2023年浅论异步电动机的各种保护42360.doc

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局部： 一局部是机械的原因。例如轴承和风机的磨损或损坏：另一局部是电磁故障，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)外表有绝缘漆层，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 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=2023h 它表示此绝缘物使用于164℃时，其使用寿命为20230小时。 如果把使用温度提高8℃，那么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 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，此极限说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，但它说明，这个标准还是比拟实际的(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 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局部。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，有的手册那么规定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.剩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，就带有剩余电压。这种剩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)有剩余电流而形成，所存在的剩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(剩余电压＋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，可出现以下情况： (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，那么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，考虑到剩余电压的影响，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(个别的还可到达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％，那么 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.