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異步電動機的保護

 

上海電器科學研究所陳培國

[摘要]該文闡述了異步電動機的保護與控制關系,介紹了異步電動機的各種保護裝置。電動機保護主要有兩大類:采用電流檢測型的有熱繼電器,帶有熱—磁脫扣的電動機保護用斷路器,電于式和固態繼電器,帶電子式脫扣的電動機保護用斷路器以及軟起動器;直接檢測電動機繞組溫度的溫度檢測型有雙金屬片溫度繼電器、熱保護器、檢測線圈和熱教電阻溫度繼電器等,但由于需直接埋入電機繞組,價格較貴、維修困難等原因,僅在部分頻繁操作場合使用。最后指出不管采用何種保護裝置,必須 考慮過載保護裝置與電動機、過載保護裝置與短路保護裝置的協調配合。
關鍵詞  異步電動機  保護裝置  控制
異步電動機的保護是個復雜的問題。在實際使用中,應按照電動機的容量、型式、控制方式和配電設備等不同來選擇相適應的保護裝置及起動設備。

電動機的保護與控制關系

電動機的保護往往與其控制方式有一定關系,即保護中有控制,控制中有保護。如電動機直接起動時,往往產生4—7倍額定電流的起動電流。若由接觸器或斷路器來控制,則電器的觸頭應能承受起動電流的接通和分斷考核,即使是可頻繁操作的接觸器也會引起觸頭磨損加劇,以致損壞電器;對塑料外殼式斷路器,即使是不頻繁操作,也很難達到要求。因此,使用中往往與起動器串聯在主回路中一起使用,此時由起動器中的接觸器來承載接通起動電流的考核,而其他電器只承載通常運轉中出現的電動機過載電流分斷的考核,至于保護功能,由配套的保護裝置來完成。
此外,對電動機的控制還可以采用無觸點方式,即采用軟起動控制系統。電動機主回路由晶閘管來接通和分斷。有的為了避免在這些元件上的持續損耗,正常運行中采用真空接觸器承載主回路(并聯在晶閘管上)負載。這種控制有程控或非程控;近控或遠控;慢速起動或快速起動等多種方式。另外,依賴電子線路,很容易做到如電子式繼電器那樣的各種保護功能。

電動機保護裝置

電動機的損壞主要是繞組過熱或絕緣性能降低引起的,而繞組的過熱往往是流經繞組的電流過大引起的。對電動機的保護主要有電流、溫度檢測兩大類型。下面結合產品作些介紹。
1.電流檢測型保護裝置
(1)熱繼電器利用負載電流流過經校準的電阻元件,使雙金屬熱元件加熱后產生彎曲,從而使繼電器的觸點在電動機繞組燒壞以前動作。其動作特性與電動機繞組的允許過載特性接近。熱繼電器雖則動作時間準確性一般,但對電動機可以實現有效
的過載保護。隨著結構設計的不斷完善和改進,除有溫度補償外,它還具有斷相保護及負載不平衡保護功能等。例如從ABB公司引進的T系列雙金屬片式熱過載繼電器;從西門子引進的3UA5、3UA6系列雙金屬片式熱過載繼電器;JR20型、JR36型熱過載繼電器,其中Jn36型為二次開發產品,可取代淘汰產品JRl6型。
(2)帶有熱—磁脫扣的電動機保護用斷路器熱式作過載保護用,結構及動作原理同熱繼電器,其雙金屬熱元件彎曲后有的直接頂脫扣裝置,有的使觸點接通,最后導致斷路器斷開。電磁鐵的整定值較高,僅在短路時動作。其結構簡單、體積小、價格低、動作特性符合現行標準、保護可靠,故日前仍被大量采用.特別是小容量斷路器尤為顯著。例如從ABB公司引進的M611型電動機保護用斷路器,國產DWl5低壓萬能斷路器(200—630A)、S系列塑殼斷路器(100、200、400入)。
(3)電子式過電流繼電器通過內部各相電流互感器檢測故障電流信號,經電子電路處理后執行相應的動作。電子電路變化靈活,動作功能多樣,能廣泛滿足各種類型的電動機的保護。其特點是:
①多種保護功能。主要有三種:過載保護,過載保護十斷相保護,過載保護十斷相保護+反相保護。
②動作時間可選擇(符合GBl4048.4—93標準)。
標準型(10級):7.2In(In為電動機額定電流),4—1Os動作,用于標準電動機過載保護,速動型(10A級):7.2In時,2—1Os動作,用于潛水電動機或壓縮電動機過載保護。慢動型(30級):7.2In時,9—30s動作,用于如鼓風機電機等起動時間長的電動機過載保護。
③電流整定范圍廣。其最大值與最小值之比一般可達3—4倍,甚至更大倍數(熱繼電器為1.56倍),特別適用于電動機容量經常變動的場合(例如礦井等)。
④有故障顯示。由發光二極管顯示故障類別, 便于檢修。
(4)固態繼電器它是一種從完成繼電器功能的簡單電子式裝置發展到具有各種功能的微處理器裝置。其成本和價格隨功能而異,最復雜的繼電器實際上只能用于較大型、較昂貴的電動機或重要場合。它監視、測量和保護的主要功能有:
①最大的起動沖擊電流和時間;
②熱記憶;
⑤大慣性負載的長時間加速;
④斷相或不平衡相電流;
⑤相序;
⑥欠電壓或過電壓;
⑦過電流(過載)運行;
⑧堵轉;
⑨失載(機軸斷裂,傳送帶斷開或泵空吸造成工作電流下跌);
⑩電動機繞組溫度和負載的軸承溫度;
⑩超速或失速。
上述每一種信息均可編程輸入微處理器,主要是加上需要的時限,以確保在電動機起動或運轉過程中產生損壞之前,將電源切斷。還可用發光二極管或數字顯示故障類別和原因,也可以對外向計算機輸出數據。
(5)帶有電子式脫扣的電動機保護用斷路器其動作原理類同上述電子式過電流繼電器或固態繼電器。功能主要有:電路參量顯示(電流、電壓、功率、功率因數等),負載監控(按規定切除或投入負載),多種保護特性(指數曲線反時限、I2t曲線反時限、定時限或其組合),故障報警,試驗功能,自診斷功能,通信功能等。產品如施耐德電氣公司生產的M系列低壓斷路器。
(6)軟起動器軟起動器的主電路采用晶閘管,控制其分斷或接通的保護裝置一般做成故障檢測模塊,用來完成對電動機起動前后的異常故障檢測,如斷相、過熱、短路、漏電和不平衡負載等故障,并發出相應的動作指令。其特點是系統結構簡單,采用單片機即可完成,適用于工業控制。
2.溫度檢測型保護裝置
(1)雙金屬片溫度繼電器它直接埋入電動機繞組中。當電動機過載使繞組溫度升高至接近極限值時,帶有一觸頭的雙金屬片受熱產生彎曲,使觸點斷開而切斷電路。產品如JW2溫度繼電器。
(2)熱保護器它是裝在電動機本體上使用的熱動式過載保護繼電器。與溫度繼電器不同的是帶2個觸頭的碗形雙金屬片作為觸橋串在電動機回路,既有流過的過載電流使其發熱,又有電動機溫度使其升溫,達到一定值時,雙金屬片瞬間反跳動作,觸點斷開,分斷電動機電流。它可作小型三相電動機的溫度、過載和斷相保護。產品如sPB、DRB型熱保護器。
(3)檢測線圈測溫電動機定子每相繞組中埋入1—2個檢測線圈,由自動平衡式溫度計來監視繞組溫度。
(4)熱敏電阻溫度繼電器它直接埋入電動機繞組中,一旦超過規定溫度,其電阻值急劇增大10—1000倍。使用時,配以電子電路檢測,然后使繼電器動作。產品如JW9系列船用電子溫度繼電器。
保護裝置與異步電動機的協調配合

