淺談電動機保護器在石化企業的應用方案
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劉丹
安科瑞電氣股份有限公司 上海嘉定 201801
摘要：低壓電動機是石化企業常用的電氣電備，現場大量采用了低壓電動機綜合保護器對其進行保護。本文從標準規定出發，結合低壓電動機綜合保護器，探討低壓電動機的保護配置及低壓電器、低壓電動機綜合保護器的保護原理。為裝置現場低壓電動機保護配置提供依據。
關鍵詞：短路保護、接地保護、過載保護、斷相保護
1標準
《GB50055-2011通用用電設備配電設計規范》（以下簡稱“規范”）中規定：
（1）交流電動機應裝設短路保護和接地故障的保護
（2）交流電動機的保護除應符合本規程2.3.1條的規定外，尚應根據電動機的用途分別裝設過載保護、斷相保護、低電壓保護。
（3）因此，三相交流電動機必須裝設短路保護和接地保護，還應根據實際情況裝設過載保護、斷相保護和低電壓保護。
2短路保護
2.1保護元器件的選擇
《規范》2.3.4條中規定：交流電動機的短路保護宜采用熔斷器或低壓路器的瞬動過電流脫扣器，亦可采用帶瞬動元件的過電流繼電器進行保護。
目前現場幾乎所有的低壓交流電動機均采用帶瞬動脫扣器的斷路器實現短路保護。
2.2保護元器件的選擇及整定
《規范》2.3.5中規定：瞬動過電流脫扣器或過電流繼電器瞬動元件的整定電流應取電動機起動電流周期分量值的2~2.5倍。
按照電動機保護原理，瞬動元件整定值應躲過電動機的啟動電流。規范中規定“應取電動機起動電流周期分量值的2~2.5倍”的原因在于：電動機啟動時的啟動電流包括兩個分量：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電流。其中周期分量就是通常所說的“直接啟動時電動機電流可達到額定電流的6~7倍”的電流；非周期分量在啟動瞬間電流值很大，可以使疊加后的全啟動電流達到周期分量的2.3倍，但非周期分量衰減得很快，在一個周波（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動作時間一般都大于20ms，因此不用考慮電動機啟動時非周期分量的影響。但目前的低壓斷路器其瞬動動作時間一般都小于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電流定值來躲過電動機的全啟動電流。
現場實際工作中，通過選擇“電動機用”低壓斷路器并正確整定瞬動數值即可滿足規范要求。低壓斷路器根據用途分類，可分為電動機用斷路器和配電用斷路器。配電用斷路器的瞬動動作電流值一般為（5~10）In，其中In為斷路器額定電流值。電動機用斷路器的瞬動動作電流值一般為（10-15）In，其中In為斷路器額定電流值。選擇斷路器時，應保證In≥Ie（Ie為電動機額定電流），可以看出，當把電動機用斷路器的整定值整定在（10-12）In時，即可滿足瞬動電流一定大于電動機（10-12）Ie，即規范中規定的的啟動電流的2-2.5倍。有一些電動機用塑殼斷路器不具備調整瞬動電流的功能，但其內部瞬動值固定在了12In或12.5In，同樣滿足規范要求。
由此可見，現場維護運行低壓電動機時，只要根據電動機額定電流正確選擇電動機用低壓斷路器，即可符合規范要求的短路保護。
3接地保護
《規范》2.3.6中規定：當電動機的短路保護器件滿足接地故障的保護要求時，應采用短路保護器件兼作接地故障的保護。
目前裝置低壓380V系統普遍采用TN-S系統，當發生金屬性單相接地故障時，會產生很大的短路電流，由于不同系統內正序、負序、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：電動機功率較小的回路，由于回路低壓斷路器的額定電流較小，其瞬動動作電流不是很大，當發生單相接地故障時，單相接地故障電流能使得低壓斷路器瞬動脫扣器動作。因此正如《規范》2.3.6中規定，不必另外裝設接地保護裝置，采用低壓斷路器兼作接地故障的保護。
