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淺談低壓電動(dòng)機(jī)的保護(hù)配置
閱讀：753 發(fā)布時(shí)間：2021-10-12
摘要：低壓電動(dòng)機(jī)是石化企業(yè)常用的電氣電備,，現(xiàn)場(chǎng)大量采用了低壓電動(dòng)機(jī)綜合保護(hù)器對(duì)其進(jìn)行保護(hù),。本文從國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定出發(fā),，結(jié)合低壓電動(dòng)機(jī)綜合保護(hù)器,，探討低壓電動(dòng)機(jī)的保護(hù)配置及低壓電器,、低壓電動(dòng)機(jī)綜合保護(hù)器的保護(hù)原理,。為裝置現(xiàn)場(chǎng)低壓電動(dòng)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(guò)載保護(hù)斷相保護(hù)
1國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)
《GB50055-2011通用用電設(shè)備配電設(shè)計(jì)規(guī)范》（以下簡(jiǎn)稱“規(guī)范"）中規(guī)定：
（1）交流電動(dòng)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(dòng)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(dòng)機(jī)的用途分別裝設(shè)過(guò)載保護(hù),、斷相保護(hù)、低電壓保護(hù),。
（3）因此,，三相交流電動(dòng)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(shí)際情況裝設(shè)過(guò)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(dòng)機(jī)的短路保護(hù)宜采用熔斷器或低壓路器的瞬動(dòng)過(guò)電流脫扣器，亦可采用帶瞬動(dòng)元件的過(guò)電流繼電器進(jìn)行保護(hù),。
目前現(xiàn)場(chǎng)幾乎所有的低壓交流電動(dòng)機(jī)均采用帶瞬動(dòng)脫扣器的斷路器實(shí)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(dòng)過(guò)電流脫扣器或過(guò)電流繼電器瞬動(dòng)元件的整定電流應(yīng)取電動(dòng)機(jī)起動(dòng)電流周期分量有效值的2~2.5倍,。
按照電動(dòng)機(jī)保護(hù)原理,，瞬動(dòng)元件整定值應(yīng)躲過(guò)電動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)電流。規(guī)范中規(guī)定“應(yīng)取電動(dòng)機(jī)起動(dòng)電流周期分量有效值的2~2.5倍"的原因在于：電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)時(shí)的啟動(dòng)電流包括兩個(gè)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(dòng)電流,。其中周期分量就是通常所說(shuō)的“直接啟動(dòng)時(shí)電動(dòng)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(dòng)瞬間電流值很大,，可以使疊加后的全啟動(dòng)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(gè)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(dòng)動(dòng)作時(shí)間一般都大于20ms,，因此不用考慮電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)時(shí)非周期分量的影響,。但目前的低壓斷路器其瞬動(dòng)動(dòng)作時(shí)間一般都小于20ms，因此必須重視非周期分量的影響,，通過(guò)提高斷路器的瞬動(dòng)電流定值來(lái)躲過(guò)電動(dòng)機(jī)的全啟動(dòng)電流,。