為了確保異步電動機的正常運行及對其進行有效的保護,必須考慮異步電動機與保護裝置之間的協調配合。特別是大容量電網中使用小容量異步電動機時,保護的協調配合更為突出。
1.過載保護裝置與電動機的協調配合
(1)過載保護裝置的動作時間應比電動機起動時間略長一點。由附圖可見,電動機過載保護裝置的特性只有躲開電動機起動電流的特性,才能確保其正常運轉;但其動作時間又不能太長,其特性只能在電動機熱特性之下才能起到過載保護作用。
(2)過載保護裝置瞬時動作電流應比電動機起動沖擊電流略大一點。如有的保護裝置帶過載瞬時動作功能,則其動作電流應比起動電流的峰值大一些,才能使電動機正常起動。
(3)過載保護裝置的動作時間應比導線熱特性小一點,才能起到供電線路后備保護的功能。
2.過載保護裝置與短路保護裝置的協調配合一般過載保護裝置不具有分斷短路電流的能力。一旦在運行中發生短路,需要由串聯在主電路中的短路保護裝置(如斷路器或熔斷器等)來切斷電路。若故障電流較小,屬于過載范圍,則仍應由過載保護裝置切斷電路。故兩者的動作之間應有選擇性。
附圖中短路保護裝置特性是以熔斷器作代表說明的,與過載保護特性曲線的交點電流為Ij,若考慮熔斷器特性的分散性,則交點電流有Is及IB兩個,此時就要求 Is及以下的過電流應由過載保護裝置來切斷電路,Ib及以上直到允許的極限短路電流則由短路保護裝置來切斷電路,以滿足選擇性要求。顯然,在Is—IB范圍內就很難確保有選擇性.因此要求該范圍應盡量小。從現行IEC標準規定來看,極限值為Is=O.75Ij,Ib=1.25IJ。目前過載保護裝置的額定接通和分斷能力均按0.75IJ考核,顯然偏低一些,從IEC標準修改的動向,今后有可能按 IJ考核,以提高其可靠性。因此上述的協調配合應既考慮其選擇性,又考慮其額定接通和分斷能力。

結 語
異步電動機的保護是涉及電氣裝置和機械設備可靠、正常運轉的關鍵之一。直接檢測電動機繞組的溫度來保護過載引起的過熱是很有效的保護方式,但由于需直接埋入電動機繞組里,價格較貴、維修困難等原因,僅在部分頻繁操作場合使用;從經濟性考慮,采用電流檢測型更為有利,加熱繼電器仍是一種價廉、簡單、可靠的電動機保護形式(從實際使用情況看,目前使用量占大多數);對動作性能要求較高及功能要求全或價格昂貴的大容量電動機保護,則可采用電子式或固態繼電器;對一般要求,則采用帶熱—磁脫扣的電動機保護用斷路器更為實用。但不管采用何種保護裝置,必須考慮過載保護裝置與電動機、過載保護裝置與短路保護裝置的協調配合。
 

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