王蒙蒙
安科瑞電氣股份有限公司 上海嘉定 201801
摘要：低壓電動(dòng)機是石化企業(yè)常用的電氣電備，現場(chǎng)大量采用了低壓電動(dòng)機綜合保護器對其進(jìn)行保護。本文從國家標準規定出發(fā)，結合低壓電動(dòng)機綜合保護器，探討低壓電動(dòng)機的保護配置及低壓電器、低壓電動(dòng)機綜合保護器的保護原理。為裝置現場(chǎng)低壓電動(dòng)機保護配置提供依據。
關(guān)鍵詞：短路保護接地保護過(guò)載保護斷相保護
1國家標準
《GB50055-2011通用用電設備配電設計規范》（以下簡(jiǎn)稱(chēng)“規范"）中規定：
（1）交流電動(dòng)機應裝設短路保護和接地故障的保護
（2）交流電動(dòng)機的保護除應符合本規程2.3.1條的規定外，尚應根據電動(dòng)機的用途分別裝設過(guò)載保護、斷相保護、低電壓保護。
（3）因此，三相交流電動(dòng)機必須裝設短路保護和接地保護，還應根據實(shí)際情況裝設過(guò)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
《規范》2.3.4條中規定：交流電動(dòng)機的短路保護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。
目前現場(chǎng)幾乎所有的低壓交流電動(dòng)機均采用帶瞬動(dòng)脫扣器的斷路器實(shí)現短路保護。
2.2保護元器件的選擇及整定
《規范》2.3.5中規定：瞬動(dòng)過(guò)電流脫扣器或過(guò)電流繼電器瞬動(dòng)元件的整定電流應取電動(dòng)機起動(dòng)電流周期分量有效值的2~2.5倍。
按照電動(dòng)機保護原理，瞬動(dòng)元件整定值應躲過(guò)電動(dòng)機的啟動(dòng)電流。規范中規定“應取電動(dòng)機起動(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)機電流可達到額定電流的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)機的全啟動(dòng)電流。
現場(chǎng)實(shí)際工作中，通過(guò)選擇“電動(dòng)機用"低壓斷路器并正確整定瞬動(dòng)數值即可滿(mǎn)足規范要求。低壓斷路器根據用途分類(lèi)，可分為電動(dòng)機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)，應保證In≥Ie（Ie為電動(dòng)機額定電流），可以看出，當把電動(dòng)機用斷路器的整定值整定在（10-12）In時(shí)，即可滿(mǎn)足瞬動(dòng)電流一定大于電動(dòng)機（10-12）Ie，即規范中規定的的啟動(dòng)電流的2-2.5倍。有一些電動(dòng)機用塑殼斷路器不具備調整瞬動(dòng)電流的功能，但其內部瞬動(dòng)值固定在了12In或12.5In，同樣滿(mǎn)足規范要求。
由此可見(jiàn)，現場(chǎng)維護運行低壓電動(dòng)機時(shí)，只要根據電動(dòng)機額定電流正確選擇電動(dòng)機用低壓斷路器，即可符合規范要求的短路保護。
3接地保護
《規范》2.3.6中規定：當電動(dòng)機的短路保護器件滿(mǎn)足接地故障的保護要求時(shí)，應采用短路保護器件兼作接地故障的保護。
目前裝置低壓380V系統普遍采用TN-S系統，當發(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，由于不同系統內正序、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(dòng)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(dòng)動(dòng)作電流不是很大，當發(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《規范》2.3.6中規定，不必另外裝設接地保護裝置，采用低壓斷路器兼作接地故障的保護。
情況2：電動(dòng)機功率較大的回路，尤其是75KW以上的電動(dòng)機回路，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，當電動(dòng)機回路發(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)機綜合保護器的“單相接地保護"，確保低壓電動(dòng)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(dòng)機回路的零序電流，當回路發(fā)生單相接地故障時(shí)，零序電流變大，由保護器發(fā)信號跳開(kāi)主回路低壓斷路器。保護跳低壓斷路器主要是考慮到，當發(fā)生金屬性接地時(shí)，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(gè)整定值，低整定值可以用來(lái)監測回路絕緣情況，起報警作用；高整定值用于回路發(fā)生接地故障時(shí)跳閘。
