淺談低壓電動機的保護配置
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劉丹
安科瑞電氣股份有限公司 上海嘉定 201801
摘要：低壓電動機是石化企業(yè)常用的電氣電備，現(xiàn)場大量采用了低壓電動機綜合保護器對其進行保護。本文從標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定出發(fā)，結(jié)合低壓電動機綜合保護器，探討低壓電動機的保護配置及低壓電器、低壓電動機綜合保護器的保護原理。為裝置現(xiàn)場低壓電動機保護配置提供依據(jù)。
關(guān)鍵詞：短路保護接地保護過載保護斷相保護
1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）交流電動機應(yīng)裝設(shè)短路保護和接地故障的保護
（2）交流電動機的保護除應(yīng)符合本規(guī)程2.3.1條的規(guī)定外，尚應(yīng)根據(jù)電動機的用途分別裝設(shè)過載保護、斷相保護、低電壓保護。
（3）因此，三相交流電動機必須裝設(shè)短路保護和接地保護，還應(yīng)根據(jù)實際情況裝設(shè)過載保護、斷相保護和低電壓保護。
2短路保護
2.1保護元器件的選擇
《規(guī)范》2.3.4條中規(guī)定：交流電動機的短路保護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行保護。
目前現(xiàn)場幾乎所有的低壓交流電動機均采用帶瞬動脫扣器的斷路器實現(xiàn)短路保護。
2.2保護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)取電動機起動電流周期分量值的2~2.5倍。
按照電動機保護原理，瞬動元件整定值應(yīng)躲過電動機的啟動電流。規(guī)范中規(guī)定“應(yīng)取電動機起動電流周期分量值的2~2.5倍"的原因在于：電動機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“直接啟動時電動機電流可達到額定電流的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的全啟動電流。
現(xiàn)場實際工作中，通過選擇“電動機用"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為電動機額定電流），可以看出，當(dāng)把電動機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（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)場維護運行低壓電動機時，只要根據(jù)電動機額定電流正確選擇電動機用低壓斷路器，即可符合規(guī)范要求的短路保護。
3接地保護
《規(guī)范》2.3.6中規(guī)定：當(dāng)電動機的短路保護器件滿足接地故障的保護要求時，應(yīng)采用短路保護器件兼作接地故障的保護。
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)接地保護裝置，采用低壓斷路器兼作接地故障的保護。
情況2：電動機功率較大的回路，尤其是75KW以上的電動機回路，回路低壓斷路器的額定電流較大，其瞬動動作電流則更大，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綜合保護器的“單相接地保護"，確保低壓電動機回路配置“單相接地保護"。例如上海華建LM500系列保護器具有“單相接地保護"，保護器采集電動機回路的零序電流，當(dāng)回路發(fā)生單相接地故障時，零序電流變大，由保護器發(fā)信號跳開主回路低壓斷路器。保護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
《規(guī)范》2.3.7中規(guī)定：運行中容易過載的電動機、起動或自起動條件困難而要求限制起動時間的電動機，應(yīng)裝設(shè)過載保護。連續(xù)運行的電動機宜裝設(shè)過載保護，過載保護應(yīng)動作于斷開電源。但斷電比過載造成的損失更大時，應(yīng)使過載保護動作于信號。
石化行業(yè)絕大多數(shù)電動機處于連續(xù)運行狀態(tài)，因此應(yīng)裝設(shè)過載保護。但對于特殊場合，如消防水電機，發(fā)生火災(zāi)時即使電動機過載，為保證發(fā)生火災(zāi)時電動機能繼續(xù)運轉(zhuǎn)，可使過載保護動作于信號。
目前電動機綜合保護器的“過熱保護"是一種較合理、完善的過載保護?！斑^熱保護"的基本原理是：電動機綜合保護器在其內(nèi)部建立一個電動機的發(fā)熱模型，此模型可以利用電動機電流值模擬計算電動機的累計熱量。當(dāng)累計熱量達到電動機可承受熱量的100%時，保護器跳閘以保護電動機。
4.1電動機過熱保護的等效電流
電動機綜合保護器雖然在其內(nèi)部建立了物理模型來模擬電動機的發(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，在電動機綜合保護器中進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正序分量與負序分量對電動機的影響
當(dāng)電動機定子繞組斷相、三相不平衡時都將有正序和負序分量過大的現(xiàn)象，但是幅值相同的定子正序電流和定子負序電流在電動機內(nèi)產(chǎn)生的熱量并不相同，負序電流對電動機的影響非常大。
以電動機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，通過正序分量和負序分量計算方法可以得知，這時產(chǎn)生的正序電流與負序電流相等。但是通過相關(guān)公式可以證明，在電動機負荷率為1的情況下，盡管正序電流與負序電流相等，但是由負序電流引起的轉(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)有負序電流出現(xiàn)時，電動機轉(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
