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浅论异步电动机的各种保护
日期:2008-11-14 22:52:31 来源:中国自动化网  
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摘要:本文论述了异步电动机在发生过载、短路、断相、欠电压等故障时产生的后果以及它们的有效保护方法。
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关键词:异步电动机故障保护
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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。
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一、电动机的过载及其保护
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电动机的过载除上述原因外,还有:
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a.电动机周围环境温度过高,散热条件差;
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b.电动机在大的起动电流下缓慢起动;
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c.电动机长期低速运行;
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d.电动机频繁起动、制动、正反转运行及经常反接制动。
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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。
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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)>
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T—绝缘材料使用的温度(℃)
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a、b—与材料有关的常数
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例如:某电动机使用的绝缘材料a=-2,b=1034,使用温度T=164℃
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得t=10-2+(1034/642)=104.30=2000h
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它表示此绝缘物使用于164℃时,其使用寿命为20000小时。
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如果把使用温度提高8℃,则T=164+8=172℃
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t=10-2+(1034/172)=104=10000h
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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。
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电动机的过载保护安秒(I-t)曲线(反时限)
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1.电动机的过载特性
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2.保护电器的保护特性
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3.电动机的起动电流特性
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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:
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1.0In>2h不动作
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1.2In≤2h动作
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7.2In:2sWWW※PLCJS_COM-PL#C-技.术_网(可编※程控※制器技术门户)

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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):
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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(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2sWWW_P※LCJS_CO※M-PLC-技-.术_网

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)。
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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
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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;
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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:
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(1)电动机直接起动
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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)
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(2)星—三角(Y-Δ)起动
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也假设为COS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。

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