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淺談低壓電動(dòng)機(jī)的保護(hù)配置
更新時(shí)間:2021-10-18   點(diǎn)擊次數(shù):547次

趙娜

安科瑞電氣股份有限公司 上海嘉定 201801
 
摘要:低壓電動(dòng)機(jī)是石化企業(yè)常用的電氣電備,現(xiàn)場大量采用了低壓電動(dòng)機(jī)綜合保護(hù)器對其進(jìn)行保護(hù)。本文從國家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定出發(fā),結(jié)合低壓電動(dòng)機(jī)綜合保護(hù)器,探討低壓電動(dòng)機(jī)的保護(hù)配置及低壓電器、低壓電動(dòng)機(jī)綜合保護(hù)器的保護(hù)原理。為裝置現(xiàn)場低壓電動(dòng)機(jī)保護(hù)配置提供依據(jù)。
 
關(guān)鍵詞:短路保護(hù)接地保護(hù)過載保護(hù)斷相保護(hù)
 
1國家標(biāo)準(zhǔn)
       《GB50055-2011通用用電設(shè)備配電設(shè)計(jì)規(guī)范》(以下簡稱“規(guī)范")中規(guī)定:
       (1)交流電動(dòng)機(jī)應(yīng)裝設(shè)短路保護(hù)和接地故障的保護(hù)
       (2)交流電動(dòng)機(jī)的保護(hù)除應(yīng)符合本規(guī)程2.3.1條的規(guī)定外,尚應(yīng)根據(jù)電動(dòng)機(jī)的用途分別裝設(shè)過載保護(hù)、斷相保護(hù)、低電壓保護(hù)。
       (3)因此,三相交流電動(dòng)機(jī)必須裝設(shè)短路保護(hù)和接地保護(hù),還應(yīng)根據(jù)實(shí)際情況裝設(shè)過載保護(hù)、斷相保護(hù)和低電壓保護(hù)。
 
2短路保護(hù)
2.1保護(hù)元器件的選擇
       《規(guī)范》2.3.4條中規(guī)定:交流電動(dòng)機(jī)的短路保護(hù)宜采用熔斷器或低壓路器的瞬動(dòng)過電流脫扣器,亦可采用帶瞬動(dòng)元件的過電流繼電器進(jìn)行保護(hù)。
       目前現(xiàn)場幾乎所有的低壓交流電動(dòng)機(jī)均采用帶瞬動(dòng)脫扣器的斷路器實(shí)現(xiàn)短路保護(hù)。
2.2保護(hù)元器件的選擇及整定
       《規(guī)范》2.3.5中規(guī)定:瞬動(dòng)過電流脫扣器或過電流繼電器瞬動(dòng)元件的整定電流應(yīng)取電動(dòng)機(jī)起動(dòng)電流周期分量有效值的2~2.5倍。
       按照電動(dòng)機(jī)保護(hù)原理,瞬動(dòng)元件整定值應(yīng)躲過電動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)電流。規(guī)范中規(guī)定“應(yīng)取電動(dòng)機(jī)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(jī)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的“直接啟動(dòng)時(shí)電動(dòng)機(jī)電流可達(dá)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(dá)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(jī)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,通過提高斷路器的瞬動(dòng)電流定值來躲過電動(dòng)機(jī)的全啟動(dòng)電流。
       現(xiàn)場實(shí)際工作中,通過選擇“電動(dòng)機(jī)用"低壓斷路器并正確整定瞬動(dòng)數(shù)值即可滿足規(guī)范要求。低壓斷路器根據(jù)用途分類,可分為電動(dòng)機(jī)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(jī)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(yīng)保證In≥Ie(Ie為電動(dòng)機(jī)額定電流),可以看出,當(dāng)把電動(dòng)機(jī)用斷路器的整定值整定在(10-12)In時(shí),即可滿足瞬動(dòng)電流一定大于電動(dòng)機(jī)(10-12)Ie,即規(guī)范中規(guī)定的的啟動(dòng)電流的2-2.5倍。有一些電動(dòng)機(jī)用塑殼斷路器不具備調(diào)整瞬動(dòng)電流的功能,但其內(nèi)部瞬動(dòng)值固定在了12In或12.5In,同樣滿足規(guī)范要求。
       由此可見,現(xiàn)場維護(hù)運(yùn)行低壓電動(dòng)機(jī)時(shí),只要根據(jù)電動(dòng)機(jī)額定電流正確選擇電動(dòng)機(jī)用低壓斷路器,即可符合規(guī)范要求的短路保護(hù)。
 
