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淺論異步電動機的各種保護

 

杭州之江開關廠 連理枝

摘 要: 本文論述了異步電動機在發生過載、短路、斷相、欠電壓等故障時產生的后果以及它們的有效保護方法。

關鍵詞: 異步電動機  故障  保護

電動機的故障大體分為兩部分:
一部分是機械的原因。例如軸承和風機的磨損或損壞:另一部分是電磁故障,二者互有關連。如軸承損壞,引起電動機的過載,甚至堵轉,而風葉損壞,使電動機繞組散熱困難,溫升提高,絕緣物老化。電磁故障的原因很多,如電動機的過載、斷相、欠電壓和短路都足以使電動機受損和毀壞。過載、斷相、欠電壓運行都會使繞組內的電流增大,發熱量增加(導體的發熱量是和電流的平方成正比的),而短路造成的危害就更大。短路的原因是電動機本身的絕緣材料質量差或電動機受潮(在農村是經常發生的,例如受雨淋或落水),以致于繞組的相間擊穿,引起短路。此外,還有電動機置于有酸堿物的場所,因受腐蝕而損壞絕緣。

一、電動機的過載及其保護

電動機的過載除上述原因外,還有:
a.電動機周圍環境溫度過高,散熱條件差;
b.電動機在大的起動電流下緩慢起動;
c.電動機長期低速運行;
d.電動機頻繁起動、制動、正反轉運行及經常反接制動。
電動機的過載由于電流增大,發熱劇增,從而使其絕緣物受到損害,縮短了其使用壽命甚至被燒毀。

從電動機的結構來看,鼠籠型電機的定子鐵心置放繞組的槽內必須有良好的絕緣物,繞組(銅線)表面有絕緣漆層,繞線式電動機轉子繞組與定子繞組一樣,繞組與鐵心槽襯以絕緣物,三個端線所接的銅滑環,環間,環與轉軸之間也是彼此絕緣的。為了保證電動機的相間、帶電體與外殼的絕緣,通常是使用各種耐熱等級的絕緣材料的。各種絕緣都有一定的耐受工作溫度的指標。IEC85規定A級(105℃)、E級(120℃)、B級(130℃)、F級(155℃)……。八十年代,IEC216提出了一個新的耐熱標準,稱為溫度指數TI(Temperature Index)以此代替IEC85。TI是按阿尼羅烏絲(Arrhenins)公式t=10 a+b/T 計算的。式中:
t—壽命[小時(h)]
T—絕緣材料使用的溫度(℃)
a、b—與材料有關的常數
例如:某電動機使用的絕緣材料a=-2,b=1034,使用溫度T=164℃得 t=10-2+(1034/642)=10 4.30=2000h
它表示此絕緣物使用于164℃時,其使用壽命為20000小時。
如果把使用溫度提高8℃,則T=164+8=172℃
t=10 -2+(1034/172)=10 4=10000h
它說明很早以來,電工技術工作者提出的絕緣材料的使用溫度每增加8℃,其使用壽命就減半是有理論和實踐依據的。
電動機的過載保護安秒(I-t)曲線(反時限)
1.電動機的過載特性
2.電動機保護器(電機保護器)的保護特性
3.電動機的起動電流特性

電動機保護器(電機保護器)的I-t曲線在電動機過載特性之內,但兩曲線間距不必拉得過大,以便做到既不使電動機因為過載造成溫升增大影響壽命,又充分利用電動機本身的最大耐受過載能力。根據生產和科學實踐,對電動機的保護特性已由IEC947—4《低壓開關設備和控制設備。低壓機電式接角器和電動機起動器》作出了新的規定(我國的GB14048.4等效于IEC標準),對無溫度補嘗的保護電器:
1.0In>2h不動作
1.2In≤2h動作
7.2In:2s<Tp≤10s、4s<Tp≤10s、6s<Tp≤20s、9s<Tp≤30s(也分4組,與上面的1.5In的4組相對應)。