4過(guò)載保護
《規范》2.3.7中規定：運行中容易過(guò)載的電動(dòng)機、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，應裝設過(guò)載保護。連續運行的電動(dòng)機宜裝設過(guò)載保護，過(guò)載保護應動(dòng)作于斷開(kāi)電源。但斷電比過(guò)載造成的損失更大時(shí)，應使過(guò)載保護動(dòng)作于信號。
石化行業(yè)絕大多數電動(dòng)機處于連續運行狀態(tài)，因此應裝設過(guò)載保護。但對于特殊場(chǎng)合，如消防水電機，發(fā)生火災時(shí)即使電動(dòng)機過(guò)載，為保證發(fā)生火災時(shí)電動(dòng)機能繼續運轉，可使過(guò)載保護動(dòng)作于信號。
目前電動(dòng)機綜合保護器的“過(guò)熱保護"是一種較合理、完善的過(guò)載保護?！斑^(guò)熱保護"的基本原理是：電動(dòng)機綜合保護器在其內部建立一個(gè)電動(dòng)機的發(fā)熱模型，此模型可以利用電動(dòng)機電流值模擬計算電動(dòng)機的累計熱量。當累計熱量達到電動(dòng)機可承受熱量的95%時(shí)，保護器跳閘以保護電動(dòng)機。
4.1電動(dòng)機過(guò)熱保護的等效電流
電動(dòng)機綜合保護器雖然在其內部建立了物理模型來(lái)模擬電動(dòng)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(dòng)機綜合保護器中進(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電流正序分量與負序分量
任意一組三相不對稱(chēng)相量都可以分解成三相對稱(chēng)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(shū)籍。
4.1.2正序分量與負序分量對電動(dòng)機的影響
當電動(dòng)機定子繞組斷相、三相不平衡時(shí)都將有正序和負序分量過(guò)大的現象，但是幅值相同的定子正序電流和定子負序電流在電動(dòng)機內產(chǎn)生的熱量并不相同，負序電流對電動(dòng)機的影響非常大。
以電動(dòng)機B相斷相為例。當B相斷相時(shí)，IB=0，IA和IC大小相等，方向相反，通過(guò)正序分量和負序分量計算方法可以得知，這時(shí)產(chǎn)生的正序電流與負序電流相等。但是通過(guò)相關(guān)公式可以證明，在電動(dòng)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子銅損比額定轉子銅損增大到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，當有負序電流出現時(shí)，電動(dòng)機轉子損耗將顯著(zhù)增加，導致轉子局部過(guò)熱而燒毀。
4.1.3等效電流Ieq
了解到電動(dòng)機正序電流和負序電流對電動(dòng)機的影響后，為了簡(jiǎn)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，英國GEC公司提出一個(gè)粗略反映上述發(fā)熱效應的“等效電流Ieq"。即
式中K1為正序電流系數。在電動(dòng)機啟動(dòng)階段K1取0.5，是在電動(dòng)機起動(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)載保護誤動(dòng)；在電動(dòng)機正常運行階段K1取1。
式中K2為負序電流系數，模擬負序電流I2的增強發(fā)熱效應，一般取值范圍為3~10。由于目前對電動(dòng)機的熱保護還沒(méi)有真正認識清楚，所以沒(méi)有統一的標準，致使每個(gè)生產(chǎn)電動(dòng)機綜合保護器的廠(chǎng)家均按照自己的研究結果進(jìn)行建立熱模型，造成了K2系數選取的不一致。很多低壓電動(dòng)機綜合保護器中將K2固定為6。
4.2過(guò)熱保護動(dòng)作時(shí)間特性
冷態(tài)下過(guò)熱保護動(dòng)作時(shí)間可按以下公式計算：
式中：t—動(dòng)作時(shí)間，s；
τ—電動(dòng)機的發(fā)熱時(shí)間常數，s；
Ieq—等效電流，A；
Ie—電動(dòng)機額定電流，A；
K—電動(dòng)機過(guò)負荷系數
4.2.1電動(dòng)機的發(fā)熱時(shí)間常數
