薛貴平,許明華
(中國水利水電第七工程局有限公司第一分局,四川彭山 620860)
淺談異步電動機的保護
薛貴平,許明華
(中國水利水電第七工程局有限公司第一分局,四川彭山 620860)
異步電動機的保護是一個復(fù)雜的問題。在實際使用中,應(yīng)按照電動機的容量、型式、控制方式和配電設(shè)備等的不同選擇與其相適應(yīng)的保護裝置及起動設(shè)備。從經(jīng)濟性考慮,采用電流檢測加熱型繼電器更為有利。加熱繼電器是一種價廉、簡單、可靠的電動機保護形式。不管采用何種保護裝置,必須考慮過載保護裝置與電動機、過載保護裝置與短路保護裝置的協(xié)調(diào)配合。
異步電動機;保護裝置;控制;協(xié)調(diào)配合
異步電動機是生產(chǎn)生活中的重要設(shè)備,具有結(jié)構(gòu)簡單,維修使用方便的特點,廣泛應(yīng)用于各種電力拖動場所。在水利水電工程建設(shè)中,異步電動機的使用也十分廣泛,不論是按照電機的功率,還是使用范圍看,三相異步電動機使用的程度最多最廣。在水利水電工程建設(shè)中的電動機受使用環(huán)境差、負荷變化大、設(shè)備移動頻繁、設(shè)備操作人員技術(shù)水平以及電網(wǎng)供電質(zhì)量的影響,常常引起設(shè)備中的電動機發(fā)生故障甚至燒毀。為了保證電氣設(shè)備的正常運行,就必須對電動機的缺相、過載、過熱、欠壓、失壓以及相序等實行必要的保護,筆者就異步電動機的保護做一簡單的分析和介紹。
異步電動機的保護往往與其控制方式有一定關(guān)系,即保護中有控制,控制中有保護。如異步電動機直接起動時,往往產(chǎn)生4~7倍于額定電流的起動電流。若由接觸器或斷路器進行控制,電器的觸頭應(yīng)能承受起動電流的接通和分斷考核,既使是可頻繁操作的接觸器也會引起觸頭磨損的加劇,以致?lián)p壞電器;對于塑料外殼式斷路器,既使是不頻繁操作,也很難達到要求。因此,在其使用中往往與起動器串聯(lián)在主回路中一起使用,此時,由起動器中的接觸器來承載接通起動電流,而其他電器只承載通常運轉(zhuǎn)中出現(xiàn)的電動機過載電流分斷。至于保護功能,則由配套的保護裝置來完成。
此外,對異步電動機的控制還可以采用無觸點方式,即采用軟起動控制系統(tǒng)。電動機的主回路由晶閘管接通和分斷。有時,為了避免在這些元件上的持續(xù)損耗,正常運行中采用真空接觸器承載主回路(并聯(lián)在晶閘管上)的負載。這種控制的方式有程控或非程控;近控或遠控;慢速起動或快速起動等多種方式。另外,依賴電子元件,很容易做到如電子式繼電器那樣的各種保護功能。
異步電動機的損壞主要是由于繞組過熱或絕緣性能的降低引起的,而繞組的過熱往往是流經(jīng)繞組的電流過大引起的。對電動機的保護主要有電流、溫度檢測兩大類型。筆者結(jié)合各種常用的保護裝置進行介紹。
3.1 電流檢測型保護裝置
熱繼電器利用負載電流流過經(jīng)校準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在電動機繞組燒壞以前動作,其動作特性與電動機繞組的允許過載特性接近。熱繼電器雖然動作時間的準確性一般,但對電動機可以實現(xiàn)有效的過載保護。隨著結(jié)構(gòu)設(shè)計的不斷完善和改進,除有溫度補償外,它還具有斷相保護及負載不平衡保護功能等。例如T系列雙金屬片式熱過載繼電器;3UA5、3UA6系列雙金屬片式熱過載繼電器;JR20型、JR36型熱過載繼電器等,其中JR36型為二次開發(fā)產(chǎn)品,可取代淘汰產(chǎn)品JRl6型。