3接地保護(hù)
       《規(guī)范》2.3.6中規(guī)定:當(dāng)電動(dòng)機(jī)的短路保護(hù)器件滿足接地故障的保護(hù)要求時(shí),應(yīng)采用短路保護(hù)器件兼作接地故障的保護(hù)。
       目前裝置低壓380V系統(tǒng)普遍采用TN-S系統(tǒng),當(dāng)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(tǒng)內(nèi)正序、負(fù)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(jī)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(dāng)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(guī)范》2.3.6中規(guī)定,不必另外裝設(shè)接地保護(hù)裝置,采用低壓斷路器兼作接地故障的保護(hù)。
       情況2:電動(dòng)機(jī)功率較大的回路,尤其是75KW以上的電動(dòng)機(jī)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(dāng)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的塑殼開關(guān),其瞬動(dòng)電流整定為11In,即11×400=4400A,當(dāng)電動(dòng)機(jī)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(jī)綜合保護(hù)器的“單相接地保護(hù)",確保低壓電動(dòng)機(jī)回路配置“單相接地保護(hù)"。例如上海華建LM500系列保護(hù)器具有“單相接地保護(hù)",保護(hù)器采集電動(dòng)機(jī)回路的零序電流,當(dāng)回路發(fā)生單相接地故障時(shí),零序電流變大,由保護(hù)器發(fā)信號(hào)跳開主回路低壓斷路器。保護(hù)跳低壓斷路器主要是考慮到,當(dāng)發(fā)生金屬性接地時(shí),短路電流很大,必須用具有較強(qiáng)滅弧能力的斷路器切斷短路電流。保護(hù)器“單相接地故障"一般有兩個(gè)整定值,低整定值可以用來監(jiān)測回路絕緣情況,起報(bào)警作用;高整定值用于回路發(fā)生接地故障時(shí)跳閘。
 