現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際工作中，通過(guò)選擇“電動(dòng)機(jī)用"低壓斷路器并正確整定瞬動(dòng)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(dòng)機(jī)用斷路器和配電用斷路器。配電用斷路器的瞬動(dòng)動(dòng)作電流值一般為（5~10）In,，其中In為斷路器額定電流值,。電動(dòng)機(jī)用斷路器的瞬動(dòng)動(dòng)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(shí),，應(yīng)保證In≥Ie（Ie為電動(dòng)機(jī)額定電流），可以看出,，當(dāng)把電動(dòng)機(jī)用斷路器的整定值整定在（10-12）In時(shí),，即可滿足瞬動(dòng)電流一定大于電動(dòng)機(jī)（10-12）Ie，即規(guī)范中規(guī)定的的啟動(dòng)電流的2-2.5倍,。有一些電動(dòng)機(jī)用塑殼斷路器不具備調(diào)整瞬動(dòng)電流的功能,，但其內(nèi)部瞬動(dòng)值固定在了12In或12.5In，同樣滿足規(guī)范要求,。
由此可見(jiàn),，現(xiàn)場(chǎng)維護(hù)運(yùn)行低壓電動(dòng)機(jī)時(shí)，只要根據(jù)電動(dòng)機(jī)額定電流正確選擇電動(dòng)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(dòng)機(jī)的短路保護(hù)器件滿足接地故障的保護(hù)要求時(shí)，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(shí)，會(huì)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(dòng)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(dòng)動(dòng)作電流不是很大,，當(dāng)發(fā)生單相接地故障時(shí)，單相接地故障電流能使得低壓斷路器瞬動(dòng)脫扣器動(dòng)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(dòng)機(jī)功率較大的回路,，尤其是75KW以上的電動(dòng)機(jī)回路，回路低壓斷路器的額定電流較大,，其瞬動(dòng)動(dòng)作電流則更大,，當(dāng)回路發(fā)生單相接地故障時(shí)，低壓斷路器并不能瞬動(dòng),。例如某回路采用施耐德NS400N/400的塑殼開(kāi)關(guān),，其瞬動(dòng)電流整定為11In，即11×400=4400A,，當(dāng)電動(dòng)機(jī)回路發(fā)生單相接地故障時(shí),，很可能故障電流小于4400A，低壓斷路器不動(dòng)作,，不能切除單相接地故障,。
此時(shí)可以使用低壓電動(dòng)機(jī)綜合保護(hù)器的“單相接地保護(hù)"，確保低壓電動(dòng)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(dòng)機(jī)回路的零序電流,，當(dāng)回路發(fā)生單相接地故障時(shí),，零序電流變大，由保護(hù)器發(fā)信號(hào)跳開(kāi)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(shí)，短路電流很大,，必須用具有較強(qiáng)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(gè)整定值，低整定值可以用來(lái)監(jiān)測(cè)回路絕緣情況,，起報(bào)警作用,；高整定值用于回路發(fā)生接地故障時(shí)跳閘。
4過(guò)載保護(hù)
《規(guī)范》2.3.7中規(guī)定：運(yùn)行中容易過(guò)載的電動(dòng)機(jī),、起動(dòng)或自起動(dòng)條件困難而要求限制起動(dòng)時(shí)間的電動(dòng)機(jī),，應(yīng)裝設(shè)過(guò)載保護(hù)。連續(xù)運(yùn)行的電動(dòng)機(jī)宜裝設(shè)過(guò)載保護(hù),，過(guò)載保護(hù)應(yīng)動(dòng)作于斷開(kāi)電源,。但斷電比過(guò)載造成的損失更大時(shí),，應(yīng)使過(guò)載保護(hù)動(dòng)作于信號(hào)。
石化行業(yè)絕大多數(shù)電動(dòng)機(jī)處于連續(xù)運(yùn)行狀態(tài),，因此應(yīng)裝設(shè)過(guò)載保護(hù),。但對(duì)于特殊場(chǎng)合，如消防水電機(jī),，發(fā)生火災(zāi)時(shí)即使電動(dòng)機(jī)過(guò)載,，為保證發(fā)生火災(zāi)時(shí)電動(dòng)機(jī)能繼續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)，可使過(guò)載保護(hù)動(dòng)作于信號(hào),。
目前電動(dòng)機(jī)綜合保護(hù)器的“過(guò)熱保護(hù)"是一種較合理,、完善的過(guò)載保護(hù)?！斑^(guò)熱保護(hù)"的基本原理是：電動(dòng)機(jī)綜合保護(hù)器在其內(nèi)部建立一個(gè)電動(dòng)機(jī)的發(fā)熱模型,，此模型可以利用電動(dòng)機(jī)電流值模擬計(jì)算電動(dòng)機(jī)的累計(jì)熱量。當(dāng)累計(jì)熱量達(dá)到電動(dòng)機(jī)可承受熱量的100%時(shí),，保護(hù)器跳閘以保護(hù)電動(dòng)機(jī),。