帶有熱磁脫扣的電動機保護用斷路器,其結(jié)構(gòu)與動作原理同熱繼電器,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,僅在短路時動作,其結(jié)構(gòu)簡單、體積小、價格低、動作特性符合現(xiàn)行標準,保護可靠,故目前仍被大量采用,特別是小容量斷路器尤為顯著。如M611型電動機保護用斷路器,DW16低壓萬能斷路器(200—630 A)、S系列塑殼斷路器(100A、200A、400A)。
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,經(jīng)電子電路處理后執(zhí)行相應(yīng)的動作。電子電路變化靈活,動作功能多樣,能廣泛滿足各種類型的電動機的保護。其特點是:①多種保護功能。主要有三種:過載保護,過載保護+斷相保護,過載保護+斷相保護+反相保護。②動作時間可選擇(符合GBl4048.4—93標準)。標準型(10級):7.2In(In為電動機額定電流),4~10s動作,用于標準電動機過載保護,速動型(10A級):7.2In時,2~10s動作,用于潛水電動機或壓縮電動機過載保護。慢動型(30級): 7.2In時,9~30s動作,用于如風(fēng)機電機等起動時間長的電動機過載保護。③電流整定范圍廣。其最大值與最小值之比一般可達3~4倍,甚至更大倍數(shù)(熱繼電器為1.56倍),特別適用于電動機容量經(jīng)常變動的場合。④有故障顯示。由發(fā)光二極管顯示故障類別,便于檢修。
固態(tài)繼電器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。其成本和價格隨功能而異,最復(fù)雜的繼電器實際上只能用于較大型、較昂貴的電動機或重要場合。其具有的監(jiān)視、測量和保護的主要功能有:超速或失速保護;熱記憶保護;大慣性負載的長時間加速保護;斷相或不平衡相電流保護;相序保護;欠電壓或過電壓保護;過電流(過載)運行保護;堵轉(zhuǎn)保護;失載(機軸斷裂,傳送帶斷開或泵空吸造成工作電流下跌)保護;電動機繞組溫度和負載的軸承溫度保護等功能。每一種信息均可編程輸入微處理器,主要是加上需要的時限,以確保在電動機起動或運轉(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)字顯示故障的類別和原因,也可以對外向計算機輸出數(shù)據(jù)。
帶有電子式脫扣的電動機保護用斷路器的動作原理類同于上述電子式過電流繼電器或固態(tài)繼電器,其功能主要為:電路參量顯示(電流、電壓、功率、功率因數(shù)等)、負載監(jiān)控(按規(guī)定切除或投入負載)、多種保護特性(指數(shù)曲線反時限、I2t曲線反時限、定時限或其組合)、故障報警、試驗功能、自診斷功能、通信功能等,如M系列低壓斷路器。
軟起動器的主電路采用晶閘管控制其分斷或接通保護裝置,一般做成故障檢測模塊,用來完成對異步電動機起動前后的異常故障檢測,如斷相、過熱、短路、漏電和不平衡負載等故障并發(fā)出相應(yīng)的動作指令,其特點是系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單,采用單片機即可完成,適用于工業(yè)控制。
3.2 溫度檢測型保護裝置
雙金屬片溫度繼電器直接埋入電動機繞組中,當(dāng)電動機過載使繞組溫度升高至接近極限值時,帶有一觸頭的雙金屬片受熱產(chǎn)生彎曲,使觸點斷開而切斷電路,其產(chǎn)品如JW2溫度繼電器。
熱保護器為安裝在電動機本體上使用的熱動式過載保護繼電器,與溫度繼電器不同的是其為帶2個觸頭的雙金屬片作為觸橋串在電動機回路,既有流過的過載電流使其發(fā)熱,又有電動機溫度使其升溫,當(dāng)其達到一定值時,雙金屬片瞬間反跳動作,觸點斷開,分斷電動機電流,其可以作為小型三相電動機的溫度、過載和斷相保護,產(chǎn)品如SPB、DRB型熱保護器。