4過載保護(hù)
       《規(guī)范》2.3.7中規(guī)定:運(yùn)行中容易過載的電動(dòng)機(jī)、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(jī),應(yīng)裝設(shè)過載保護(hù)。連續(xù)運(yùn)行的電動(dòng)機(jī)宜裝設(shè)過載保護(hù),過載保護(hù)應(yīng)動(dòng)作于斷開電源。但斷電比過載造成的損失更大時(shí),應(yīng)使過載保護(hù)動(dòng)作于信號(hào)。
       石化行業(yè)絕大多數(shù)電動(dòng)機(jī)處于連續(xù)運(yùn)行狀態(tài),因此應(yīng)裝設(shè)過載保護(hù)。但對于特殊場合,如消防水電機(jī),發(fā)生火災(zāi)時(shí)即使電動(dòng)機(jī)過載,為保證發(fā)生火災(zāi)時(shí)電動(dòng)機(jī)能繼續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn),可使過載保護(hù)動(dòng)作于信號(hào)。
       目前電動(dòng)機(jī)綜合保護(hù)器的“過熱保護(hù)"是一種較合理、完善的過載保護(hù)?!斑^熱保護(hù)"的基本原理是:電動(dòng)機(jī)綜合保護(hù)器在其內(nèi)部建立一個(gè)電動(dòng)機(jī)的發(fā)熱模型,此模型可以利用電動(dòng)機(jī)電流值模擬計(jì)算電動(dòng)機(jī)的累計(jì)熱量。當(dāng)累計(jì)熱量達(dá)到電動(dòng)機(jī)可承受熱量的100%時(shí),保護(hù)器跳閘以保護(hù)電動(dòng)機(jī)。
4.1電動(dòng)機(jī)過熱保護(hù)的等效電流
       電動(dòng)機(jī)綜合保護(hù)器雖然在其內(nèi)部建立了物理模型來模擬電動(dòng)機(jī)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(jī)綜合保護(hù)器中進(jìn)入物理模型中參與計(jì)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(fù)序分量
       任意一組三相不對稱相量都可以分解成三相對稱的相量,一組叫正序分量,一組叫負(fù)序分量,另一組叫零序分量。各分量計(jì)算方法可參考相關(guān)書籍。
4.1.2正序分量與負(fù)序分量對電動(dòng)機(jī)的影響
       當(dāng)電動(dòng)機(jī)定子繞組斷相、三相不平衡時(shí)都將有正序和負(fù)序分量過大的現(xiàn)象,但是幅值相同的定子正序電流和定子負(fù)序電流在電動(dòng)機(jī)內(nèi)產(chǎn)生的熱量并不相同,負(fù)序電流對電動(dòng)機(jī)的影響非常大。
       以電動(dòng)機(jī)B相斷相為例。當(dāng)B相斷相時(shí),IB=0,IA和IC大小相等,方向相反,通過正序分量和負(fù)序分量計(jì)算方法可以得知,這時(shí)產(chǎn)生的正序電流與負(fù)序電流相等。但是通過相關(guān)公式可以證明,在電動(dòng)機(jī)負(fù)荷率為1的情況下,盡管正序電流與負(fù)序電流相等,但是由負(fù)序電流引起的轉(zhuǎn)子銅損比額定轉(zhuǎn)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(dāng)有負(fù)序電流出現(xiàn)時(shí),電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子損耗將顯著增加,導(dǎo)致轉(zhuǎn)子局部過熱而燒毀。
4.1.3等效電流Ieq
       了解到電動(dòng)機(jī)正序電流和負(fù)序電流對電動(dòng)機(jī)的影響后,為了簡單方便的反映正序電流I1和負(fù)序電流I2的不同發(fā)熱效應(yīng),英國GEC公司提出一個(gè)粗略反映上述發(fā)熱效應(yīng)的“等效電流Ieq"。即
       式中K1為正序電流系數(shù)。在電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)階段K1取0.5,是在電動(dòng)機(jī)起動(dòng)時(shí)把熱過載的動(dòng)作時(shí)間增大四倍,以防止因起動(dòng)電流而使熱過載保護(hù)誤動(dòng);在電動(dòng)機(jī)正常運(yùn)行階段K1取1。
       式中K2為負(fù)序電流系數(shù),模擬負(fù)序電流I2的增強(qiáng)發(fā)熱效應(yīng),一般取值范圍為3~10。由于目前對電動(dòng)機(jī)的熱保護(hù)還沒有真正認(rèn)識(shí)清楚,所以沒有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn),致使每個(gè)生產(chǎn)電動(dòng)機(jī)綜合保護(hù)器的廠家均按照自己的研究結(jié)果進(jìn)行建立熱模型,造成了K2系數(shù)選取的不一致。很多低壓電動(dòng)機(jī)綜合保護(hù)器中將K2固定為6。
4.2過熱保護(hù)動(dòng)作時(shí)間特性
       冷態(tài)下過熱保護(hù)動(dòng)作時(shí)間可按以下公式計(jì)算:
       式中:t—?jiǎng)幼鲿r(shí)間,s;
       τ—電動(dòng)機(jī)的發(fā)熱時(shí)間常數(shù),s;
       Ieq—等效電流,A;
       Ie—電動(dòng)機(jī)額定電流,A;
       K—電動(dòng)機(jī)過負(fù)荷系數(shù)
4.2.1電動(dòng)機(jī)的發(fā)熱時(shí)間常數(shù)
       電動(dòng)機(jī)運(yùn)行時(shí)內(nèi)部的功率損耗,都變成熱能,這會(huì)使電動(dòng)機(jī)溫度升高,溫升上升到穩(wěn)定溫升的63.2%(約2/3)所需時(shí)間就是電動(dòng)機(jī)的發(fā)熱時(shí)間常數(shù)τ(s)。τ與電動(dòng)機(jī)極數(shù)、結(jié)構(gòu)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(shù)"應(yīng)由電動(dòng)機(jī)廠家提供,但實(shí)際上很少電動(dòng)機(jī)廠家提供此數(shù)據(jù)。根據(jù)UL標(biāo)準(zhǔn)的熱保護(hù)要求,可以使用以下規(guī)定:發(fā)熱時(shí)間常數(shù)等于35倍的t6,t6是電動(dòng)機(jī)廠家表明的允許運(yùn)行在6倍額定電流值時(shí)的時(shí)間。4.2.2電動(dòng)機(jī)過負(fù)荷系數(shù)低壓電動(dòng)機(jī)過負(fù)荷能力較差,過負(fù)荷系數(shù)較低,很多電動(dòng)機(jī)綜合保護(hù)器將過負(fù)荷系數(shù)固定為1.05。
4.2.3舉例
       上海華建公司LM500系列保護(hù)器的熱保護(hù)動(dòng)作時(shí)間公式為:
       其中TL為電動(dòng)機(jī)熱過載整定時(shí)間系數(shù),TL的選擇應(yīng)低于電動(dòng)機(jī)在冷態(tài)6倍額定電流下所允許的過載時(shí)間TA(即3.2.1中提到的t6)
 