4.1電動(dòng)機(jī)過(guò)熱保護(hù)的等效電流
電動(dòng)機(jī)綜合保護(hù)器雖然在其內(nèi)部建立了物理模型來(lái)模擬電動(dòng)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(dòng)機(jī)綜合保護(hù)器中進(jìn)入物理模型中參與計(jì)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(duì)稱相量都可以分解成三相對(duì)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(jì)算方法可參考相關(guān)書(shū)籍。
4.1.2正序分量與負(fù)序分量對(duì)電動(dòng)機(jī)的影響
當(dāng)電動(dòng)機(jī)定子繞組斷相,、三相不平衡時(shí)都將有正序和負(fù)序分量過(guò)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(dòng)機(jī)內(nèi)產(chǎn)生的熱量并不相同，負(fù)序電流對(duì)電動(dòng)機(jī)的影響非常大,。
以電動(dòng)機(jī)B相斷相為例,。當(dāng)B相斷相時(shí)，IB=0,，IA和IC大小相等,，方向相反，通過(guò)正序分量和負(fù)序分量計(jì)算方法可以得知,，這時(shí)產(chǎn)生的正序電流與負(fù)序電流相等,。但是通過(guò)相關(guān)公式可以證明，在電動(dòng)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(shí),，電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子損耗將顯著增加，導(dǎo)致轉(zhuǎn)子局部過(guò)熱而燒毀,。
4.1.3等效電流Ieq
了解到電動(dòng)機(jī)正序電流和負(fù)序電流對(duì)電動(dòng)機(jī)的影響后,，為了簡(jiǎn)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(guó)GEC公司提出一個(gè)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(dòng)機(jī)啟動(dòng)階段K1取0.5，是在電動(dòng)機(jī)起動(dòng)時(shí)把熱過(guò)載的動(dòng)作時(shí)間增大四倍,，以防止因起動(dòng)電流而使熱過(guò)載保護(hù)誤動(dòng),；在電動(dòng)機(jī)正常運(yùn)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(qiáng)發(fā)熱效應(yīng),，一般取值范圍為3~10。由于目前對(duì)電動(dòng)機(jī)的熱保護(hù)還沒(méi)有真正認(rèn)識(shí)清楚,，所以沒(méi)有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn),，致使每個(gè)生產(chǎn)電動(dòng)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(dòng)機(jī)綜合保護(hù)器中將K2固定為6,。
4.2過(guò)熱保護(hù)動(dòng)作時(shí)間特性
冷態(tài)下過(guò)熱保護(hù)動(dòng)作時(shí)間可按以下公式計(jì)算：
式中：t—?jiǎng)幼鲿r(shí)間,，s,；
τ—電動(dòng)機(jī)的發(fā)熱時(shí)間常數(shù)，s,；
Ieq—等效電流,，A,；
Ie—電動(dòng)機(jī)額定電流,，A；
K—電動(dòng)機(jī)過(guò)負(fù)荷系數(shù)
4.2.1電動(dòng)機(jī)的發(fā)熱時(shí)間常數(shù)
電動(dòng)機(jī)運(yùn)行時(shí)內(nèi)部的功率損耗,，都變成熱能,，這會(huì)使電動(dòng)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(shí)間就是電動(dòng)機(jī)的發(fā)熱時(shí)間常數(shù)τ（s）,。τ與電動(dòng)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,?！鞍l(fā)熱時(shí)間常數(shù)"應(yīng)由電動(dòng)機(jī)廠家提供,，但實(shí)際上很少電動(dòng)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(shí)間常數(shù)等于35倍的t6,，t6是電動(dòng)機(jī)廠家表明的允許運(yùn)行在6倍額定電流值時(shí)的時(shí)間,。4.2.2電動(dòng)機(jī)過(guò)負(fù)荷系數(shù)低壓電動(dòng)機(jī)過(guò)負(fù)荷能力較差，過(guò)負(fù)荷系數(shù)較低,，很多電動(dòng)機(jī)綜合保護(hù)器將過(guò)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(dòng)作時(shí)間公式為：
