異步電動機的保護和故障分析

張金平

摘要：三相異步電動機在我國的國民生產(chǎn)的各個領(lǐng)域應(yīng)用十分廣泛。介紹和分析異步電動機在發(fā)生過載、短路、斷相、欠電壓等故障時產(chǎn)生的后果以及它們的有效保護方法。希望在實際生產(chǎn)應(yīng)用中能起到借鑒和參考的作用。

關(guān)鍵詞：三相異步電動機；故障分析；保護

中圖分類號：TP

文獻標(biāo)識碼：A

文章編號：1672-3198(2009)09-0288-01

1電動機的過載及其保護

電動機的過載由于電流增大，發(fā)熱劇增，從而使其絕緣物受到損害，縮短了其使用壽命甚至被燒毀。

從電動機的結(jié)構(gòu)來看，鼠籠型電機的定子鐵心置放繞組的槽內(nèi)必須有良好的絕緣物。為了保證電動機的相間、帶電體與外殼的絕緣，通常是使用各種耐熱等級的絕緣材料的。各種絕緣IEC85規(guī)定A級(105℃)、E級(120℃)、B級(130℃)、F級(155℃)……電工技術(shù)工作者提出的絕緣材料的使用溫度每增加8℃，其使用壽命就減半是有理論和實踐依據(jù)的。

現(xiàn)在對電動機的過載保護采用最多的是熱繼電器，也有相當(dāng)數(shù)量采用有復(fù)式脫扣器的斷路器。對于重載起動的電動機，如果使用一般的熱繼電器，常常會在起動過程中發(fā)生錯誤動作(跳閘)，使電動機無法起動。因此需要選用帶速飽和電流互感器或限流電阻的熱繼電器，這種型式是通過速飽和電流互感器或限流電阻使起動電流成比例地縮小，就可以大大延長電動機的起動時間，保證正常起動，還有采取起動時將熱繼電器短接，起動完畢再將熱繼電器投入運行——完全短路法。此外，對帶速飽和互感器的熱繼電器，起動時將互感器二次繞組短接，起動完畢后再使之投入等方法，來滿足重載起動電動機的需要。

2電動機的短路保護(電動機保護電器瞬時動作電流整定值)

電動機在短路情況下的保護，通常選用斷路器，有的地方也使用熔斷器。一些文獻提到，斷路器的瞬時動作電流整定值應(yīng)能躲過電動機的全起動電流。Isct一斷路器瞬時動作電流整定值A(chǔ)；k－可靠系數(shù)，它考慮了電動機起動電流的誤差和斷路器瞬動電流的誤差，k一般取1.2；Ist－全起動電流值，也稱尖峰電流A。所謂全起動電流，是包括周期分量和非周期分量兩部分。非周期分量的衰減時間約為30ms左右，而一般的非選擇性斷路器的全分斷時間在20ms之內(nèi)，因此必須把非周期分量考慮進去。Ist為1.7～2倍的電動機起動電流Ist。在諸多文獻中規(guī)定Icst為2～2.5倍的電動機起動電流。低壓電器標(biāo)準(zhǔn)，如JBl284《低壓斷路器》的編制說明中認為，根據(jù)實驗和統(tǒng)計，保護鼠籠型電動機的斷路器。其瞬動電流是整定在8～15倍電動機的額定電流的，而繞線式電動機應(yīng)整定在3～6倍電動機額定電流。8～15倍鼠籠型電動機額定電流是一個范圍，具體的數(shù)值還需要考慮電動機的型號、容量、起動條件等等因素。

以下，我們分析一下，鼠籠型電動機起動時的全起動電流(類峰電流)。

(1)起動電流的低功率因數(shù)，過渡過程的非周期分量的存在。在這種情況下，周期分量的幅值盡管穩(wěn)定，但受非周期分量的影響，故有尖峰電流流過(功率因數(shù)低，表示電感L大，時間常數(shù)T=L／R大，非周期分量Imsin(ψ－)e－t／T值大，非周期分量的衰減慢)。當(dāng)起動電流的COS＝0.3時，尖峰電流為起動電流(有效值)的2倍左右。

(2)殘余電壓的影響而產(chǎn)生的瞬間再合閘的尖峰電流。電動機切斷電源后再接通時，當(dāng)切斷電源而電動機尚未停下，就帶有殘余電壓。這種殘余電壓不僅是由于有剩磁而產(chǎn)生，而且還由于次級線圈(轉(zhuǎn)子)有殘余電流而形成，所存在的殘余電壓與再合閘時的電源電壓在某一相位時的疊加，就會產(chǎn)生尖峰電流。其大小與電動機完全停止后再起動相比，要大(殘余電壓+電源電壓)比電源電壓倍，這種尖峰電流雖然僅出現(xiàn)1－2周波，但足以使斷路器的瞬時脫扣器動作。因為1、2兩個原因，可出現(xiàn)下列情況：

①電動機直接起動。

由于COSφ@為0.3，尖峰電流為(6In)的2倍，等于In(有效值)故塑殼式斷路器的瞬時脫扣器整定電流值最小值為8.5In，(In為電動機的額定電流)

