淺談低壓電動機(jī)的保護(hù)配置
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易允恒
安科瑞電氣股份有限公司 上海嘉定 201801
摘要：低壓電動機(jī)是石化企業(yè)常用的電氣電備，現(xiàn)場大量采用了低壓電動機(jī)綜合保護(hù)器對其進(jìn)行保護(hù)。本文從國家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定出發(fā)，結(jié)合低壓電動機(jī)綜合保護(hù)器，探討低壓電動機(jī)的保護(hù)配置及低壓電器、低壓電動機(jī)綜合保護(hù)器的保護(hù)原理。為裝置現(xiàn)場低壓電動機(jī)保護(hù)配置提供依據(jù)。
關(guān)鍵詞：短路保護(hù)接地保護(hù)過載保護(hù)斷相保護(hù)
1國家標(biāo)準(zhǔn)
《GB50055-2011通用用電設(shè)備配電設(shè)計規(guī)范》（以下簡稱“規(guī)范”）中規(guī)定：
（1）交流電動機(jī)應(yīng)裝設(shè)短路保護(hù)和接地故障的保護(hù)
（2）交流電動機(jī)的保護(hù)除應(yīng)符合本規(guī)程2.3.1條的規(guī)定外，尚應(yīng)根據(jù)電動機(jī)的用途分別裝設(shè)過載保護(hù)、斷相保護(hù)、低電壓保護(hù)。
（3）因此，三相交流電動機(jī)必須裝設(shè)短路保護(hù)和接地保護(hù)，還應(yīng)根據(jù)實際情況裝設(shè)過載保護(hù)、斷相保護(hù)和低電壓保護(hù)。
2短路保護(hù)
2.1保護(hù)元器件的選擇
《規(guī)范》2.3.4條中規(guī)定：交流電動機(jī)的短路保護(hù)宜采用熔斷器或低壓路器的瞬動過電流脫扣器，亦可采用帶瞬動元件的過電流繼電器進(jìn)行保護(hù)。
目前現(xiàn)場幾乎所有的低壓交流電動機(jī)均采用帶瞬動脫扣器的斷路器實現(xiàn)短路保護(hù)。
2.2保護(hù)元器件的選擇及整定
《規(guī)范》2.3.5中規(guī)定：瞬動過電流脫扣器或過電流繼電器瞬動元件的整定電流應(yīng)取電動機(jī)起動電流周期分量有效值的2~2.5倍。
按照電動機(jī)保護(hù)原理，瞬動元件整定值應(yīng)躲過電動機(jī)的啟動電流。規(guī)范中規(guī)定“應(yīng)取電動機(jī)起動電流周期分量有效值的2~2.5倍”的原因在于：電動機(jī)啟動時的啟動電流包括兩個分量：周期分量和非周期分量，周期分量電流和非周期分量電流疊加成為全啟動電流。其中周期分量就是通常所說的“直接啟動時電動機(jī)電流可達(dá)到額定電流的6~7倍”的電流；非周期分量在啟動瞬間電流值很大，可以使疊加后的全啟動電流達(dá)到周期分量的2.3倍，但非周期分量衰減得很快，在一個周波（20ms）非周期分量就衰減到可以忽略的程度。
早期的低壓斷路器其瞬動動作時間一般都大于20ms，因此不用考慮電動機(jī)啟動時非周期分量的影響。但目前的低壓斷路器其瞬動動作時間一般都小于20ms，因此必須重視非周期分量的影響，通過提高斷路器的瞬動電流定值來躲過電動機(jī)的全啟動電流。
現(xiàn)場實際工作中，通過選擇“電動機(jī)用”低壓斷路器并正確整定瞬動數(shù)值即可滿足規(guī)范要求。低壓斷路器根據(jù)用途分類，可分為電動機(jī)用斷路器和配電用斷路器。配電用斷路器的瞬動動作電流值一般為（5~10）In，其中In為斷路器額定電流值。電動機(jī)用斷路器的瞬動動作電流值一般為（10-15）In，其中In為斷路器額定電流值。選擇斷路器時，應(yīng)保證In≥Ie（Ie為電動機(jī)額定電流），可以看出，當(dāng)把電動機(jī)用斷路器的整定值整定在（10-12）In時，即可滿足瞬動電流一定大于電動機(jī)（10-12）Ie，即規(guī)范中規(guī)定的的啟動電流的2-2.5倍。有一些電動機(jī)用塑殼斷路器不具備調(diào)整瞬動電流的功能，但其內(nèi)部瞬動值固定在了12In或12.5In，同樣滿足規(guī)范要求。