其中TL為電動(dòng)機(jī)熱過(guò)載整定時(shí)間系數(shù),，TL的選擇應(yīng)低于電動(dòng)機(jī)在冷態(tài)6倍額定電流下所允許的過(guò)載時(shí)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(yùn)行的三相電動(dòng)機(jī),，當(dāng)采用熔斷器保護(hù)時(shí)，應(yīng)裝設(shè)斷相保護(hù),；當(dāng)采用低壓斷路器保護(hù)時(shí),，宜裝設(shè)斷相保護(hù)。
石化行業(yè)現(xiàn)場(chǎng)電動(dòng)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(dòng)機(jī)燒毀的比例非常大,，為保護(hù)電動(dòng)機(jī)正常,，應(yīng)裝設(shè)斷相保護(hù)。
使用電動(dòng)機(jī)綜合保護(hù)器的回路,，投入電動(dòng)機(jī)熱保護(hù)后,，發(fā)生斷相故障時(shí)，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(mén)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(cè)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(dòng)機(jī)額定電流）時(shí),，認(rèn)為發(fā)生斷相故障，經(jīng)用戶設(shè)置的延時(shí)時(shí)間后保護(hù)器動(dòng)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(dòng)的電動(dòng)機(jī)應(yīng)裝設(shè)低電壓保護(hù),；為保證重要電動(dòng)機(jī)自起動(dòng)而需要切除的次要電動(dòng)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(shí)間繼電器。
石化行業(yè),，當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生低電壓或失電時(shí),，為保證系統(tǒng)恢復(fù)電壓后重要電動(dòng)機(jī)的自啟動(dòng)，多數(shù)非重要電動(dòng)機(jī)應(yīng)裝設(shè)低電壓保護(hù),。目前現(xiàn)場(chǎng)電動(dòng)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(shí)，接觸器線圈釋放,，接觸器主觸點(diǎn)打開(kāi),，切除電動(dòng)機(jī)。因此可不必設(shè)置單獨(dú)的低電壓保護(hù)裝置,。
7安科瑞智能電動(dòng)機(jī)保護(hù)器介紹
7.1產(chǎn)品介紹
智能電動(dòng)機(jī)保護(hù)器(以下簡(jiǎn)稱保護(hù)器),，采用單片機(jī)技術(shù)，具有抗干擾能力強(qiáng),、工作穩(wěn)定可靠,、數(shù)字化、智能化,、網(wǎng)絡(luò)化等特點(diǎn),。保護(hù)器能對(duì)電動(dòng)機(jī)運(yùn)行過(guò)程中出現(xiàn)的過(guò)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(chǎng)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(shí)現(xiàn)電動(dòng)機(jī)運(yùn)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(dòng)機(jī)保護(hù)器
7.2.2模塊式電動(dòng)機(jī)保護(hù)器
7.3產(chǎn)品選型
說(shuō)明：“√"表示具備,，“■"表示可選。
8結(jié)束語(yǔ)
以上為《GB50055-2011通用用電設(shè)備配電設(shè)計(jì)規(guī)范》中規(guī)定的電動(dòng)機(jī)保護(hù)類型以及如何實(shí)現(xiàn),，現(xiàn)今的低壓電動(dòng)機(jī)綜合保護(hù)器中除上述幾種保護(hù)外,，還有啟動(dòng)時(shí)間過(guò)長(zhǎng)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(shí)際應(yīng)用時(shí)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。
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