浅谈低压电动机的保护配置

摘要：低压电动机是石化企业常用的电气电备，现场大量采用了低压电动机综合保护器对其进行保护。本文从国家标准规定出发，结合低压电动机综合保护器，探讨低压电动机的保护配置及低压电器、低压电动机综合保护器的保护原理。为装置现场低压电动机保护配置提供依据。
 
关键词：短路保护接地保护过载保护断相保护
 
1国家标准
       《GB50055-2011通用用电设备配电设计规范》（以下简称“规范”）中规定：
       （1）交流电动机应装设短路保护和接地故障的保护
       （2）交流电动机的保护除应符合本规程2.3.1条的规定外，尚应根据电动机的用途分别装设过载保护、断相保护、低电压保护。
       （3）因此，三相交流电动机必须装设短路保护和接地保护，还应根据实际情况装设过载保护、断相保护和低电压保护。
 
2短路保护
2.1保护元器件的选择
       《规范》2.3.4条中规定：交流电动机的短路保护宜采用熔断器或低压路器的瞬动过电流脱扣器，亦可采用带瞬动元件的过电流继电器进行保护。
       目前现场几乎所有的低压交流电动机均采用带瞬动脱扣器的断路器实现短路保护。
2.2保护元器件的选择及整定
       《规范》2.3.5中规定：瞬动过电流脱扣器或过电流继电器瞬动元件的整定电流应取电动机起动电流周期分量有效值的2~2.5倍。
       按照电动机保护原理，瞬动元件整定值应躲过电动机的启动电流。规范中规定“应取电动机起动电流周期分量有效值的2~2.5倍”的原因在于：电动机启动时的启动电流包括两个分量：周期分量和非周期分量，周期分量电流和非周期分量电流叠加成为全启动电流。其中周期分量就是通常所说的“直接启动时电动机电流可达到额定电流的6~7倍”的电流；非周期分量在启动瞬间电流值很大，可以使叠加后的全启动电流达到周期分量的2.3倍，但非周期分量衰减得很快，在一个周波（20ms）非周期分量就衰减到可以忽略的程度。
       早期的低压断路器其瞬动动作时间一般都大于20ms，因此不用考虑电动机启动时非周期分量的影响。但目前的低压断路器其瞬动动作时间一般都小于20ms，因此必须重视非周期分量的影响，通过提高断路器的瞬动电流定值来躲过电动机的全启动电流。
       现场实际工作中，通过选择“电动机用”低压断路器并正确整定瞬动数值即可满足规范要求。低压断路器根据用途分类，可分为电动机用断路器和配电用断路器。配电用断路器的瞬动动作电流值一般为（5~10）In，其中In为断路器额定电流值。电动机用断路器的瞬动动作电流值一般为（10-15）In，其中In为断路器额定电流值。选择断路器时，应保证In≥Ie（Ie为电动机额定电流），可以看出，当把电动机用断路器的整定值整定在（10-12）In时，即可满足瞬动电流一定大于电动机（10-12）Ie，即规范中规定的的启动电流的2-2.5倍。有一些电动机用塑壳断路器不具备调整瞬动电流的功能，但其内部瞬动值固定在了12In或12.5In，同样满足规范要求。
       由此可见，现场维护运行低压电动机时，只要根据电动机额定电流正确选择电动机用低压断路器，即可符合规范要求的短路保护。
 
