工礦企業異步電機故障保護配置及應用初探

張暉

摘 要：異步電動機的故障一是機械的原因， 二是電磁故障，二者互有關連。電磁故障的原因很多而且復雜，過載、斷相、欠電壓、單相接地和短路都足以使電動機受損和毀壞。本文中僅針對電動機在實際使用中的電磁故障的保護進行分析，按照電動機的容量、型式、控制方式和配電設備等不同來配置和選擇相適應的保護裝置及起動設備，并供同行交流。

關鍵詞：異步電動機；電磁故障；保護；交流

引 言

電動機的故障大體分為兩部分：一是機械的原因，比如軸承和風機的磨損或損壞；二是電磁故障，二者互有關連。比如因軸承損壞引起電動機的過載，甚至堵轉，導致風葉損壞，電動機繞組散熱困難，溫升提高，絕緣物老化。電磁故障的原因很多，電動機的過載、斷相、欠電壓、單相接地和短路都足以使電動機受損和毀壞。電動機保護是個復雜的問題，在實際使用中我國電動機保護裝置大約經歷了：熱繼電器、熔斷器和電磁式電流繼電器；模擬電子式電動機保護器；數字電子式電動機保護器這幾個發展過程。

1.電動機的保護與控制關系

電動機的保護與其控制方式有一定關系，互為協調。如電動機直接起動時，在啟動時約產生（單鼠籠電機5.5—7倍In、雙鼠籠電機3.5—4倍In、繞線式電機2—2.5倍In）的起動電流。若由接觸器或斷路器來控制，則電器觸頭應能承受起動電流的接通和分斷考驗，即使是可頻繁操作的接觸器也會引起觸頭磨損加劇，以致損壞電器；對塑料外殼式斷路器，即使是不頻繁操作，也很難達到要求。因此，使用中常與起動器串聯在主回路中一起使用，此時由起動器中的接觸器來承載接通起動電流的考驗，而其他電器只承載通常運轉中出現的電動機過載電流分斷的考驗，至于保護功能，由配套的保護裝置來完成。此外，對電動機的控制還可以采用軟起動控制系統，電動機主回路由晶閘管來接通。為了避免在這些元件上的持續損耗，正常運行中采用真空接觸器承載主回路（并聯在晶閘管上電機啟動）負載（比如礦山輸送礦石的皮帶電機）。這種控制有程控或非程控；慢速起動或快速起動等多種方式。另外，依賴電子元器件，很容易實現各種保護功能。

2.電動機保護裝置

電動機的損壞主要是繞組過熱或絕緣性能降低引起的，而繞組的過熱往往是流經繞組的電流過大引起的。對電動機的保護主要有電流、溫度檢測兩大類型。

2.1.電流檢測型保護裝置

2.1.1. 熱繼電器利用負載電流流過經校準的電阻元件，使雙金屬熱元件加熱后產生彎曲，從而使繼電器的觸點在電動機繞組燒壞以前動作。其動作特性與電動機繞組的允許過載特性接近。熱繼電器雖則動作時間準確性一般，但對電動機可以實現有效的過載保護。隨著結構設計的不斷完善和改進，除有溫度補償外，它還具有斷相保護及負載不平衡保護功能等。其動作電流按電動機額定電流的1.1-1.25倍選擇。

2.1.2. 帶有熱—磁脫扣的電動機保護用斷路器熱式作過載保護用，結構及動作原理同熱繼電器，其雙金屬熱元件彎曲后有的直接頂脫扣裝置，有的使觸點接通，最后導致斷路器斷開。電磁鐵的整定值較高，僅在短路時動作。其結構簡單、體積小、價格低、動作特性符合現行標準、保護可靠，故目前仍被大量采用.特別是小容量斷路器尤為顯著。

2.1.3. 電子式過電流繼電器通過內部各相電流互感器檢測故障電流信號，經電子電路處理后執行相應的動作。電子電路變化靈活，動作功能多樣，能廣泛滿足各種類型的電動機的保護。其特點是：①多種保護功能。主要有三種：過載保護，過載保護+斷相保護，過載保護十斷相保護+反相保護。②動作時間可選擇（符合GBl4048.4—93標準）。標準型（10級）：7.2In（In為電動機額定電流），4—1Os動作，用于標準電動機過載保護，速動型（10A級）：7.2In時，2—1Os動作，用于潛水電動機或壓縮電動機過載保護。慢動型（30級）：7.2In時，9—30s動作，用于如鼓風機電機等起動時間長的電動機過載保護。③電流整定范圍廣。其最大值與最小值之比一般可達3—4倍，甚至更大倍數（熱繼電器為1.56倍），特別適用于電動機容量經常變動的場合（例如建筑施工現場等）。④有故障顯示，便于檢修。