電動(dòng)機運行時(shí)內部的功率損耗，都變成熱能，這會(huì )使電動(dòng)機溫度升高，溫升上升到穩定溫升的63.2%（約2/3）所需時(shí)間就是電動(dòng)機的發(fā)熱時(shí)間常數τ（s）。τ與電動(dòng)機極數、結構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"應由電動(dòng)機廠(chǎng)家提供，但實(shí)際上很少電動(dòng)機廠(chǎng)家提供此數據。根據UL標準的熱保護要求，可以使用以下規定：發(fā)熱時(shí)間常數等于35倍的t6，t6是電動(dòng)機廠(chǎng)家表明的允許運行在6倍額定電流值時(shí)的時(shí)間。4.2.2電動(dòng)機過(guò)負荷系數低壓電動(dòng)機過(guò)負荷能力較差，過(guò)負荷系數較低，很多電動(dòng)機綜合保護器將過(guò)負荷系數固定為1.05。
4.2.3舉例
上海華建公司LM500系列保護器的熱保護動(dòng)作時(shí)間公式為：
其中TL為電動(dòng)機熱過(guò)載整定時(shí)間系數，TL的選擇應低于電動(dòng)機在冷態(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
《規范》2.3.10中規定：連續運行的三相電動(dòng)機，當采用熔斷器保護時(shí)，應裝設斷相保護；當采用低壓斷路器保護時(shí)，宜裝設斷相保護。
石化行業(yè)現場(chǎng)電動(dòng)機基本上采用低壓斷路器保護，規范規定“宜"裝設斷相保護，但從目前公布的數據顯示，由于斷相故障引起低壓電動(dòng)機燒毀的比例非常大，為保護電動(dòng)機正常，應裝設斷相保護。
使用電動(dòng)機綜合保護器的回路，投入電動(dòng)機熱保護后，發(fā)生斷相故障時(shí)，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(zhuān)門(mén)的斷相故障。
例如上海華建LM500系列保護器提供“斷相保護"，當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(dòng)機額定電流）時(shí)，認為發(fā)生斷相故障，經(jīng)用戶(hù)設置的延時(shí)時(shí)間后保護器動(dòng)作，快速切除故障。
6低電壓保護
《規范》2.3.12中規定：按工藝或安全條件不允許自起動(dòng)的電動(dòng)機應裝設低電壓保護；為保證重要電動(dòng)機自起動(dòng)而需要切除的次要電動(dòng)機應裝設低電壓保護。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(xiàn)圈，亦可采用低電壓繼電器和時(shí)間繼電器。
石化行業(yè)，當系統發(fā)生低電壓或失電時(shí)，為保證系統恢復電壓后重要電動(dòng)機的自啟動(dòng)，多數非重要電動(dòng)機應裝設低電壓保護。目前現場(chǎng)電動(dòng)機回路均采用接觸器作為控制元器件，當系統低電壓時(shí)，接觸器線(xiàn)圈釋放，接觸器主觸點(diǎn)打開(kāi)，切除電動(dòng)機。因此可不必設置單獨的低電壓保護裝置。
7安科瑞智能電動(dòng)機保護器介紹
7.1產(chǎn)品介紹
智能電動(dòng)機保護器(以下簡(jiǎn)稱(chēng)保護器)，采用單片機技術(shù)，具有抗力強、工作穩定可靠、數字化、智能化、網(wǎng)絡(luò )化等特點(diǎn)。保護器能對電動(dòng)機運行過(guò)程中出現的過(guò)載、斷相、不平衡、欠載、接地/漏電、堵轉、阻塞、外部故障等多種情況進(jìn)行保護，并設有SOE故障事件記錄功能，方便現場(chǎng)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。實(shí)現電動(dòng)機運行的遠程監控。
7.2技術(shù)參數
7.2.1數字式電動(dòng)機保護器
7.2.2模塊式電動(dòng)機保護器
7.3產(chǎn)品選型
說(shuō)明：“√"表示具備，“■"表示可選。
8結束語(yǔ)
以上為《GB50055-2011通用用電設備配電設計規范》中規定的電動(dòng)機保護類(lèi)型以及如何實(shí)現，現今的低壓電動(dòng)機綜合保護器中除上述幾種保護外，還有啟動(dòng)時(shí)間過(guò)長(cháng)保護、電流不平衡保護、堵轉保護、欠電流保護等等，實(shí)際應用時(shí)可以根據需求投入某種保護，既能提高保護的準確性，又為跳閘后查找故障提供方便。
參考文獻
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[3]安科瑞企業(yè)微電網(wǎng)設計與應用手冊.2020.06版
作者簡(jiǎn)介：王蒙蒙，女，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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