3接地保护
       《规范》2.3.6中规定：当电动机的短路保护器件满足接地故障的保护要求时，应采用短路保护器件兼作接地故障的保护。
       目前装置低压380V系统普遍采用TN-S系统，当发生金属性单相接地故障时，会产生很大的短路电流，由于不同系统内正序、负序、零序阻抗的不同，单相接地电流值也不尽相同，通常在几千安培左右。
       情况1：电动机功率较小的回路，由于回路低压断路器的额定电流较小，其瞬动动作电流不是很大，当发生单相接地故障时，单相接地故障电流能使得低压断路器瞬动脱扣器动作。因此正如《规范》2.3.6中规定，不必另外装设接地保护装置，采用低压断路器兼作接地故障的保护。
       情况2：电动机功率较大的回路，尤其是75KW以上的电动机回路，回路低压断路器的额定电流较大，其瞬动动作电流则更大，当回路发生单相接地故障时，低压断路器并不能瞬动。例如某回路采用施耐德NS400N/400的塑壳开关，其瞬动电流整定为11In，即11×400=4400A，当电动机回路发生单相接地故障时，很可能故障电流小于4400A，低压断路器不动作，不能切除单相接地故障。
       此时可以使用低压电动机综合保护器的“单相接地保护”，确保低压电动机回路配置“单相接地保护”。例如上海华建LM500系列保护器具有“单相接地保护”，保护器采集电动机回路的零序电流，当回路发生单相接地故障时，零序电流变大，由保护器发信号跳开主回路低压断路器。保护跳低压断路器主要是考虑到，当发生金属性接地时，短路电流很大，必须用具有较强灭弧能力的断路器切断短路电流。保护器“单相接地故障”一般有两个整定值，低整定值可以用来监测回路绝缘情况，起报警作用；高整定值用于回路发生接地故障时跳闸。
 
4过载保护
       《规范》2.3.7中规定：运行中容易过载的电动机、起动或自起动条件困难而要求限制起动时间的电动机，应装设过载保护。连续运行的电动机宜装设过载保护，过载保护应动作于断开电源。但断电比过载造成的损失更大时，应使过载保护动作于信号。
       石化行业绝大多数电动机处于连续运行状态，因此应装设过载保护。但对于特殊场合，如消防水电机，发生火灾时即使电动机过载，为保证发生火灾时电动机能继续运转，可使过载保护动作于信号。
       目前电动机综合保护器的“过热保护”是一种较合理、完善的过载保护。“过热保护”的基本原理是：电动机综合保护器在其内部建立一个电动机的发热模型，此模型可以利用电动机电流值模拟计算电动机的累计热量。当累计热量达到电动机可承受热量的100%时，保护器跳闸以保护电动机。
4.1电动机过热保护的等效电流
       电动机综合保护器虽然在其内部建立了物理模型来模拟电动机的发热，但是它的物理模型中重要的电气量仍然是电流。不同的是，在电动机综合保护器中进入物理模型中参与计算的电流并不是直接采集到的电流值，而是等效电流。
4.1.1电流正序分量与负序分量
       任意一组三相不对称相量都可以分解成三相对称的相量，一组叫正序分量，一组叫负序分量，另一组叫零序分量。各分量计算方法可参考相关书籍。
4.1.2正序分量与负序分量对电动机的影响
       当电动机定子绕组断相、三相不平衡时都将有正序和负序分量过大的现象，但是幅值相同的定子正序电流和定子负序电流在电动机内产生的热量并不相同，负序电流对电动机的影响非常大。
       以电动机B相断相为例。当B相断相时，IB=0，IA和IC大小相等，方向相反，通过正序分量和负序分量计算方法可以得知，这时产生的正序电流与负序电流相等。但是通过相关公式可以证明，在电动机负荷率为1的情况下，尽管正序电流与负序电流相等，但是由负序电流引起的转子铜损比额定转子铜损增大到6.6倍，而正序电流引起的定子铜损比额定定子铜损仅增加1.88倍。因此，当有负序电流出现时，电动机转子损耗将显著增加，导致转子局部过热而烧毁。
4.1.3等效电流Ieq
       了解到电动机正序电流和负序电流对电动机的影响后，为了简单方便的反映正序电流I1和负序电流I2的不同发热效应，英国GEC公司提出一个粗略反映上述发热效应的“等效电流Ieq”。即

       式中K1为正序电流系数。在电动机启动阶段K1取0.5，是在电动机起动时把热过载的动作时间增大四倍，以防止因起动电流而使热过载保护误动；在电动机正常运行阶段K1取1。
       式中K2为负序电流系数，模拟负序电流I2的增强发热效应，一般取值范围为3~10。由于目前对电动机的热保护还没有真正认识清楚，所以没有统一的标准，致使每个生产电动机综合保护器的厂家均按照自己的研究结果进行建立热模型，造成了K2系数选取的不一致。很多低压电动机综合保护器中将K2固定为6。
4.2过热保护动作时间特性
       冷态下过热保护动作时间可按以下公式计算：