2.1.4. 固態繼電器它是一種從完成繼電器功能的簡單電子式裝置發展到具有各種功能的微處理器裝置。其成本和價格隨功能而異，最復雜的繼電器實際上只能用于較大型、較昂貴的電動機或重要場合。它監視、測量和保護的主要功能有：①最大的起動沖擊電流和時間；②熱記憶；⑤大慣性負載的長時間加速；④斷相或不平衡相電流；⑤相序；⑥欠電壓或過電壓；⑦過電流（過載）運行；⑧堵轉；⑨失載（機軸斷裂，傳送帶斷開或泵空吸造成工作電流下跌）；⑩電動機繞組溫度和負載的軸承溫度；⑩超速或失速。上述每一種信息均可編程輸入微處理器，主要是加上需要的時限，以確保在電動機起動或運轉過程中產生損壞之前，將電源切斷。還可用發光二極管或數字顯示故障類別和原因，也可以對外向計算機輸出數據。

2.1.5.帶有電子式脫扣的電動機保護用斷路器其動作原理類同上述電子式過電流繼電器或固態繼電器。功能主要有：電路參量顯示（電流、電壓、功率、功率因數等），負載監控（按規定切除或投入負載），多種保護特性（指數曲線反時限、I2t曲線反時限、定時限或其組合），故障報警，試驗功能，自診斷功能，通信功能等。

2.1.6.軟起動器軟起動器的主電路采用晶閘管，控制其分斷或接通的保護裝置一般做成故障檢測模塊，用來完成對電動機起動前后的異常故障檢測，如斷相、過熱、短路、漏電和不平衡負載等故障，并發出相應的動作指令。其特點是系統結構簡單，采用單片機即可完成，適用于工業控制。

2.2. 溫度檢測型保護裝置

2.2.1. 雙金屬片溫度繼電器直接埋入電動機繞組中。當電動機過載使繞組溫升度高至接近極限值時，帶有一觸頭的雙金屬片受熱產生彎曲，使觸點斷開而切斷電路。

2.2.2. 熱保護器是裝在電動機本體上使用的熱動式過載保護繼電器。與溫度繼電器不同的是帶2個觸頭的碗形雙金屬片作為觸橋串在電動機回路，既有流過的過載電流使其發熱，又有電動機溫度使其升溫，達到一定值時，雙金屬片瞬間反跳動作，觸點斷開，分斷電動機電流。它可作小型三相電動機的溫度、過載和斷相保護。

2.2.3. 檢測線圈測溫電動機定子每相繞組中埋入1—2個檢測線圈，由自動平衡式溫度計來監視繞組溫度。

2.2.4. 熱敏電阻溫度繼電器它直接埋入電動機繞組中，一旦超過規定溫度，其電阻值急劇增大10—1000倍。使用時，配以電子電路檢測，然后使繼電器動作。

3.電動機保護的種類

3.1. 相間短路設電流保護和差動保護。對1000V電壓以下的電動機：容量大的使用自動空氣開關，設專用保護；容量小的用熔斷器保護。

3.2. 防止過載，設電流保護和熱力保護

3.3. 防止發生單相接地裝設零序電流保護

3.4. 欠電壓保護

4.電動機保護的配置及計算公式

4.1. 對2000KW及以上的高壓電動機相間短路（如發電廠的送風、引風機等），或電流速斷保護靈敏度不符合要求的2000KW以下高壓電動機，應裝設縱差保護，動作于跳閘。整定計算：Idz=Kk*Ie 其中Kk：可靠系數，再根據電流互感器折算。

4.2. 2000KW以下高壓電動機，宜采用電流速斷保護。

a. 反時限速斷保護動作電流整定：Idz.j=（ Kk*Kjx/nLH ）1.8Iqd

Iqd –電動機起動電流周期分量的最大值 其中 Kk：可靠系數 1.3 Kjx=繼電器接線系數

b. 定時限速斷保護動作電流整定：Idz.j=（ Kk*Kjx/nLH ）Iqd 其中Kk：可靠系數 1.5

4.3. 對生產過程中易發生過負荷的電動機，應裝設過負荷保護。過載保護動作電流整定：按電動機的額定電流整定

Idz.j=（ Kk*Kjx/ Kf）（Ie/ nLH） 其中Kk：可靠系數 1.05-1.2 Kf=繼電器返回系數 0.85

4.4. 當接地電流大于5A時，才在電動機上裝設有選擇性的單相接地保護，當接地電流大于5A時動作于跳閘。計算 Idz= Kk*Ic Ic-該線路的電容電流 其中Kk：可靠系數，只要是為了躲過弧光接地故障所產生的不穩定過程電流而設的。不帶時限Kk：取4-5，帶0.5S時限Kk：取1.5-2。

