張暉

摘 要：異步電動(dòng)機(jī)的故障一是機(jī)械的原因， 二是電磁故障，二者互有關(guān)連。電磁故障的原因很多而且復(fù)雜，過載、斷相、欠電壓、單相接地和短路都足以使電動(dòng)機(jī)受損和毀壞。本文中僅針對(duì)電動(dòng)機(jī)在實(shí)際使用中的電磁故障的保護(hù)進(jìn)行分析，按照電動(dòng)機(jī)的容量、型式、控制方式和配電設(shè)備等不同來配置和選擇相適應(yīng)的保護(hù)裝置及起動(dòng)設(shè)備，并供同行交流。

關(guān)鍵詞：異步電動(dòng)機(jī)；電磁故障；保護(hù)；交流

引 言

電動(dòng)機(jī)的故障大體分為兩部分：一是機(jī)械的原因，比如軸承和風(fēng)機(jī)的磨損或損壞；二是電磁故障，二者互有關(guān)連。比如因軸承損壞引起電動(dòng)機(jī)的過載，甚至堵轉(zhuǎn)，導(dǎo)致風(fēng)葉損壞，電動(dòng)機(jī)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(dòng)機(jī)的過載、斷相、欠電壓、單相接地和短路都足以使電動(dòng)機(jī)受損和毀壞。電動(dòng)機(jī)保護(hù)是個(gè)復(fù)雜的問題，在實(shí)際使用中我國電動(dòng)機(jī)保護(hù)裝置大約經(jīng)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(dòng)機(jī)保護(hù)器；數(shù)字電子式電動(dòng)機(jī)保護(hù)器這幾個(gè)發(fā)展過程。

1.電動(dòng)機(jī)的保護(hù)與控制關(guān)系

電動(dòng)機(jī)的保護(hù)與其控制方式有一定關(guān)系，互為協(xié)調(diào)。如電動(dòng)機(jī)直接起動(dòng)時(shí)，在啟動(dòng)時(shí)約產(chǎn)生（單鼠籠電機(jī)5.5—7倍In、雙鼠籠電機(jī)3.5—4倍In、繞線式電機(jī)2—2.5倍In）的起動(dòng)電流。若由接觸器或斷路器來控制，則電器觸頭應(yīng)能承受起動(dòng)電流的接通和分?jǐn)嗫简?yàn)，即使是可頻繁操作的接觸器也會(huì)引起觸頭磨損加劇，以致?lián)p壞電器；對(duì)塑料外殼式斷路器，即使是不頻繁操作，也很難達(dá)到要求。因此，使用中常與起動(dòng)器串聯(lián)在主回路中一起使用，此時(shí)由起動(dòng)器中的接觸器來承載接通起動(dòng)電流的考驗(yàn)，而其他電器只承載通常運(yùn)轉(zhuǎn)中出現(xiàn)的電動(dòng)機(jī)過載電流分?jǐn)嗟目简?yàn)，至于保護(hù)功能，由配套的保護(hù)裝置來完成。此外，對(duì)電動(dòng)機(jī)的控制還可以采用軟起動(dòng)控制系統(tǒng)，電動(dòng)機(jī)主回路由晶閘管來接通。為了避免在這些元件上的持續(xù)損耗，正常運(yùn)行中采用真空接觸器承載主回路（并聯(lián)在晶閘管上電機(jī)啟動(dòng)）負(fù)載（比如礦山輸送礦石的皮帶電機(jī)）。這種控制有程控或非程控；慢速起動(dòng)或快速起動(dòng)等多種方式。另外，依賴電子元器件，很容易實(shí)現(xiàn)各種保護(hù)功能。

2.電動(dòng)機(jī)保護(hù)裝置

電動(dòng)機(jī)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(jīng)繞組的電流過大引起的。對(duì)電動(dòng)機(jī)的保護(hù)主要有電流、溫度檢測兩大類型。

2.1.電流檢測型保護(hù)裝置

2.1.1. 熱繼電器利用負(fù)載電流流過經(jīng)校準(zhǔn)的電阻元件，使雙金屬熱元件加熱后產(chǎn)生彎曲，從而使繼電器的觸點(diǎn)在電動(dòng)機(jī)繞組燒壞以前動(dòng)作。其動(dòng)作特性與電動(dòng)機(jī)繞組的允許過載特性接近。熱繼電器雖則動(dòng)作時(shí)間準(zhǔn)確性一般，但對(duì)電動(dòng)機(jī)可以實(shí)現(xiàn)有效的過載保護(hù)。隨著結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的不斷完善和改進(jìn)，除有溫度補(bǔ)償外，它還具有斷相保護(hù)及負(fù)載不平衡保護(hù)功能等。其動(dòng)作電流按電動(dòng)機(jī)額定電流的1.1-1.25倍選擇。