       式中：t—动作时间，s；
       τ—电动机的发热时间常数，s；
       Ieq—等效电流，A；
       Ie—电动机额定电流，A；
       K—电动机过负荷系数
4.2.1电动机的发热时间常数
       电动机运行时内部的功率损耗，都变成热能，这会使电动机温度升高，温升上升到稳定温升的63.2%（约2/3）所需时间就是电动机的发热时间常数τ（s）。τ与电动机极数、结构形式和容量大小有关，τ与容量大小大约成正比变化。“发热时间常数”应由电动机厂家提供，但实际上很少电动机厂家提供此数据。根据UL标准的热保护要求，可以使用以下规定：发热时间常数等于35倍的t6，t6是电动机厂家表明的允许运行在6倍额定电流值时的时间。4.2.2电动机过负荷系数低压电动机过负荷能力较差，过负荷系数较低，很多电动机综合保护器将过负荷系数固定为1.05。
4.2.3举例
       上海华建公司LM500系列保护器的热保护动作时间公式为：

       其中TL为电动机热过载整定时间系数，TL的选择应低于电动机在冷态6倍额定电流下所允许的过载时间TA（即3.2.1中提到的t6）
 
5断相保护
       《规范》2.3.10中规定：连续运行的三相电动机，当采用熔断器保护时，应装设断相保护；当采用低压断路器保护时，宜装设断相保护。
       石化行业现场电动机基本上采用低压断路器保护，规范规定“宜”装设断相保护，但从目前公布的数据显示，由于断相故障引起低压电动机烧毁的比例非常大，为保护电动机正常，应装设断相保护。
       使用电动机综合保护器的回路，投入电动机热保护后，发生断相故障时，由于存在负序电流，热保护能跳闸切除故障。但如果需要快速切除断相故障，需要投入专门的断相故障。
       例如上海华建LM500系列保护器提供“断相保护”，当保护器检测到三相电流中，一相电流小于0.1Im，另两相电流大于0.25Im（Im为电动机额定电流）时，认为发生断相故障，经用户设置的延时时间后保护器动作，快速切除故障。
 
6低电压保护
       《规范》2.3.12中规定：按工艺或安全条件不允许自起动的电动机应装设低电压保护；为保证重要电动机自起动而需要切除的次要电动机应装设低电压保护。低电压保护器件宜采用低压断路器的欠电压脱扣器、接触器或接触器式继电器的电磁线圈，亦可采用低电压继电器和时间继电器。
       石化行业，当系统发生低电压或失电时，为保证系统恢复电压后重要电动机的自启动，多数非重要电动机应装设低电压保护。目前现场电动机回路均采用接触器作为控制元器件，当系统低电压时，接触器线圈释放，接触器主触点打开，切除电动机。因此可不必设置单独的低电压保护装置。
 
7安科瑞智能电动机保护器介绍
7.1产品介绍
       智能电动机保护器(以下简称保护器)，采用单片机技术，具有抗干扰能力强、工作稳定可靠、数字化、智能化、网络化等特点。保护器能对电动机运行过程中出现的过载、断相、不平衡、欠载、接地/漏电、堵转、阻塞、外部故障等多种情况进行保护，并设有SOE故障事件记录功能，方便现场维护人员查找故障原因。适用于煤矿、石化、冶炼、电力、以及民用建筑等领域。本保护器具有RS485远程通讯接口，DC4-20mA模拟量输出，方便与PLC、PC等控制机组成网络系统。实现电动机运行的远程监控。
7.2技术参数
7.2.1数字式电动机保护器

7.2.2模块式电动机保护器

7.3产品选型




说明：“√”表示具备，“■”表示可选。
 
8结束语
       以上为《GB50055-2011通用用电设备配电设计规范》中规定的电动机保护类型以及如何实现，现今的低压电动机综合保护器中除上述几种保护外，还有启动时间过长保护、电流不平衡保护、堵转保护、欠电流保护等等，实际应用时可以根据需求投入某种保护，既能提高保护的准确性，又为跳闸后查找故障提供方便。
 
参考文献
[1]王维俭.电气主设备继电保护原理与应用（二版）[M].中国电力出版社，2002.
[2]刘鑫.低压电动机的保护配置
[3]安科瑞企业微电网设计与应用手册.2020.06版
 
作者简介：王蒙蒙，女，安科瑞电气股份有限公司，主要研究方向为智能电网供配电