了解到電動機正序電流和負序電流對電動機的影響后，為了簡單方便的反映正序電流I1和負序電流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)。在電動機啟動階段K1取0.5，是在電動機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誤動；在電動機正常運行階段K1取1。
式中K2為負序電流系數(shù)，模擬負序電流I2的增強發(fā)熱效應(yīng)，一般取值范圍為3~10。由于目前對電動機的熱保護還沒有真正認識清楚，所以沒有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，致使每個生產(chǎn)電動機綜合保護器的廠家均按照自己的研究結(jié)果進行建立熱模型，造成了K2系數(shù)選取的不一致。很多低壓電動機綜合保護器中將K2固定為6。
4.2過熱保護動作時間特性
冷態(tài)下過熱保護動作時間可按以下公式計算：
式中：t—動作時間，s；
τ—電動機的發(fā)熱時間常數(shù)，s；
Ieq—等效電流，A；
Ie—電動機額定電流，A；
K—電動機過負荷系數(shù)
4.2.1電動機的發(fā)熱時間常數(shù)
電動機運行時內(nèi)部的功率損耗，都變成熱能，這會使電動機溫度升高，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的發(fā)熱時間常數(shù)τ（s）。τ與電動機極數(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?！鞍l(fā)熱時間常數(shù)"應(yīng)由電動機廠家提供，但實際上很少電動機廠家提供此數(shù)據(jù)。根據(jù)UL標(biāo)準(zhǔn)的熱保護要求，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電動機過負荷系數(shù)低壓電動機過負荷能力較差，過負荷系數(shù)較低，很多電動機綜合保護器將過負荷系數(shù)固定為1.05。
4.2.3舉例
上海華建公司LM500系列保護器的熱保護動作時間公式為：
其中TL為電動機熱過載整定時間系數(shù)，TL的選擇應(yīng)低于電動機在冷態(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
《規(guī)范》2.3.10中規(guī)定：連續(xù)運行的三相電動機，當(dāng)采用熔斷器保護時，應(yīng)裝設(shè)斷相保護；當(dāng)采用低壓斷路器保護時，宜裝設(shè)斷相保護。
石化行業(yè)現(xiàn)場電動機基本上采用低壓斷路器保護，規(guī)范規(guī)定“宜"裝設(shè)斷相保護，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燒毀的比例非常大，為保護電動機正常，應(yīng)裝設(shè)斷相保護。
使用電動機綜合保護器的回路，投入電動機熱保護后，發(fā)生斷相故障時，由于存在負序電流，熱保護能跳閘切除故障。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系列保護器提供“斷相保護"，當(dāng)保護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為電動機額定電流）時，認為發(fā)生斷相故障，經(jīng)用戶設(shè)置的延時時間后保護器動作，快速切除故障。
6低電壓保護
《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應(yīng)裝設(shè)低電壓保護；為保證重要電動機自起動而需要切除的次要電動機應(yīng)裝設(shè)低電壓保護。低電壓保護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)電壓后重要電動機的自啟動，多數(shù)非重要電動機應(yīng)裝設(shè)低電壓保護。目前現(xiàn)場電動機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。因此可不必設(shè)置單獨的低電壓保護裝置。
7安科瑞智能電動機保護器介紹
7.1產(chǎn)品介紹
智能電動機保護器(以下簡稱保護器)，采用單片機技術(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。保護器能對電動機運行過程中出現(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行保護，并設(shè)有SOE故障事件記錄功能，方便現(xiàn)場維護人員查找故障原因。適用于煤礦、石化、冶煉、電力、以及民用建筑等領(lǐng)域。本保護器具有RS485遠程通訊接口，DC4-20mA模擬量輸出，方便與PLC、PC等控制機組成網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。實現(xiàn)電動機運行的遠程監(jiān)控。
7.2技術(shù)參數(shù)
7.2.1數(shù)字式電動機保護器
7.2.2模塊式電動機保護器
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)定的電動機保護類型以及如何實現(xiàn)，現(xiàn)今的低壓電動機綜合保護器中除上述幾種保護外，還有啟動時間過長保護、電流不平衡保護、堵轉(zhuǎn)保護、欠電流保護等等，實際應(yīng)用時可以根據(jù)需求投入某種保護，既能提高保護的準(zhǔn)確性，又為跳閘后查找故障提供方便。
參考文獻
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[2]劉鑫.低壓電動機的保護配置
[3]安科瑞企業(yè)微電網(wǎng)設(shè)計與應(yīng)用手冊.2020.06版
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