2.1.2. 帶有熱—磁脫扣的電動(dòng)機(jī)保護(hù)用斷路器熱式作過載保護(hù)用，結(jié)構(gòu)及動(dòng)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(diǎn)接通，最后導(dǎo)致斷路器斷開。電磁鐵的整定值較高，僅在短路時(shí)動(dòng)作。其結(jié)構(gòu)簡單、體積小、價(jià)格低、動(dòng)作特性符合現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)、保護(hù)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(nèi)部各相電流互感器檢測故障電流信號(hào)，經(jīng)電子電路處理后執(zhí)行相應(yīng)的動(dòng)作。電子電路變化靈活，動(dòng)作功能多樣，能廣泛滿足各種類型的電動(dòng)機(jī)的保護(hù)。其特點(diǎn)是：①多種保護(hù)功能。主要有三種：過載保護(hù)，過載保護(hù)+斷相保護(hù)，過載保護(hù)十?dāng)嘞啾Ｗo(hù)+反相保護(hù)。②動(dòng)作時(shí)間可選擇（符合GBl4048.4—93標(biāo)準(zhǔn)）。標(biāo)準(zhǔn)型（10級(jí)）：7.2In（In為電動(dòng)機(jī)額定電流），4—1Os動(dòng)作，用于標(biāo)準(zhǔn)電動(dòng)機(jī)過載保護(hù)，速動(dòng)型（10A級(jí)）：7.2In時(shí)，2—1Os動(dòng)作，用于潛水電動(dòng)機(jī)或壓縮電動(dòng)機(jī)過載保護(hù)。慢動(dòng)型（30級(jí)）：7.2In時(shí)，9—30s動(dòng)作，用于如鼓風(fēng)機(jī)電機(jī)等起動(dòng)時(shí)間長的電動(dòng)機(jī)過載保護(hù)。③電流整定范圍廣。其最大值與最小值之比一般可達(dá)3—4倍，甚至更大倍數(shù)（熱繼電器為1.56倍），特別適用于電動(dòng)機(jī)容量經(jīng)常變動(dòng)的場合（例如建筑施工現(xiàn)場等）。④有故障顯示，便于檢修。

2.1.4. 固態(tài)繼電器它是一種從完成繼電器功能的簡單電子式裝置發(fā)展到具有各種功能的微處理器裝置。其成本和價(jià)格隨功能而異，最復(fù)雜的繼電器實(shí)際上只能用于較大型、較昂貴的電動(dòng)機(jī)或重要場合。它監(jiān)視、測量和保護(hù)的主要功能有：①最大的起動(dòng)沖擊電流和時(shí)間；②熱記憶；⑤大慣性負(fù)載的長時(shí)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(yùn)行；⑧堵轉(zhuǎn)；⑨失載（機(jī)軸斷裂，傳送帶斷開或泵空吸造成工作電流下跌）；⑩電動(dòng)機(jī)繞組溫度和負(fù)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(shí)限，以確保在電動(dòng)機(jī)起動(dòng)或運(yùn)轉(zhuǎn)過程中產(chǎn)生損壞之前，將電源切斷。還可用發(fā)光二極管或數(shù)字顯示故障類別和原因，也可以對(duì)外向計(jì)算機(jī)輸出數(shù)據(jù)。

2.1.5.帶有電子式脫扣的電動(dòng)機(jī)保護(hù)用斷路器其動(dòng)作原理類同上述電子式過電流繼電器或固態(tài)繼電器。功能主要有：電路參量顯示（電流、電壓、功率、功率因數(shù)等），負(fù)載監(jiān)控（按規(guī)定切除或投入負(fù)載），多種保護(hù)特性（指數(shù)曲線反時(shí)限、I2t曲線反時(shí)限、定時(shí)限或其組合），故障報(bào)警，試驗(yàn)功能，自診斷功能，通信功能等。

2.1.6.軟起動(dòng)器軟起動(dòng)器的主電路采用晶閘管，控制其分?jǐn)嗷蚪油ǖ谋Ｗo(hù)裝置一般做成故障檢測模塊，用來完成對(duì)電動(dòng)機(jī)起動(dòng)前后的異常故障檢測，如斷相、過熱、短路、漏電和不平衡負(fù)載等故障，并發(fā)出相應(yīng)的動(dòng)作指令。其特點(diǎn)是系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，采用單片機(jī)即可完成，適用于工業(yè)控制。

2.2. 溫度檢測型保護(hù)裝置

2.2.1. 雙金屬片溫度繼電器直接埋入電動(dòng)機(jī)繞組中。當(dāng)電動(dòng)機(jī)過載使繞組溫升度高至接近極限值時(shí)，帶有一觸頭的雙金屬片受熱產(chǎn)生彎曲，使觸點(diǎn)斷開而切斷電路。