由此可見，現(xiàn)場維護(hù)運行低壓電動機(jī)時，只要根據(jù)電動機(jī)額定電流正確選擇電動機(jī)用低壓斷路器，即可符合規(guī)范要求的短路保護(hù)。
3接地保護(hù)
《規(guī)范》2.3.6中規(guī)定：當(dāng)電動機(jī)的短路保護(hù)器件滿足接地故障的保護(hù)要求時，應(yīng)采用短路保護(hù)器件兼作接地故障的保護(hù)。
目前裝置低壓380V系統(tǒng)普遍采用TN-S系統(tǒng)，當(dāng)發(fā)生金屬性單相接地故障時，會產(chǎn)生很大的短路電流，由于不同系統(tǒng)內(nèi)正序、負(fù)序、零序阻抗的不同，單相接地電流值也不盡相同，通常在幾千安培左右。
情況1：電動機(jī)功率較小的回路，由于回路低壓斷路器的額定電流較小，其瞬動動作電流不是很大，當(dāng)發(fā)生單相接地故障時，單相接地故障電流能使得低壓斷路器瞬動脫扣器動作。因此正如《規(guī)范》2.3.6中規(guī)定，不必另外裝設(shè)接地保護(hù)裝置，采用低壓斷路器兼作接地故障的保護(hù)。
情況2：電動機(jī)功率較大的回路，尤其是75KW以上的電動機(jī)回路，回路低壓斷路器的額定電流較大，其瞬動動作電流則大，當(dāng)回路發(fā)生單相接地故障時，低壓斷路器并不能瞬動。例如某回路采用施耐德NS400N/400的塑殼開關(guān)，其瞬動電流整定為11In，即11×400=4400A，當(dāng)電動機(jī)回路發(fā)生單相接地故障時，很可能故障電流小于4400A，低壓斷路器不動作，不能切除單相接地故障。
此時可以使用低壓電動機(jī)綜合保護(hù)器的“單相接地保護(hù)”，確保低壓電動機(jī)回路配置“單相接地保護(hù)”。例如上海華建LM500系列保護(hù)器具有“單相接地保護(hù)”，保護(hù)器采集電動機(jī)回路的零序電流，當(dāng)回路發(fā)生單相接地故障時，零序電流變大，由保護(hù)器發(fā)信號跳開主回路低壓斷路器。保護(hù)跳低壓斷路器主要是考慮到，當(dāng)發(fā)生金屬性接地時，短路電流很大，必須用具有較強滅弧能力的斷路器切斷短路電流。保護(hù)器“單相接地故障”一般有兩個整定值，低整定值可以用來監(jiān)測回路絕緣情況，起報警作用；高整定值用于回路發(fā)生接地故障時跳閘。
4過載保護(hù)
《規(guī)范》2.3.7中規(guī)定：運行中容易過載的電動機(jī)、起動或自起動條件困難而要求限制起動時間的電動機(jī)，應(yīng)裝設(shè)過載保護(hù)。連續(xù)運行的電動機(jī)宜裝設(shè)過載保護(hù)，過載保護(hù)應(yīng)動作于斷開電源。但斷電比過載造成的損失大時，應(yīng)使過載保護(hù)動作于信號。
石化行業(yè)絕大多數(shù)電動機(jī)處于連續(xù)運行狀態(tài)，因此應(yīng)裝設(shè)過載保護(hù)。但對于特殊場合，如消防水電機(jī)，發(fā)生火災(zāi)時即使電動機(jī)過載，為保證發(fā)生火災(zāi)時電動機(jī)能繼續(xù)運轉(zhuǎn)，可使過載保護(hù)動作于信號。
目前電動機(jī)綜合保護(hù)器的“過熱保護(hù)”是一種較合理、完善的過載保護(hù)。“過熱保護(hù)”的基本原理是：電動機(jī)綜合保護(hù)器在其內(nèi)部建立一個電動機(jī)的發(fā)熱模型，此模型可以利用電動機(jī)電流值模擬計算電動機(jī)的累計熱量。當(dāng)累計熱量達(dá)到電動機(jī)可承受熱量的時，保護(hù)器跳閘以保護(hù)電動機(jī)。
4.1電動機(jī)過熱保護(hù)的等效電流
電動機(jī)綜合保護(hù)器雖然在其內(nèi)部建立了物理模型來模擬電動機(jī)的發(fā)熱，但是它的物理模型中重要的電氣量仍然是電流。不同的是，在電動機(jī)綜合保護(hù)器中進(jìn)入物理模型中參與計算的電流并不是直接采集到的電流值，而是等效電流。
4.1.1電流正序分量與負(fù)序分量
任意一組三相不對稱相量都可以分解成三相對稱的相量，一組叫正序分量，一組叫負(fù)序分量，另一組叫零序分量。各分量計算方法可參考相關(guān)書籍。
4.1.2正序分量與負(fù)序分量對電動機(jī)的影響