4.5. 保證重要電動機的自啟動。對于電壓短時降低或中斷情況，根據自起動條件，必須切除部分不重要的電動機。保證工藝技術條件，在電壓長時降低或中斷情況下，切除不允許自起動的電動機。具體如下：

4.5.1 .按保證電動機自起動的條件整定：Udz=Umin/ Kk Kf≈（0.45-0.55）Ue （Kk：可靠系數 Umin-母線允許最低電壓（0.55-0.65）Ue Kf=繼電器返回系數）整定值均取0.5S動作時限，以躲過速斷保護動作及電壓回路斷線引起的誤動作。

4.5.2. 按切除不允許自啟動條件整定（0.6-0.7）Ue 整定值均取0.5S動作時限，以躲過速斷保護動作及電壓回路斷線引起的誤動作。

4.5.3. 根據保安條件，在電壓長時間消失后不允許自起動的電機，電壓保護動作值一般取（0.25-0.4）Ue，失壓保護時限取6-10S。

4.5.4. 有備用電源而斷開的電動機，失壓保護整定為（0.25-0.4）Ue，保護時限取0.5S。

4.6. 低壓電動機保護，一般主要保護它的短路，通常用自動空氣開關和熔絲來保護。

4.6.1.對起動次數不頻繁且在輕工作條件下起動的鼠籠電動機（起動時間為2-5秒），熔絲的額定電流可選為Iers≥Iqdq/2.5

4.6.2. 對在重載條件下起動（起動時間為5-10秒）或雖然輕載但頻繁起動電動機，熔絲的額定電流可選為Iers≥Iqdq/1.6 ～ 2

4.6.3. 對繞線式電動機（起動時間為2-5秒），熔絲的額定電流可選為Iers≥（1-1.25）Ied

5.高、低壓異步電動機的繼電保護

5.1. 低壓電動機的繼電保護

5.1.1. 低壓電動機應裝設短路保護，過負荷保護，缺相運行保護和低電壓保護，對同步電動機還應裝設失步保護，失磁保護等，作用于斷路器跳閘，具有時限性。

5.1.2. 低壓直流電動機應裝設短路保護和失磁保護，并根據具體情況分別裝設起速保護，過負荷或堵轉保護，作用于斷路器跳閘，且有時限性。

5.2. 高壓電動機的繼電保護：對于高壓異步電動機應對其下列故障及異常運行方式裝設相應的裝置。

5.2.1.定子繞組相間短路：裝設高壓電動機電流速斷和過電流保護， 中、小容量高壓電動機，一般采用電流速斷保護作為相間短路的主保護。對不易過電流的高壓電動機，通常采用電磁型（如DL—11型）電流繼電器構成的電流速斷保護。對于可能會產生過電流的高壓電動機，可采用感應型（如GL型）過電流繼電器構成的電流速斷保護和過電流保護，其反時限部分作用于過電流保護并作用于信號，一般時限為15～20S，其速斷部分作用于相間短路保護并作用于跳閘。

5.2.2. 定子繞組單相接地： 裝設電動機的單相接地保護， 高壓電動機單相接地電流大于5A時，應裝設單相接地保護，小于10A時，作用于信號或跳閘，大于10A時，作用于跳閘。

5.2.3. 定子繞組過負載、定子繞組低電壓： 裝設電動機的低電壓保護， 當電動機電源短時顯著降低或暫短中斷后又恢復時，為保證電動機不自起動而保護設備及人身安全，應裝低電壓保護裝置，其整定值為額定低壓的-15%。

5.2.4. 高壓異步電動機綜合保護：電流速斷保護和過電流保護，作用于跳閘；單相接地保護，作用于跳閘和信號；有系統故障保護，作用于跳閘。

6.結束語

隨著科技的日益發展，異步電動機保護產品及措施日臻完善，但由于電動機保護涉及面廣泛，各種原因燒毀電動機的案例并不少見， 電機無法啟動及異常運行等情況也很常見。綜上所述，做好電動機的日常檢查和維護工作，制定合理的保護配置方案，并選取得當得保護方法及措施，是確保異步電動機安全運行的重要前提。