②星-三角(Y-△)起動。

也假設(shè)COS@為0.3，當(dāng)從Y起動到△運轉(zhuǎn)的一瞬間(1～2周波)，尖峰電流(峰值)約為額定電流(有效值)的19倍。則斷路器必須把瞬時動作電流整定到14In以上。

③自耦減壓起動時。

COSφ＝0.3，電動機起動電流為6In，由于有尖峰電流的存在，原來按80％抽頭的正常起動電流為3.84In，現(xiàn)提高到7.7In，按65％抽頭的正常起動電流為4.3In，現(xiàn)提高到5In。

④瞬時再起動。

按COSφ為0.3，起動電流為6In，考慮到殘余電壓的影響，尖峰電流為最大，是額定電流的24倍(6X2X2)(峰值)，其有效值為＝16.97≈17，因而斷路器的瞬時脫扣器的整定電流必須在電動機額定電流的17倍以上。從以上分析可知，正是電動機的型號、結(jié)構(gòu)、起動方式等的不同，導(dǎo)致尖峰電流的出現(xiàn)，由此而推出Isct在8～15倍In之內(nèi)(個別的還可達到17倍In)。

3鼠籠型電動機的斷相保護

關(guān)于鼠籠型電動機的斷相保護電動機的斷相分為兩類，一是電動機外部的電源線斷線；二是電動機內(nèi)部定子繞組的斷線，而電動機內(nèi)部接線又分為星形聯(lián)結(jié)和三角形連接兩種。因此提到斷相必須分清是那一種性質(zhì)，另外，所謂斷相保護，是指正在運行中的電動機。

(1)被保護的電動機的定子繞組是星形聯(lián)結(jié)，斷相運行時，一般說未斷的兩相電流會增大。由于電壓的不平衡，至少有一相電流增大。因是星形聯(lián)結(jié)，線電流等于相電流，所以對于星形聯(lián)結(jié)的電動機，選用一般的三極熱繼電器或三極保護電動機型的斷路器，是能夠起到有效保護的。

(2)被保護的電動機的定子繞組是三角聯(lián)結(jié)，當(dāng)電機發(fā)生斷相時會有兩種情況產(chǎn)生：

①電動機外部的電源線斷線(如熔斷器——相熔斷)，此時線電流與相電流之間已不是的關(guān)系，線電流已經(jīng)不能正確反映相電流的大小，即不能有效地反映電動機繞組是否已處于過載狀態(tài)。當(dāng)電動機在額定負載下斷相運行時，如果選用一般的三極熱繼電器(或斷路器)。勉強可以起保護作用但是當(dāng)負載在額定負載的65％下斷線運行時會動作，時間長了可能燒毀電動機。為解決保護問題，應(yīng)采用帶斷相保護的熱繼電器，如JR 20、T系列、3UA系列等。

②電動機的定子繞組為三角形聯(lián)結(jié)，繞組斷了一相，此時就出現(xiàn)：12＝13=Iph 11=Iph可以看到，有一相線電流與未斷線前是一樣的，因此，可以選用一般的三極熱繼電器來保護。

4電動機保護線路及其保護電器的選擇

電動機保護的線路大致有以下四種：

(1)由熱繼電器FR，接觸器kM和僅有瞬動保護的斷路器QF組成，如圖4所示。接觸器用來起動、停止電動機，熱繼電器用來保護電動機的過載，而僅有瞬動保護的斷路器是保護電動機的短路。

(2)由熱繼電器FR，接觸器kM和熔斷器FS組成，如圖5所示。熱繼電器保護電動機的過載，接觸器起動和停止電動機，熔斷器作電動機的短路故障保護。

(3)由一臺接觸器kM和一臺電動機保護型的斷路器QF組成，如圖6所示。接觸器作為電動機的起動和停止之用，電動機保護型斷路器作電動機的過載和短路故障的保護。

(4)由一臺電動機保護型斷路器組成，電動機保護型斷路器，既做電動機的起動和停止，又作電動機的過載和短路故障的保護。以上四種中，1、2兩種適合于比較頻繁的起動——停止電動機，第3種適合一般頻繁起動，而第4種只能適用于不頻繁起動和停止。

從投資來看，1、2種最不經(jīng)濟，第4種最經(jīng)濟，因為它可少用一臺起動、停止用的接觸器(或熱繼電器)。

但是采用電動機保護型的斷路器作電動機的過載保護和短路保護存在一個很難克服的困難。這就是額定電流的匹配問題，例如15kW電動機選用的斷路器額定電流只能往上靠32A，它大于29A、30A、31A、規(guī)格而小于34A規(guī)格的電動機。對于現(xiàn)在大量應(yīng)市的塑殼式斷路器，盡管有電動機保護型，但是它的整定電流(額定電流)是不可調(diào)的，往往起不到保護作用，因此采用斷路器作過載保護是不理想的，建議采用過載長延時整定電流可調(diào)的熱繼電器來充任。雖然這種可調(diào)是不精細的，目前我廠正在開發(fā)智能型塑殼式斷路器，如果研制成功，則其整定電流可以基本上做到無級調(diào)整。