5斷相保護(hù)
       《規(guī)范》2.3.10中規(guī)定:連續(xù)運(yùn)行的三相電動(dòng)機(jī),當(dāng)采用熔斷器保護(hù)時(shí),應(yīng)裝設(shè)斷相保護(hù);當(dāng)采用低壓斷路器保護(hù)時(shí),宜裝設(shè)斷相保護(hù)。
       石化行業(yè)現(xiàn)場電動(dòng)機(jī)基本上采用低壓斷路器保護(hù),規(guī)范規(guī)定“宜"裝設(shè)斷相保護(hù),但從目前公布的數(shù)據(jù)顯示,由于斷相故障引起低壓電動(dòng)機(jī)燒毀的比例非常大,為保護(hù)電動(dòng)機(jī)正常,應(yīng)裝設(shè)斷相保護(hù)。
       使用電動(dòng)機(jī)綜合保護(hù)器的回路,投入電動(dòng)機(jī)熱保護(hù)后,發(fā)生斷相故障時(shí),由于存在負(fù)序電流,熱保護(hù)能跳閘切除故障。但如果需要快速切除斷相故障,需要投入專門的斷相故障。
       例如上海華建LM500系列保護(hù)器提供“斷相保護(hù)",當(dāng)保護(hù)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(jī)額定電流)時(shí),認(rèn)為發(fā)生斷相故障,經(jīng)用戶設(shè)置的延時(shí)時(shí)間后保護(hù)器動(dòng)作,快速切除故障。
 
6低電壓保護(hù)
       《規(guī)范》2.3.12中規(guī)定:按工藝或安全條件不允許自起動(dòng)的電動(dòng)機(jī)應(yīng)裝設(shè)低電壓保護(hù);為保證重要電動(dòng)機(jī)自起動(dòng)而需要切除的次要電動(dòng)機(jī)應(yīng)裝設(shè)低電壓保護(hù)。低電壓保護(hù)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圈,亦可采用低電壓繼電器和時(shí)間繼電器。
       石化行業(yè),當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生低電壓或失電時(shí),為保證系統(tǒng)恢復(fù)電壓后重要電動(dòng)機(jī)的自啟動(dòng),多數(shù)非重要電動(dòng)機(jī)應(yīng)裝設(shè)低電壓保護(hù)。目前現(xiàn)場電動(dòng)機(jī)回路均采用接觸器作為控制元器件,當(dāng)系統(tǒng)低電壓時(shí),接觸器線圈釋放,接觸器主觸點(diǎn)打開,切除電動(dòng)機(jī)。因此可不必設(shè)置單獨(dú)的低電壓保護(hù)裝置。
 
7安科瑞智能電動(dòng)機(jī)保護(hù)器介紹
7.1產(chǎn)品介紹
       智能電動(dòng)機(jī)保護(hù)器(以下簡稱保護(hù)器),采用單片機(jī)技術(shù),具有抗干擾能力強(qiáng)、工作穩(wěn)定可靠、數(shù)字化、智能化、網(wǎng)絡(luò)化等特點(diǎn)。保護(hù)器能對電動(dòng)機(jī)運(yùn)行過程中出現(xiàn)的過載、斷相、不平衡、欠載、接地/漏電、堵轉(zhuǎn)、阻塞、外部故障等多種情況進(jìn)行保護(hù),并設(shè)有SOE故障事件記錄功能,方便現(xiàn)場維護(hù)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(hù)器具有RS485遠(yuǎn)程通訊接口,DC4-20mA模擬量輸出,方便與PLC、PC等控制機(jī)組成網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。實(shí)現(xiàn)電動(dòng)機(jī)運(yùn)行的遠(yuǎn)程監(jiān)控。
7.2技術(shù)參數(shù)
7.2.1數(shù)字式電動(dòng)機(jī)保護(hù)器
7.2.2模塊式電動(dòng)機(jī)保護(hù)器
7.3產(chǎn)品選型
說明:“√"表示具備,“■"表示可選。
 
8結(jié)束語
       以上為《GB50055-2011通用用電設(shè)備配電設(shè)計(jì)規(guī)范》中規(guī)定的電動(dòng)機(jī)保護(hù)類型以及如何實(shí)現(xiàn),現(xiàn)今的低壓電動(dòng)機(jī)綜合保護(hù)器中除上述幾種保護(hù)外,還有啟動(dòng)時(shí)間過長保護(hù)、電流不平衡保護(hù)、堵轉(zhuǎn)保護(hù)、欠電流保護(hù)等等,實(shí)際應(yīng)用時(shí)可以根據(jù)需求投入某種保護(hù),既能提高保護(hù)的準(zhǔn)確性,又為跳閘后查找故障提供方便。
 
參考文獻(xiàn)
[1]王維儉.電氣主設(shè)備繼電保護(hù)原理與應(yīng)用(二版)[M].中國電力出版社,2002.
[2]劉鑫.低壓電動(dòng)機(jī)的保護(hù)配置
[3]安科瑞企業(yè)微電網(wǎng)設(shè)計(jì)與應(yīng)用手冊.2020.06版
 
作者簡介:趙娜,女,安科瑞電氣股份有限公司,主要研究方向?yàn)橹悄茈娋W(wǎng)供配電



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