情況2：電動機功率較大的回路，尤其是75KW以上的電動機回路，回路低壓斷路器的額定電流較大，其瞬動動作電流則更大，當回路發生單相接地故障時，低壓斷路器并不能瞬動。例如某回路采用施耐德NS400N/400的塑殼開關，其瞬動電流整定為11In，即11×400=4400A，當電動機回路發生單相接地故障時，很可能故障電流小于4400A，低壓斷路器不動作，不能切除單相接地故障。
此時可以使用低壓電動機綜合保護器的“單相接地保護”，確保低壓電動機回路配置“單相接地保護”。例如上海華建LM500系列保護器具有“單相接地保護”，保護器采集電動機回路的零序電流，當回路發生單相接地故障時，零序電流變大，由保護器發信號跳開主回路低壓斷路器。保護跳低壓斷路器主要是考慮到，當發生金屬性接地時，短路電流很大，必須用具有較強滅弧能力的斷路器切斷短路電流。保護器“單相接地故障”一般有兩個整定值，低整定值可以用來監測回路絕緣情況，起報警作用；高整定值用于回路發生接地故障時跳閘。
4過載保護
《規范》2.3.7中規定：運行中容易過載的電動機、起動或自起動條件困難而要求限制起動時間的電動機，應裝設過載保護。連續運行的電動機宜裝設過載保護，過載保護應動作于斷開電源。但斷電比過載造成的損失更大時，應使過載保護動作于信號。
石化行業絕大多數電動機處于連續運行狀態，因此應裝設過載保護。但對于特殊場合，如消防水電機，發生火災時即使電動機過載，為保證發生火災時電動機能繼續運轉，可使過載保護動作于信號。
目前電動機綜合保護器的“過熱保護”是一種較合理、完善的過載保護。“過熱保護”的基本原理是：電動機綜合保護器在其內部建立一個電動機的發熱模型，此模型可以利用電動機電流值模擬計算電動機的累計熱量。當累計熱量達到電動機可承受熱量的100%時，保護器跳閘以保護電動機。
4.1電動機過熱保護的等效電流
電動機綜合保護器雖然在其內部建立了物理模型來模擬電動機的發熱，但是它的物理模型中重要的電氣量仍然是電流。不同的是，在電動機綜合保護器中進入物理模型中參與計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，一組叫負序分量，另一組叫零序分量。各分量計算方法可參考相關書籍。
4.1.2正序分量與負序分量對電動機的影響
當電動機定子繞組斷相、三相不平衡時都將有正序和負序分量過大的現象，但是幅值相同的定子正序電流和定子負序電流在電動機內產生的熱量并不相同，負序電流對電動機的影響非常大。
以電動機B相斷相為例。當B相斷相時，IB=0，IA和IC大小相等，方向相反，通過正序分量和負序分量計算方法可以得知，這時產生的正序電流與負序電流相等。但是通過相關公式可以證明，在電動機負荷率為1的情況下，盡管正序電流與負序電流相等，但是由負序電流引起的轉子銅損比額定轉子銅損增大到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，當有負序電流出現時，電動機轉子損耗將顯著增加，導致轉子局部過熱而燒毀。
4.1.3等效電流Ieq
了解到電動機正序電流和負序電流對電動機的影響后，為了簡單方便的反映正序電流I1和負序電流I2的不同發熱效應，英國GEC公司提出一個粗略反映上述發熱效應的“等效電流Ieq”。即
式中K1為正序電流系數。在電動機啟動階段K1取0.5，是在電動機起動時把熱過載的動作時間增大四倍，以防止因起動電流而使熱過載保護誤動；在電動機正常運行階段K1取1。
式中K2為負序電流系數，模擬負序電流I2的增強發熱效應，一般取值范圍為3~10。由于目前對電動機的熱保護還沒有真正認識清楚，所以沒有統一的標準，致使每個生產電動機綜合保護器的廠家均按照自己的研究結果進行建立熱模型，造成了K2系數選取的不一致。很多低壓電動機綜合保護器中將K2固定為6。
4.2過熱保護動作時間特性
冷態下過熱保護動作時間可按以下公式計算：