當(dāng)電動機(jī)定子繞組斷相、三相不平衡時都將有正序和負(fù)序分量過大的現(xiàn)象，但是幅值相同的定子正序電流和定子負(fù)序電流在電動機(jī)內(nèi)產(chǎn)生的熱量并不相同，負(fù)序電流對電動機(jī)的影響非常大。
以電動機(jī)B相斷相為例。當(dāng)B相斷相時，IB=0，IA和IC大小相等，方向相反，通過正序分量和負(fù)序分量計算方法可以得知，這時產(chǎn)生的正序電流與負(fù)序電流相等。但是通過相關(guān)公式可以證明，在電動機(jī)負(fù)荷率為1的情況下，盡管正序電流與負(fù)序電流相等，但是由負(fù)序電流引起的轉(zhuǎn)子銅損比額定轉(zhuǎn)子銅損增大到6.6倍，而正序電流引起的定子銅損比額定定子銅損僅增加1.88倍。因此，當(dāng)有負(fù)序電流出現(xiàn)時，電動機(jī)轉(zhuǎn)子損耗將顯著增加，導(dǎo)致轉(zhuǎn)子局部過熱而燒毀。
4.1.3等效電流Ieq
了解到電動機(jī)正序電流和負(fù)序電流對電動機(jī)的影響后，為了簡單方便的反映正序電流I1和負(fù)序電流I2的不同發(fā)熱效應(yīng)，英國GEC公司提出一個粗略反映上述發(fā)熱效應(yīng)的“等效電流Ieq”。即
式中K1為正序電流系數(shù)。在電動機(jī)啟動階段K1取0.5，是在電動機(jī)起動時把熱過載的動作時間增大四倍，以防止因起動電流而使熱過載保護(hù)誤動；在電動機(jī)正常運行階段K1取1。
式中K2為負(fù)序電流系數(shù)，模擬負(fù)序電流I2的增強發(fā)熱效應(yīng)，一般取值范圍為3~10。由于目前對電動機(jī)的熱保護(hù)還沒有真正認(rèn)識清楚，所以沒有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，致使每個生產(chǎn)電動機(jī)綜合保護(hù)器的廠家均按照自己的研究結(jié)果進(jìn)行建立熱模型，造成了K2系數(shù)選取的不一致。很多低壓電動機(jī)綜合保護(hù)器中將K2固定為6。
4.2過熱保護(hù)動作時間特性
冷態(tài)下過熱保護(hù)動作時間可按以下公式計算：
式中：t—動作時間，s；
τ—電動機(jī)的發(fā)熱時間常數(shù)，s；
Ieq—等效電流，A；
Ie—電動機(jī)額定電流，A；
K—電動機(jī)過負(fù)荷系數(shù)
4.2.1電動機(jī)的發(fā)熱時間常數(shù)
電動機(jī)運行時內(nèi)部的功率損耗，都變成熱能，這會使電動機(jī)溫度升高，溫升上升到穩(wěn)定溫升的63.2%（約2/3）所需時間就是電動機(jī)的發(fā)熱時間常數(shù)τ（s）。τ與電動機(jī)極數(shù)、結(jié)構(gòu)形式和容量大小有關(guān)，τ與容量大小大約成正比變化。“發(fā)熱時間常數(shù)”應(yīng)由電動機(jī)廠家提供，但實際上很少電動機(jī)廠家提供此數(shù)據(jù)。根據(jù)UL標(biāo)準(zhǔn)的熱保護(hù)要求，可以使用以下規(guī)定：發(fā)熱時間常數(shù)等于35倍的t6，t6是電動機(jī)廠家表明的允許運行在6倍額定電流值時的時間。4.2.2電動機(jī)過負(fù)荷系數(shù)低壓電動機(jī)過負(fù)荷能力較差，過負(fù)荷系數(shù)較低，很多電動機(jī)綜合保護(hù)器將過負(fù)荷系數(shù)固定為1.05。
4.2.3舉例
上海華建公司LM500系列保護(hù)器的熱保護(hù)動作時間公式為：
其中TL為電動機(jī)熱過載整定時間系數(shù)，TL的選擇應(yīng)低于電動機(jī)在冷態(tài)6倍額定電流下所允許的過載時間TA（即3.2.1中提到的t6）
5斷相保護(hù)
《規(guī)范》2.3.10中規(guī)定：連續(xù)運行的三相電動機(jī)，當(dāng)采用熔斷器保護(hù)時，應(yīng)裝設(shè)斷相保護(hù)；當(dāng)采用低壓斷路器保護(hù)時，宜裝設(shè)斷相保護(hù)。