2.2.2. 熱保護(hù)器是裝在電動(dòng)機(jī)本體上使用的熱動(dòng)式過載保護(hù)繼電器。與溫度繼電器不同的是帶2個(gè)觸頭的碗形雙金屬片作為觸橋串在電動(dòng)機(jī)回路，既有流過的過載電流使其發(fā)熱，又有電動(dòng)機(jī)溫度使其升溫，達(dá)到一定值時(shí)，雙金屬片瞬間反跳動(dòng)作，觸點(diǎn)斷開，分?jǐn)嚯妱?dòng)機(jī)電流。它可作小型三相電動(dòng)機(jī)的溫度、過載和斷相保護(hù)。

2.2.3. 檢測線圈測溫電動(dòng)機(jī)定子每相繞組中埋入1—2個(gè)檢測線圈，由自動(dòng)平衡式溫度計(jì)來監(jiān)視繞組溫度。

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

3.電動(dòng)機(jī)保護(hù)的種類

3.1. 相間短路設(shè)電流保護(hù)和差動(dòng)保護(hù)。對(duì)1000V電壓以下的電動(dòng)機(jī)：容量大的使用自動(dòng)空氣開關(guān)，設(shè)專用保護(hù)；容量小的用熔斷器保護(hù)。

3.2. 防止過載，設(shè)電流保護(hù)和熱力保護(hù)

3.3. 防止發(fā)生單相接地裝設(shè)零序電流保護(hù)

3.4. 欠電壓保護(hù)

4.電動(dòng)機(jī)保護(hù)的配置及計(jì)算公式

4.1. 對(duì)2000KW及以上的高壓電動(dòng)機(jī)相間短路（如發(fā)電廠的送風(fēng)、引風(fēng)機(jī)等），或電流速斷保護(hù)靈敏度不符合要求的2000KW以下高壓電動(dòng)機(jī)，應(yīng)裝設(shè)縱差保護(hù)，動(dòng)作于跳閘。整定計(jì)算：Idz=Kk*Ie 其中Kk：可靠系數(shù)，再根據(jù)電流互感器折算。

4.2. 2000KW以下高壓電動(dòng)機(jī)，宜采用電流速斷保護(hù)。

a. 反時(shí)限速斷保護(hù)動(dòng)作電流整定：Idz.j=（ Kk*Kjx/nLH ）1.8Iqd

Iqd –電動(dòng)機(jī)起動(dòng)電流周期分量的最大值 其中 Kk：可靠系數(shù) 1.3 Kjx=繼電器接線系數(shù)

b. 定時(shí)限速斷保護(hù)動(dòng)作電流整定：Idz.j=（ Kk*Kjx/nLH ）Iqd 其中Kk：可靠系數(shù) 1.5

4.3. 對(duì)生產(chǎn)過程中易發(fā)生過負(fù)荷的電動(dòng)機(jī)，應(yīng)裝設(shè)過負(fù)荷保護(hù)。過載保護(hù)動(dòng)作電流整定：按電動(dòng)機(jī)的額定電流整定

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

4.4. 當(dāng)接地電流大于5A時(shí)，才在電動(dòng)機(jī)上裝設(shè)有選擇性的單相接地保護(hù)，當(dāng)接地電流大于5A時(shí)動(dòng)作于跳閘。計(jì)算 Idz= Kk*Ic Ic-該線路的電容電流 其中Kk：可靠系數(shù)，只要是為了躲過弧光接地故障所產(chǎn)生的不穩(wěn)定過程電流而設(shè)的。不帶時(shí)限Kk：取4-5，帶0.5S時(shí)限Kk：取1.5-2。

4.5. 保證重要電動(dòng)機(jī)的自啟動(dòng)。對(duì)于電壓短時(shí)降低或中斷情況，根據(jù)自起動(dòng)條件，必須切除部分不重要的電動(dòng)機(jī)。保證工藝技術(shù)條件，在電壓長時(shí)降低或中斷情況下，切除不允許自起動(dòng)的電動(dòng)機(jī)。具體如下：

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

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

4.5.3. 根據(jù)保安條件，在電壓長時(shí)間消失后不允許自起動(dòng)的電機(jī)，電壓保護(hù)動(dòng)作值一般取（0.25-0.4）Ue，失壓保護(hù)時(shí)限取6-10S。