在八十年代,我國曾有科技人員對繞組采用B級絕緣(允許工作溫度為130℃)的電動機,進行了實測(即不動作和動作的時間極限,此極限表明不會引起絕緣水平下降的電流與時間的最大值):
以上實測值是在幾臺電動機上測試的,不夠全面,但它表明,這個標準還是比較實際的(6In是老標準)舊標準把6In作為可返回特性的電流,它相當于電動機的起動電流,經可返回時間(在通以6In時的延時時間,后將電流返回1倍In或0.9In,此段時間內保護電器不允許動作,這種可返回特性的規定是為了躲過電動機的起動,它的可返回時間應大于電動機的起動時間,舊標準的可返回時間分1s、3s、8s、13s幾種)。鑒于把起動電流定在6倍和可返回時間固定在上述的4種已不能完全反映現實情況(例如Y型鼠籠型電動機的起動電流倍數就有5、5.5、 6、6.5、6.8、7的六種),因此我國的GB14048.4(等效采用IEC947-4)統一規定為7.2倍,并對不同的起動時間規定了延時時間Tp。美國NEMA(美國全國電氣制造商協會)1993年的MG-1標準對電動機的過載和失速(相當于電動機的堵轉和剛起動——筆者注)保護作了新的規定:“輸出功率不超過500HP(馬力,相當于368kW—筆者注),額定電壓不超過1kV的多相電動機,在正常工作溫度初次起動,耐受1.5倍全額電流的時間應不等于2min”,又規定:“功率輸出不超過500HP,額定電壓不超過1kV的多相電動機,在正常溫度初次起動時,應能耐鎖定轉子電流的失速時間不少于12s”,從以上標準和對我國絕大多數的電動機的起動時間的統計來看,選1.5In為2min,7.2In為2s<Tp≤10s是適合的。當然,如果失速或起動時間超過10s也可取其他的Tp值。怎樣進行電動機的過載保護?現在對電動機的過載保護采用最多的是熱繼電器,也有相當數量采用有復式脫扣器(熱動和電磁脫扣器,后者用于短路保護)的斷路器。對于重載起動的電動機(起動時間為一般電動機的數倍),如果使用一般的熱繼電器,常常會在起動過程中發生誤動作(跳閘),使電動機無法起動。因此需要選用帶速飽和電流互感器或限流電阻的熱繼電器,這種型式是通過速飽和電流互感器或限流電阻使起動電流成比例地縮小,就可以大大延長電動機的起動時間,保證正常起動,還有采取起動時將熱繼電器短接,起動完畢再將熱繼電器投入運行——完全短路法。此外,對帶速飽和互感器的熱繼電器,起動時將互感器二次繞組短接,起動完畢后再使之投入等方法,來滿足重載起動電動機的需要。


二、電動機的短路保護電動機保護器(電機保護器)瞬時動作電流整定值)電動機在短路情況下的保護,通常選用斷路器,有的地方也使用熔斷器。一些文獻提到,斷路器的瞬時動作電流整定值應能躲過電動機的全起動電流,其關系式為:

