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异步电动机的各种保护

异步电动机的各种保护
电动机的故障大体分为两部分:一部分是机械的原因。例如轴承和风机的磨损或损坏:另一部分是电磁故障,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)表面有绝缘漆层,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(TemperatureIndex)以此代替IEC85。TI是按阿尼罗乌丝(Arrhenins)公式t=10a+b/T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)=104.30=2000h
它表示此绝缘物使用于164℃时,其使用寿命为20000小时。
如果把使用温度提高8℃,则T=164+8=172℃
t=10-2+(1034/172)=104=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.保护电器的保护特性
3.电动机的起动电流特性
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*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
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,此极限表明不会引起绝缘水平下降的电流与时间的*大值):
以上实测值是在几台电动机上测试的,不够**,但它表明,这个标准还是比较实际的(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(美国国内电气制造商协会)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(电动机保护电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。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部分。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,有的手册则规定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—Φ)e-t/T值大,非周期分量的衰减慢)。当起动电流的COSΦ=0.3时,尖峰电流为起动电流(有效值)的2倍左右;
2.残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,就带有残余电压。这种残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)有残余电流而形成,所存在的残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(残余电压+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,可出现下列情况:
(1)电动机直接起动
由于COSΦ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*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COSΦ0.3,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,则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
COSΦ=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COSΦ为0.3,起动电流为6In,考虑到残余电压的影响,尖峰电流为*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(个别的还可达到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=1.5I2ph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JR20、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,此时就出现:I2=I3=IphI1=Iph
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30kW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%,则
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,GB14048.2《低压开关设备和控制设备低压断路器》标准规定,欠电压动作电压值为(70%~35%)Ue。
我们知道,在电动机的起动瞬间(或在全电压下电动机运转时的转矩小于负载转矩时)其电流变得很大,此时的电动机电流I2’’(折合到定子的转子电流),由于刚起动或堵转,n≈0,S≈1,I12很大,一般可达5~7倍的In。如果电路的电压下降到临界电压的上限值造成堵转时,电动机的电流*大可达5In,时间略长就要烧毁电动机。
前者有残余电压,故有残余电磁转矩的作用,这就是电动机达到停机的惰行时间较长。还可能带来本身的短路,且此时如果电网电压恢复正常,再起动时,会产生很大的冲击电流,扩大故障范围;而在电压完全消失时,或者仅有20%~30%额定电压下,达到停机的时间仅为纯机械的较短惰行时间而已,此时(电动机尚未全停下)即使电压恢复正常,所造成的冲击电流也不大。失压保护的意义在于防止自起动。
瞬时动作—对于不重要的,不影响生产工艺流程的电动机,一旦有低于临界电压者立即动作;一般短延时0.5s左右,短延时动作主要针对欠电压对象,用瞬时动作甩掉一批次要的电动机,而用短延时动作来保住一些主要的电动机。长延时动作—适用于重要的,起动条件不困难的绕线型电动机;可以自起动但技术保安条例不允许自起动的鼠笼型电动机,延时大约5~10s,通常它的整定时间大于5s而小于电动机的全部惰行时间。长延时动作主要针对失压保护,其目的是争取一部分比较重要,而其起动条件又不困难的电动机尽可能不退出运转。
五、电动机保护线路及其保护电器的选择
电动机保护的线路大致有以下四种
1.由热继电器FR,接触器kM和仅有瞬动保护的断路器QF组成。接触器用来起动、停止电动机,热继电器用来保护电动机的过载,而仅有瞬动保护的断路器是保护电动机的短路。
2.由热继电器FR,接触器kM和熔断器FS组成。热继电器保护电动机的过载,接触器起动和停止电动机,熔断器作电动机的短路故障保护。
3.由一台接触器kM和一台电动机保护型的断路器QF组成。接触器作为电动机的起动和停止之用,电动机保护型断路器作电动机的过载和短路故障的保护。
4.由一台电动机保护型断路器组成,电动机保护型断路器,既做电动机的起动和停止,又作电动机的过载和短路故障的保护。以上四种中,1、2两种适合于比较频繁的起动——停止电动机,第3种适合一般频繁起动,而第4种只能适用于不频繁起动和停止。
从投资来看,1、2种*不经济,第4种*经济,因为它可少用一台起动、停止用的接触器(和热继电器)。
但是采用电动机保护型的断路器作电动机的过载保护和短路保护,也存在一个很难克服的困难。这就是额定电流的匹配问题,例如Y型电动机同是15kW功率,因为极数等原因,额定电流就有29、30、31、34安培等规格。而断路器的额定电流是严格按照国家标准,以优选系数=1.25的增减来选择的,如10、13、16、20、25、32、40、50、63、80、100A……这样,15kW电动机选用的断路器额定电流只能往上靠32A,它大于29A、30A、31A、规格而小于34A规格的电动机。对于现在大量应市的塑壳式断路器,尽管有电动机保护型,但是它的整定电流(额定电流)是不可调的,往往起不到保护作用,因此采用断路器作过载保护是不理想的,建议采用过载长延时整定电流可调的热继电器来充任。虽然这种可调是不精细的,目前我厂正在开发智能型塑壳式断路器,如果研制成功,则其整定电流可以基本上做到无级调整。
上述第1种电动机保护线路的断路器QF是仅有瞬时保护性能的。一般的瞬动电流整定值为12In,而本文第二部分提到的星—三角转换和和瞬时再起动,以及一些特殊使用场所,如电力机车的上坡等,瞬动电流整定值可能要求14In甚至更大,这就需要向制造厂作特殊订货。电动机作为一种设备,通常它使用于支路,或主回路和中未端,功率为22kW及以下的大量小型电动机,它的短路电流是不大的,在10kA以内,但是,现在的一些大型企业为了减少电能传输过程的损耗,往往将变压器放在进线柜(即动力中心PC)中,而电动机置于电动机控制中心(MotorControlCentre简称MCC),MCC离PC很近,用于电动机保护的断路器与变压器二次出线端之间的阻抗很小,尽管电动机的功率只有10几个kW,可是一旦断路器的负载端出现短路,其短路电流也是很大的,例如图8所示,M1为15kWY型电动机,当E点发生短路时,如变压器B的容量达1600kVA,E处的短路电流可达24.82kA(周期分量有效值),QF2的短路分断能力应选用380V,25kA(或35kA)的电动机保护型塑壳式断路器(In为32A)。

(转自:中国风机网 )

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