在檢測線圈測溫電動機定子每相繞組中埋入了1~2個檢測線圈,由自動平衡式溫度計監(jiān)視繞組溫度。
熱敏電阻溫度繼電器是直接埋入電動機繞組中的,一旦超過規(guī)定溫度,其電阻值將急劇增大10~1000倍。使用時,配以電子電路檢測,然后使繼電器動作,其產(chǎn)品如JW9系列船用電子溫度繼電器。
為了確保異步電動機的正常運行并對其進行有效的保護,必須考慮異步電動機與保護裝置之間的協(xié)調(diào)配合。特別是在大容量電網(wǎng)中使用小容量異步電動機時,保護的協(xié)調(diào)配合就顯得更為突出。
過載保護裝置的動作時間應(yīng)比電動機起動的時間略長一點。電動機過載保護裝置只有具備躲開電動機起動電流的特性,才能確保其正常運轉(zhuǎn),但其動作時間又不能太長,其特性只能在電動機熱特性之下才能起到過載保護作用。
過載保護裝置的瞬時動作電流應(yīng)比電動機起動沖擊電流略大一點。如有的保護裝置若帶過載瞬時動作功能,則其動作電流應(yīng)比起動電流的峰值大一些,只有這樣,才能使電動機正常起動。
過載保護裝置的動作時間應(yīng)比導(dǎo)線熱特性小一點,才能起到供電線路后備保護的功能。
過載保護裝置與短路保護裝置的協(xié)調(diào)配合。由于一般的過載保護裝置不具備分斷短路電流的能力,一旦其在運行中發(fā)生短路,就需要由串聯(lián)在主電路中的短路保護裝置(如斷路器或熔斷器等)切斷電路。若故障電流較小,屬于過載范圍,則仍由過載保護裝置切斷電路,故兩者的動作之間應(yīng)有選擇性。
短路保護裝置的特性是以熔斷器為代表說明的,其與過載保護特性曲線的交點電流為Ij。若考慮熔斷器特性的分散性,則交點電流有Is及Ib兩個,此時就要求Is及以下的過電流應(yīng)由過載保護裝置來切斷電路,Ib及以上直到允許的極限短路電流則由短路保護裝置來切斷電路,以滿足選擇性要求。顯然,在Is—Ib范圍內(nèi)就很難確保有選擇性.因此而要求該范圍應(yīng)盡量小。從現(xiàn)行的IEC標準規(guī)定看,極限值為Is=0.75Ij,Ib=1.5Ij。目前過載保護裝置的額定接通和分斷能力均按0.75Ij考核顯然偏低了一些,所以,在選擇短路保護裝置時Ij要考慮高一些,以提高其可靠性。因此,上述的協(xié)調(diào)配合應(yīng)既考慮其選擇性,又考慮其額定接通和分斷能力。
異步電動機的保護是決定電氣裝置和機械設(shè)備可靠、正常運轉(zhuǎn)的關(guān)鍵之一,直接檢測電動機繞組的溫度進而保護過載引起的過熱是很有效的保護方式,但由于其需要直接埋入電動機繞組里,價格較貴、維修困難等原因,目前僅在部分頻繁操作的場合使用。從經(jīng)濟性考慮,采用熱繼電器更為有利,加熱繼電器仍是一種價廉、簡單、可靠的電動機保護形式(從實際使用情況看,目前使用量占大多數(shù))。對于動作性能要求較高及功能要求全或價格昂貴的大容量電動機實施保護,可采用電子式或固態(tài)繼電器。對于一般要求,采用帶熱、磁脫扣的電動機保護用斷路器更為實用。但不管采用何種保護裝置,必須考慮過載保護裝置與電動機、過載保護裝置與短路保護裝置的協(xié)調(diào)配合。
TM3;TM307
B
1001-2184(2015)01-0028-03
薛貴平(1967-),男,四川眉山人,高級技師,從事水利水電、市政工程項目施工現(xiàn)場用電管理工作;
(責(zé)任編輯:李燕輝>)
2014-12-05
許明華(1975-),男,四川樂至人,技師,從事水利水電、市政項目現(xiàn)場施工用電管理工作.