式中:
Isct—斷路器瞬時動作電流整定值A;
k —可靠系數,它考慮了電動機起動電流的誤差和斷路器瞬動電流的誤差,k一般取1.2;    
I'st—全起動電流值,也稱尖峰電流A。所謂全起動電流,是包括周期分量和非周期分量兩部分。非周期分量的衰減時間約為30ms左右,而一般的非選擇性斷路器的全分斷時間在20ms之內,因此必須把非周期分量考慮進去。I’st為1.7~2倍的電動機起動電流I’st。在諸多文獻中,如《建筑電氣設計手冊》規定Isct≥(1.7~2)Ist,而《工業與民用配電設計手冊》規定Isct=1.7Ist,有的手冊則規定Icst為2~2.5倍的電動機起動電流。低壓電器標準,如JB1284《低壓斷路器》的編制說明中認為,根據實驗和統計,保護鼠籠型電動機的斷路器,其瞬動電流是整定在8~15倍電動機的額定電流的,而繞線式電動機應整定在3~6倍電動機額定電流。8~15倍鼠籠型電動機額定電流是一個范圍,具體的數值還需要考慮電動機的型號、容量、起動條件等等因素。以下,我們分析一下,鼠籠型電動機起動時的全起動電流(類峰電流)。
1.起動電流的低功率因數,過渡過程的非周期分量的存在。在這種情況下,周期分量的幅值盡管穩定,但受非周期分量的影響,故有尖峰電流流過(功率因數低,表示電感L大,時間常數T=L/R大,非周期分量Imsin(Ψ—)e-t/T值大,非周期分量的衰減慢)。當起動電流的COS=0.3時,尖峰電流為起動電流(有效值)的2倍左右;
2.殘余電壓的影響而產生的瞬間再合閘的尖峰電流。
電動機切斷電源后再接通時,當切斷電源而電動機尚未停下,就帶有殘余電壓。這種殘余電壓不僅是由于有剩磁而產生,而且還由于次級線圈(轉子)有殘余電流而形成,所存在的殘余電壓與再合閘時的電源電壓在某一相位時的疊加,就會產生尖峰電流。其大小與電動機完全停止后再起動相比,要大(殘余電壓+電源電壓)比電源電壓倍,這種尖峰電流雖然僅出現1-2周波,但足以使斷路器的瞬時脫扣器動作。

因為1、2兩個原因,可出現下列情況:

(1)電動機直接起動
由于COS為0.3,尖峰電流為(6In)的2倍,等于
In(有效值)故塑殼式斷路器的瞬時脫扣器整定電流值最小值為8.5In,(In為電動機的額定電流)

(2)星—三角(Y-Δ)起動
也假設為COS0.3,當從Y起動到Δ運轉的一瞬間(1~2周波),尖峰電流(峰值)約為額定電流(有效值)的19倍,則斷路器必須把瞬時動作電流整定到14In
? 以上。

(3)自耦減壓起動時
COS=0.3,電動機起動電流為6In,由于有尖峰電流的存在,原來按80%抽頭的正常起動電流為3.84In,現提高到7.7In,按65%抽頭的正常起動電流為4.3In,現提高到5In。

(4)瞬時再起動
按COS為0.3,起動電流為6In,考慮到殘余電壓的影響,尖峰電流為最大,是額定電流的24倍(6×2×2)(峰值),其有效值為
=16.97≈17,因而斷路器的瞬時脫扣器的整定電流必須在電動機額定電流的17倍以上。從以上分析可知,正是電動機的型號、結構、起動方式等的不同,導致尖峰電流的出現,由此而推出Isct在8~15倍In之內(個別的還可達到17倍In),對于瞬時動作電流可調的斷路器,其調節范圍按8~15倍In考慮,而大量的塑殼式斷路器(不可調),取其平均值12In,誤差
采用熔斷器保護電動機的瞬動,熔斷器的熔體電流可由下式確定:
Irin≥Ist比α
式中:Ist —電動機的起動電流 A;
α —決定起動狀況和熔斷器的系數,一般為2~3之間。

三、關于鼠籠型電動機的斷相保護電動機的斷相分為兩類,一是電動機外部的電源線斷線;二是電動機內部定子繞組的斷線,而電動機內部接線又分為星形聯結和三角形連接兩種。因此提到斷相必須分清是那一種性質,另外,所謂斷相保護,是指正在運行中的電動機。

1.被保護的電動機的定子繞組是星形聯結,斷相運行時,一般說未斷的兩相電流會增大。由于電壓的不平衡,至少有一相電流增大。因是星形聯結,線電流等于相電流,所以對于星形聯結的電動機,選用一般的三極熱繼電器或三極保護電動機型的斷路器,是能夠起到有效保護的。