石化行業(yè)現(xiàn)場電動機(jī)基本上采用低壓斷路器保護(hù)，規(guī)范規(guī)定“宜”裝設(shè)斷相保護(hù)，但從目前公布的數(shù)據(jù)顯示，由于斷相故障引起低壓電動機(jī)燒毀的比例非常大，為保護(hù)電動機(jī)正常，應(yīng)裝設(shè)斷相保護(hù)。
使用電動機(jī)綜合保護(hù)器的回路，投入電動機(jī)熱保護(hù)后，發(fā)生斷相故障時，由于存在負(fù)序電流，熱保護(hù)能跳閘切除故障。但如果需要快速切除斷相故障，需要投入專門的斷相故障。
例如上海華建LM500系列保護(hù)器提供“斷相保護(hù)”，當(dāng)保護(hù)器檢測到三相電流中，一相電流小于0.1Im，另兩相電流大于0.25Im（Im為電動機(jī)額定電流）時，認(rèn)為發(fā)生斷相故障，經(jīng)用戶設(shè)置的延時時間后保護(hù)器動作，快速切除故障。
6低電壓保護(hù)
《規(guī)范》2.3.12中規(guī)定：按工藝或安全條件不允許自起動的電動機(jī)應(yīng)裝設(shè)低電壓保護(hù)；為保證重要電動機(jī)自起動而需要切除的次要電動機(jī)應(yīng)裝設(shè)低電壓保護(hù)。低電壓保護(hù)器件宜采用低壓斷路器的欠電壓脫扣器、接觸器或接觸器式繼電器的電磁線圈，亦可采用低電壓繼電器和時間繼電器。
石化行業(yè)，當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生低電壓或失電時，為保證系統(tǒng)恢復(fù)電壓后重要電動機(jī)的自啟動，多數(shù)非重要電動機(jī)應(yīng)裝設(shè)低電壓保護(hù)。目前現(xiàn)場電動機(jī)回路均采用接觸器作為控制元器件，當(dāng)系統(tǒng)低電壓時，接觸器線圈釋放，接觸器主觸點打開，切除電動機(jī)。因此可不必設(shè)置單獨的低電壓保護(hù)裝置。
7安科瑞智能電動機(jī)保護(hù)器介紹
7.1產(chǎn)品介紹
智能電動機(jī)保護(hù)器(以下簡稱保護(hù)器)，采用單片機(jī)技術(shù)，具有抗干擾能力強、工作穩(wěn)定可靠、數(shù)字化、智能化、網(wǎng)絡(luò)化等特點。保護(hù)器能對電動機(jī)運行過程中出現(xiàn)的過載、斷相、不平衡、欠載、接地/漏電、堵轉(zhuǎn)、阻塞、外部故障等多種情況進(jìn)行保護(hù)，并設(shè)有SOE故障事件記錄功能，方便現(xiàn)場維護(hù)人員查找故障原因。適用于煤礦、石化、冶煉、電力、以及民用建筑等領(lǐng)域。本保護(hù)器具有RS485遠(yuǎn)程通訊接口，DC4-20mA模擬量輸出，方便與PLC、PC等控制機(jī)組成網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。實現(xiàn)電動機(jī)運行的遠(yuǎn)程監(jiān)控。
7.2技術(shù)參數(shù)
7.2.1數(shù)字式電動機(jī)保護(hù)器
7.2.2模塊式電動機(jī)保護(hù)器
7.3產(chǎn)品選型
說明：“√”表示具備，“■”表示可選。
8結(jié)束語
以上為《GB50055-2011通用用電設(shè)備配電設(shè)計規(guī)范》中規(guī)定的電動機(jī)保護(hù)類型以及如何實現(xiàn)，現(xiàn)今的低壓電動機(jī)綜合保護(hù)器中除上述幾種保護(hù)外，還有啟動時間過長保護(hù)、電流不平衡保護(hù)、堵轉(zhuǎn)保護(hù)、欠電流保護(hù)等等，實際應(yīng)用時可以根據(jù)需求投入某種保護(hù)，既能提高保護(hù)的準(zhǔn)確性，又為跳閘后查找故障提供方便。
參考文獻(xiàn)
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[2]劉鑫.低壓電動機(jī)的保護(hù)配置
[3]安科瑞企業(yè)微電網(wǎng)設(shè)計與應(yīng)用手冊.2020.06版
作者簡介：
易允恒，男，本科 安科瑞電氣股份有限公司，主要研究方向為智能電網(wǎng)供配電
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