电动机的过载及其保护

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(Temperature Index)以此代替IEC85。TI是按阿尼罗乌丝(Arrhenins)公式t=10 a＋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)=10 4.30=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)=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.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面的1.5In的4组相对应)。 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进行电动机的过载保护?现在对电动机的过载保护采用最多的是热继电器，也有相当数量采用有复式脱扣器(热动和电磁脱扣器，后者用于短路保护)的断路器。对于重载起动的电动机(起动时间为一般电动机的数倍)，如果使用一般的热继电器，常常会在起动过程中发生误动作(跳闸)，使电动机无法起动。因此需要选用带速饱和电流互感器或限流电阻的热继电器， 这种型式是通过速饱和电流互感器或限流电阻使起动电流成比例地缩小，就可以大大延长电动机的起动时间，保证正常起动，还有采取起动时将热继电器短接，起动完毕再将热继电器投入运行——完全短路法。此外，对带速饱和互感器的热继电器，起动时将互感器二次绕组短接，起动完毕后再使之投入等方法，来满足重载起动电动机的需要。 二、电动机的短路保护 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— )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.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为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，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 COS为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，考虑到残余电压的影响，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、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