2.被保護的電動機的定子繞組是三角形聯結,當電動機發生斷相時會有兩種情況產生:
a.電動機外部的電源線斷線(如熔斷器——相熔斷),I2ph=2Iph I2=I3=I1ph+I2ph=1.5I 2ph此時線電流與相電流之間已不是的關系,線電流已經不能正確反映相電流的大小,即不能有效地反映電動機繞組是否已處于過載狀態。
當電動機在額定負載下斷相運行時,I1ph=I3ph=0.58In(In為電動機的額定電流),I2ph=2Iph=1.16In,I2=I3=1.5I2ph=1.5×1.6In=1.73In。此時如果選用一般的三極熱繼電器(或斷路器),勉強可以起保護作用但是當負載在額定負載的65%下斷線運行時會動作,時間長了可能燒毀電動機。為解決保護問題,應采用帶斷相保護的熱繼電器,如JR 20、T系列、3UA系列等。
b.電動機的定子繞組為三角形聯結,繞組斷了一相,如圖3所示,此時就出現: I2=I3=Iph  I1= I ph可以看到,有一相線電流與未斷線前是一樣的,因此,可以選用一般的三極熱繼電器來保護。

四、關于電動機的欠電壓保護
當低壓配電和用電電路因發生故障而使網絡電壓大幅度降低時,就會使正常運轉的電動機出現疲倒、堵轉、使大批電動機產生幾倍的過電流甚至短路。此時必須使用保護電器將故障電
壓切斷,以便保護電動機(特別是功率為30kV及以上的電動機)及其線路。
電壓降低到足以使電動機疲倒、堵轉的電壓,稱為臨界電壓。在臨界電壓出現時,低壓保護電器恰好會動作就稱為欠電壓保護。
當電網電壓低于電動機的臨界電壓,保護裝置方始動作,稱為失壓保護,失壓保護是欠電壓 保護的一種。
根據理論計算,在額定負載(滿負荷)時,
鼠籠型電動機的臨界電壓  Uk=0.67Ue;(Ue為電動機的額定電壓);
繞線型電動機的臨界電壓  Uk=0.71Ue。
如果負載率是50%,則
鼠籠型電動機的臨界電壓  Uk=0.5Ue;
繞線型電動機的臨界電壓  Uk=0.525Ue。
因此從理論值上看(理想的情況),無論是鼠籠型或繞線型電動機的欠電壓保護值,其上限為0.70Ue,下限值為0.5Ue,而考慮各種誤差因素,GB14048.2《低壓開關設備和控制設備低壓斷路器》標準規定,欠電壓動作電壓值為(70%~35%)Ue。
我們知道,在電動機的起動瞬間(或在全電壓下電動機運轉時的轉矩小于負載轉矩時)其電流 變得很大,此時的電動機電流I2 '(折合到定子的轉子電流)
,由于剛起動或堵轉,n≈0,S≈1,I12很大,一般可達5~7倍的In。如果電路的電壓下降到臨界電壓的上限值造成堵轉時, 電動機的電流最大可達5In,時間略長就要燒毀電動機。
前者有殘余電壓,故有殘余電磁轉矩的作用,這就是電動機達到停機的惰行時間較長。還可能帶來本身的短路,且此時如果電網電壓恢復正常,再起動時,會產生很大的沖擊電流,擴大故障范圍;而在電壓完全消失時,或者僅有20%~30%額定電壓下,達到停機的時間僅為純機械的較短惰行時間而已,此時(電動機尚未全停下)即使電壓恢復正常,所造成的沖擊電 流也不大。失壓保護的意義在于防止自起動。