式中：t—動作時間，s；
τ—電動機的發熱時間常數，s；
Ieq—等效電流，A；
Ie—電動機額定電流，A；
K—電動機過負荷系數
4.2.1電動機的發熱時間常數
電動機運行時內部的功率損耗，都變成熱能，這會使電動機溫度升高，溫升上升到穩定溫升的63.2%（約2/3）所需時間就是電動機的發熱時間常數τ（s）。τ與電動機極數、結構形式和容量大小有關，τ與容量大小大約成正比變化。“發熱時間常數”應由電動機廠家提供，但實際上很少電動機廠家提供此數據。根據UL標準的熱保護要求，可以使用以下規定：發熱時間常數等于35倍的t6，t6是電動機廠家表明的允許運行在6倍額定電流值時的時間。4.2.2電動機過負荷系數低壓電動機過負荷能力較差，過負荷系數較低，很多電動機綜合保護器將過負荷系數固定為1.05。
4.2.3舉例
上海華建公司LM500系列保護器的熱保護動作時間公式為：
其中TL為電動機熱過載整定時間系數，TL的選擇應低于電動機在冷態6倍額定電流下所允許的過載時間TA（即3.2.1中提到的t6）
5斷相保護
《規范》2.3.10中規定：連續運行的三相電動機，當采用熔斷器保護時，應裝設斷相保護；當采用低壓斷路器保護時，宜裝設斷相保護。
石化行業現場電動機基本上采用低壓斷路器保護，規范規定“宜”裝設斷相保護，但從目前公布的數據顯示，由于斷相故障引起低壓電動機燒毀的比例非常大，為保護電動機正常，應裝設斷相保護。
使用電動機綜合保護器的回路，投入電動機熱保護后，發生斷相故障時，由于存在負序電流，熱保護能跳閘切除故障。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系列保護器提供“斷相保護”，當保護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為電動機額定電流）時，認為發生斷相故障，經用戶設置的延時時間后保護器動作，快速切除故障。
6低電壓保護
《規范》2.3.12中規定：按工藝或安全條件不允許自起動的電動機應裝設低電壓保護；為保證重要電動機自起動而需要切除的次要電動機應裝設低電壓保護。低電壓保護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間繼電器。
石化行業，當系統發生低電壓或失電時，為保證系統恢復電壓后重要電動機的自啟動，多數非重要電動機應裝設低電壓保護。目前現場電動機回路均采用接觸器作為控制元器件，當系統低電壓時，接觸器線圈釋放，接觸器主觸點打開，切除電動機。因此可不必設置單獨的低電壓保護裝置。
7安科瑞智能電動機保護器介紹
7.1產品介紹
智能電動機保護器(以下簡稱保護器)，采用單片機技術，具有抗干力強、工作穩定可靠、數字化、智能化、網絡化等特點。保護器能對電動機運行過程中出現的過載、斷相、不平衡、欠載、接地/漏電、堵轉、阻塞、外部故障等多種情況進行保護，并設有SOE故障事件記錄功能，方便現場維護人員查找故障原因。適用于煤礦、石化、冶煉、電力、以及民用建筑等領域。本保護器具有RS485遠程通訊接口，DC4-20mA模擬量輸出，方便與PLC、PC等控制機組成網絡系統。實現電動機運行的遠程監控。
7.2技術參數
產品功能
說明：“√”表示具備，“■”表示可選。
8結束語
以上為《GB50055-2011通用用電設備配電設計規范》中規定的電動機保護類型以及如何實現，現今的低壓電動機綜合保護器中除上述幾種保護外，還有啟動時間過長保護、電流不平衡保護、堵轉保護、欠電流保護等等，實際應用時可以根據需求投入某種保護，既能提高保護的準確性，又為跳閘后查找故障提供方便。
參考文獻
[1]王維儉.電氣主設備繼電保護原理與應用（二版）[M].中國電力出版社，2002.
[2]劉鑫.低壓電動機的保護配置
[3]安科瑞企業微電網設計與應用手冊.2020.06版
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