4.5.4. 有備用電源而斷開的電動(dòng)機(jī)，失壓保護(hù)整定為（0.25-0.4）Ue，保護(hù)時(shí)限取0.5S。

4.6. 低壓電動(dòng)機(jī)保護(hù)，一般主要保護(hù)它的短路，通常用自動(dòng)空氣開關(guān)和熔絲來保護(hù)。

4.6.1.對(duì)起動(dòng)次數(shù)不頻繁且在輕工作條件下起動(dòng)的鼠籠電動(dòng)機(jī)（起動(dòng)時(shí)間為2-5秒），熔絲的額定電流可選為Iers≥Iqdq/2.5

4.6.2. 對(duì)在重載條件下起動(dòng)（起動(dòng)時(shí)間為5-10秒）或雖然輕載但頻繁起動(dòng)電動(dòng)機(jī)，熔絲的額定電流可選為Iers≥Iqdq/1.6 ～ 2

4.6.3. 對(duì)繞線式電動(dòng)機(jī)（起動(dòng)時(shí)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(dòng)機(jī)的繼電保護(hù)

5.1. 低壓電動(dòng)機(jī)的繼電保護(hù)

5.1.1. 低壓電動(dòng)機(jī)應(yīng)裝設(shè)短路保護(hù)，過負(fù)荷保護(hù)，缺相運(yùn)行保護(hù)和低電壓保護(hù)，對(duì)同步電動(dòng)機(jī)還應(yīng)裝設(shè)失步保護(hù)，失磁保護(hù)等，作用于斷路器跳閘，具有時(shí)限性。

5.1.2. 低壓直流電動(dòng)機(jī)應(yīng)裝設(shè)短路保護(hù)和失磁保護(hù)，并根據(jù)具體情況分別裝設(shè)起速保護(hù)，過負(fù)荷或堵轉(zhuǎn)保護(hù)，作用于斷路器跳閘，且有時(shí)限性。

5.2. 高壓電動(dòng)機(jī)的繼電保護(hù)：對(duì)于高壓異步電動(dòng)機(jī)應(yīng)對(duì)其下列故障及異常運(yùn)行方式裝設(shè)相應(yīng)的裝置。

5.2.1.定子繞組相間短路：裝設(shè)高壓電動(dòng)機(jī)電流速斷和過電流保護(hù)， 中、小容量高壓電動(dòng)機(jī)，一般采用電流速斷保護(hù)作為相間短路的主保護(hù)。對(duì)不易過電流的高壓電動(dòng)機(jī)，通常采用電磁型（如DL—11型）電流繼電器構(gòu)成的電流速斷保護(hù)。對(duì)于可能會(huì)產(chǎn)生過電流的高壓電動(dòng)機(jī)，可采用感應(yīng)型（如GL型）過電流繼電器構(gòu)成的電流速斷保護(hù)和過電流保護(hù)，其反時(shí)限部分作用于過電流保護(hù)并作用于信號(hào)，一般時(shí)限為15～20S，其速斷部分作用于相間短路保護(hù)并作用于跳閘。

5.2.2. 定子繞組單相接地： 裝設(shè)電動(dòng)機(jī)的單相接地保護(hù)， 高壓電動(dòng)機(jī)單相接地電流大于5A時(shí)，應(yīng)裝設(shè)單相接地保護(hù)，小于10A時(shí)，作用于信號(hào)或跳閘，大于10A時(shí)，作用于跳閘。

5.2.3. 定子繞組過負(fù)載、定子繞組低電壓： 裝設(shè)電動(dòng)機(jī)的低電壓保護(hù)， 當(dāng)電動(dòng)機(jī)電源短時(shí)顯著降低或暫短中斷后又恢復(fù)時(shí)，為保證電動(dòng)機(jī)不自起動(dòng)而保護(hù)設(shè)備及人身安全，應(yīng)裝低電壓保護(hù)裝置，其整定值為額定低壓的-15%。

5.2.4. 高壓異步電動(dòng)機(jī)綜合保護(hù)：電流速斷保護(hù)和過電流保護(hù)，作用于跳閘；單相接地保護(hù)，作用于跳閘和信號(hào)；有系統(tǒng)故障保護(hù)，作用于跳閘。

6.結(jié)束語

隨著科技的日益發(fā)展，異步電動(dòng)機(jī)保護(hù)產(chǎn)品及措施日臻完善，但由于電動(dòng)機(jī)保護(hù)涉及面廣泛，各種原因燒毀電動(dòng)機(jī)的案例并不少見， 電機(jī)無法啟動(dòng)及異常運(yùn)行等情況也很常見。綜上所述，做好電動(dòng)機(jī)的日常檢查和維護(hù)工作，制定合理的保護(hù)配置方案，并選取得當(dāng)?shù)帽Ｗo(hù)方法及措施，是確保異步電動(dòng)機(jī)安全運(yùn)行的重要前提。