欠電壓保護的動作時間可分三類:
1.瞬時動作—對于不重要的,不影響生產工藝流程的電動機,一旦有低于臨界電壓者立即動作

2.般短延時0.5s左右,短延時動作主要針對欠電壓對象,用瞬時動作甩掉一批次要的電動機, 而用短延時動作來保住一些主要的電動機。

3.長延時動作—適用于重要的,起動條件不困難的繞線型電動機;可以自起動但技術保安條
例不允許自起動的鼠籠型電動機,延時大約5~10s,通常它的整定時間大于5s而小于電動機
的全部惰行時間。長延時動作主要針對失壓保護,其目的是爭取一部分比較重要,而其起動 條件又不困難的電動機盡可能不退出運轉。

五、電動機保護線路及其電動機保護器(電機保護器)的選擇

電動機保護的線路大致有以下四種
1.由熱繼電器FR,接觸器kM和僅有瞬動保護的斷路器QF組成,如圖4所示。
接觸器用來起動、停止電動機,熱繼電器用來保護電動機的過載,而僅有瞬動保護的斷路器 是保護電動機的短路。

2.由熱繼電器FR,接觸器kM和熔斷器FS組成,如圖5所示。 熱繼電器保護電動機的過載,接觸器起動和停止電動機,熔斷器作電動機的短路故障保護。

3.由一臺接觸器kM和一臺電動機保護型的斷路器QF組成,如圖6所示。
接觸器作為電動機的起動和停止之用,電動機保護型斷路器作電動機的過載和短路故障的保 護。

4.由一臺電動機保護型斷路器組成,
電動機保護型斷路器,既做電動機的起動和停止,又作電動機的過載和短路故障的保護。
以上四種中,1、2兩種適合于比較頻繁的起動——停止電動機,第3種適合一般頻繁起動, 而第4種只能適用于不頻繁起動和停止。
從投資來看,1、2種最不經濟,第4種最經濟,因為它可少用一臺起動、停止用的接觸器(和 熱繼電器)。
但是采用電動機保護型的斷路器作電動機的過載保護和短路保護(如圖7所示),也存在一個很難克服的困難。這就是額定電流的匹配問題,例如Y型電動機同是15kW功率,因為極數等原因,額定電流就有29、30、31、34安培等規格。而斷路器的額定電流是嚴格按照國家標準 ,以優選系數=1.25的增減來選擇的,如10、13、16、20、25、32、40、50、63、80、100A……這樣,15kW電動機選用的斷路器額定電流只能往上靠32A,它大于29A、30A、31A、規格而小于34A規格的電動機。對于現在大量應市的塑殼式斷路器,盡管有電動機保護型,但是它的整定電流(額定電流)是不可調的,往往起不到保護作用,因此采用斷路器作過載保護是不理想的,建議采用過載長延時整定電流可調的熱繼電器來充任。雖然這種可調是不精細的,目前我廠正在開發智能型塑殼式斷路器,如果研制成功,則其整定電流可以基本上做到無級調整。
上述第1種電動機保護線路的斷路器QF是僅有瞬時保護性能的。一般的瞬動電流整定值為12In,而本文第二部分提到的星—三角轉換和和瞬時再起動,以及一些特殊使用場所,如電力
機車的上坡等,瞬動電流整定值可能要求14In甚至更大,這就需要向制造廠作特殊訂貨。
電動機作為一種設備,通常它使用于支路,或主回路和中未端,功率為22kW及以下的大量小型電動機,它的短路電流是不大的,在10kA以內,但是,現在的一些大型企業為了減少電能傳輸過程的損耗,往往將變壓器放在進線柜(即動力中心PC)中,而電動機置于電動機控制中 心(Motor Control Centre簡稱MCC),MCC離PC很近,用于電動機保護的斷路器與變壓器二次出線端之間的阻抗很小,盡管電動機的功率只有10幾個kW,可是一旦斷路器的負載端出現短路,其短路電流也是很大的,例如圖8所示,M1為15kWY型電動機,當E點發生短路時,如變壓器B的容量達1600kVA,E處的短路電流可達24.82kA(周期分量有效值),QF2的短路分斷能力應選用380V,25kA(或35kA)的電動機保護型塑殼式斷路器(In為32A)。
 

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