.67Ue;(Ue为电动机的额定电压);
绕线型电动机的临界电压  Uk=0.71Ue。
如果负载率是50%,则
鼠笼型电动机的临界电压  Uk=0.5Ue;
绕线型电动机的临界电压  Uk=0.525Ue。
因此从理论值上看(理想的情况),无论是鼠笼型或绕线型电动机的欠电压保护值,其上限为0.70Ue,下限值为0.5Ue,而考虑各种误差因素,GB14048.2《低压开关设备和控制设备低压断路器》标准规定,欠电压动作电压值为(70%~35%)Ue。
我们知道,在电动机的起动瞬间(或在全电压下电动机运转时的转矩小于负载转矩时)其电流 变得很大,此时的电动机电流I2 '(折合到定子的转子电流)
,由于刚起动或堵转,n≈0,S≈1,I12很大,一般可达5~7倍的In。如果电路的电压下降到临界电压的上限值造成堵转时, 电动机的电流最大可达5In,时间略长就要烧毁电动机。
前者有残余电压,故有残余电磁转矩的作用,这就是电动机达到停机的惰行时间较长。还可能带来本身的短路,且此时如果电网电压恢复正常,再起动时,会产生很大的冲击电流,扩大故障范围;而在电压完全消失时,或者仅有20%~30%额定电压下,达到停机的时间仅为纯机械的较短惰行时间而已,此时(电动机尚未全停下)即使电压恢复正常,所造成的冲击电 流也不大。失压保护的意义在于防止自起动。

欠电压保护的动作时间可分三类:
1.瞬时动作—对于不重要的,不影响生产工艺流程的电动机,一旦有低于临界电压者立即动作

2.般短延时0.5s左右,短延时动作主要针对欠电压对象,用瞬时动作甩掉一批次要的电动机, 而用短延时动作来保住一些主要的电动机。

3.长延时动作—适用于重要的,起动条件不困难的绕线型电动机;可以自起动但技术保安条
例不允许自起动的鼠笼型电动机,延时大约5~10s,通常它的整定时间大于5s而小于电动机
的全部惰行时间。长延时动作主要针对失压保护,其目的是争取一部分比较重要,而其起动 条件又不困难的电动机尽可能不退出运转。

五、电动机保护线路及其电动机保护器(电机保护器)的选择

电动机保护的线路大致有以下四种
1.由热继电器FR,接触器kM和仅有瞬动保护的断路器QF组成,如图4所示。
接触器用来起动、停止电动机,热继电器用来保护电动机的过载,而仅有瞬动保护的断路器 是保护电动机的短路。

2.由热继电器FR,接触器kM和熔断器FS组成,如图5所示。 热继电器保护电动机的过载,接触器起动和停止电动机,熔断器作电动机的短路故障保护。

3.由一台接触器kM和一台电动机保护型的断路器QF组成,如图6所示。
接触器作为电动机的起动和停止之用,电动机保护型断路器作电动机的过载和短路故障的保 护。

4.由一台电动机保护型断路器组成,
电动机保护型断路器,既做电动机的起动和停止,又作电动机的过载和短路故障的保护。
以上四种中,1、2两种适合于比较频繁的起动——停止电动机,第3种适合一般频繁起动, 而第4种只能适用于不频繁起动和停止。
从投资来看,1、2种最不经济,第4种最经济,因为它可少用一台起动、停止用的接触器(和 热继电器)。
但是采用电动机保护型的断路器作电动机的过载保护和短路保护(如图7所示),也存在一个很难克服的困难。这就是额定电流的匹配问题,例如Y型电动机同是15kW功率,因为极数等原因,额定电流就有29、30、31、34安培等规格。而断路器的额定电流是严格按照国家标准 ,以优选系数=1.25的增减来选择的,如10、13、16、20、25、32、40、50、63、80、100A……这样,15kW电动机选用的断路器额定电流只能往上靠32A,它大于29A、30A、31A、规格而小于34A规格的电动机。对于现在大量应市的塑壳式断路器,尽管有电动机保护型,但是它的整定电流(额定电流)是不可调的,往往起不到保护作用,因此采用断路器作过载保护是不理想的,建议采用过载长延时整定电流可调的热继电器来充任。虽然这种可调是不精细的,目前我厂正在开发智能型塑壳式断路器,如果研制成功,则其整定电流可以基本上做到无级调整。
上述第1种电动机保护线路的断路器QF是仅有瞬时保护性能的。一般的瞬动电流整定值为12In,而本文第二部分提到的星—三角转换和和瞬时再起动,以及一些特殊使用场所,如电力
机车的上坡等,瞬动电流整定值可能要求14In甚至更大,这就需要向制造厂作特殊订货。
电动机作为一种设备,通常它使用于支路,或主回路和中未端,功率为22kW及以下的大量小型电动机,它的短路电流是不大的,在10kA以内,但是,现在的一些大型企业为了减少电能传输过程的损耗,往往将变压器放在进线柜(即动力中心PC)中,而电动机置于电动机控制中 心(Motor Control Centre简称MCC),MCC离PC很近,用于电动机保护的断路器与变压器二次出线端之间的阻抗很小,尽管电动机的功率只有10几个kW,可是一旦断路器的负载端出现短路,其短路电流也是很大的,例如图8所示,M1为15kWY型电动机,当E点发生短路时,如变压器B的容量达1600kVA,E处的短路电流可达24.82kA(周期分量有效值),QF2的短路分断能力应选用380V,25kA(或35kA)的电动机保护型塑壳式断路器(In为32A)。
 

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