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怎样理解电动机的保护

2017-08-08

电动机(主要指三相异步电动机)具有较高的运行功率和较好的工作特性,能满足大多数机械设备传动要求,使用和维修方便、运行可靠等特点,而作为主要的动力源在工农业和国民经济建设发展得到最广泛应用,但电动机在启动运行的过程中,一旦出现故障状态运行现象就很可能造成电动机损坏,因此对电动机的安全运行必须采取一定的保护措施。电动机保护最初应用热继电器(双金属片机械式),热继电器在保护电动机过载方面具有一定的反时限性能和结构简单的特点,但由于其机械式结构原理决定必然存在着功能简单、调整误差大、易受环境温度的影响产生误动作或拒动作,而且功耗大、耗材多、性能指标落后等缺陷。因此,JR0-16热继电器国家已于96年下文淘汰,在《公布淘汰落后生产能力、工艺和产品的目录》《关于公布机械工业第十六批淘汰落后机电产品的通知》《电力节能优化控制技术与国家电力调控政策法规》《2004年制修订行业标准项目补充计划》中<电动机保护器>添运国际等19项电工标准列入计划.此次列入计划项目的4项编制原则是;1、市场急需的标准项目.对实施行业规划、产业政策,推动行业技术进步、技术创新,引导行业结构调整、结构优化、产业升级、老工业基地改造,推进新型工业化,规范市场经济秩序等急需的标准项目;2、涉及安全卫生、环境保护、节约能源、保护资源的标准项目;3、行业标准复审需要修订的标准项目;4、已经协商一致的交叉、矛盾标准项目等政策法规的颁布,这无疑为电动机保护器市场的发展创造了一个不可多得的宏观需求和有利的政策环境,为新型的电子式电动机保护器生产制造提供了有力的政策保障。

  随着现代化电子技术迅速发展,为适应现代化大规模生产的需求,电子式电动机保护器从普通型、综合型发展到微机智能监控型,形成了系列化产品;它的功能、特性更为完善,科技含量越来越高。不过不管电动机保护器怎样智能化,也只不过是电动机保护系统中一种重要硬件电气设施,要真正达到较完善的保护效果,除了有设计合理、功能完善、品质优良的保护产品作保证外,关键的应该还是在于人为因素,正确理解掌握才有的正确保护意义。

  对于电动机保护的基本概念作以下简单描述:

添运国际  (一)保护器主要作用是什么?

  电动机的保护一般是由断路器、熔断器、交流接触器等通用电器件组成的多种保护系统。电动机只不过是这个系统中主要电器件之一,其使命是监测电动机启停运行全过程中的工作动态,一旦电动机出现故障运行行为状态,在监测电动机主电流回路的检测元件(传感器)将检测到的故障信号传递到保护器主机处理中的电路,经过一系列各个环节电路处理,向操作机构发出故障预警,提醒操作者检查处理,把故障解决在萌芽之中或以另一方式启动自我动作功能,驱动电动机控制电路中其它电器跳闸,脱离主电源使电动机退出故障运行,同时记忆故障类型、故障状态,以指示、显示、报警等方式(智能型保护器可以提供相关数据记录查询)提供给操作人员检查、排除、处理作参考依据。在故障未排除之前,保护器应处于绝对自我闭锁状态,防止自动重复启动,以免造成事故扩大和危及人身安全,保护器顾名思义是主要保护作用,任何最智能的保护器也绝无自我排除故障能力行为。

  (二)电动机保护意义与基本原则是什么?

  电动机保护的意义、目的及基本原则主要体现为下列几点:

  1、  以最大限度减少电动机非正常性(完全可以避免损坏范围)损坏,降低能耗提高经济效益。

  2、  以最大限度满足电动机启动、过载、特性要求,保证生产正常有序安全运行不停歇。

  3、  尽量避免过流过热而加剧对电动机的绝缘老化程度,延长使用寿命。

添运国际  4、  尽可能完善其他附加功能,给现代化生产操作(监控、监视、监测、管理、查询)带来方便,改善工作环境提高工作效率。

  5、  对于一些已形成故障隐患或已造成损坏事实的电动机,保护器只能

  防止故障或事故的重复扩大,保障生产设备,人身财产安全。

  (三)为什么利用电流检测原理?

  电动机在运行过程中可能发生的故障是多种多样的,故障行为的发生是不可预测、不确定的,不是一定就发生,但又可能经常发生。从电动机损坏产生时主要现象表现为电动机定子绕组线圈烧坏,定子绕组线圈烧坏的主要原因是电动机温升过高;而电动机的温升过高主要原因是电动机的损耗增加;而电动机损耗增加主要是电动机定子绕组铜损和转子铁损(略去机械损)增加,而引起电动机铜、铁损增加,主要原因又是电动机在故障运行过电流。电动机各种类型故障(据有关部门统计约90%以上)一般都从电动机运行电流方面表现出来(如过流,三相电流不对称),所以通过对电动机运行电流动态实施监测对电动机的保护是可以达到约90%以上安全保护。而应用电流检测原理具有与控制电器接近,能适用一切电气负载,调整灵活、维修替换、安装方便等特点,是目前最为广泛应用的保护方式。电流检测元件一般利用电流互感器。

添运国际  (四)为什么不利用温度检测原理进行保护控制?

添运国际  造成电动机损坏,以热破坏较为普遍,是较为常见的主要故障现象表现,利用温度元件直接对电动机温度检测是最有效的方法,对电动机的温度保护当然也是最理想的,特别是对于一些非过流原因引起电动机温升过高而烧坏故障,是以电流检测原理保护方式无法完成的。但是利用绕组温度检测方式需要直接埋入电动机绕组,而对于现有在用电动机无法实现,因受到测温元件生产工艺设计制造、现场使用与维修等因素的影响限制。所以,对电动机保护具有一定的局限性,综合各方面因素也没有普遍应用的实际意义。只有工作条件特殊、要求特殊、重要电动机才预埋测温元件进行过热保护。

  (五)电动机温升到什么限度需要保护?

添运国际  引起电动机温升过高而损坏的故障类型及原因已找到了根源,但温升到什么限度可能引起电动机烧坏需要保护?这需要量值,我们通称为安全保护值。电动机工作时产生各种能耗热量通称为电动机热功率(热容量),在制造设计上有一定限制,称为额定值。由于某种故障原因引起热功率超过额定值,就可能造成烧损。

  电动机的安全保护值是判断电动机继续运行还是保护之间临界重要数据,安全保护值设计过于保守,达不到电动机允许的启动过载特性潜力,使正常生产得不到保证。设计过于宽裕又不能得到有效保护,因此安全保护值是电子式保护器设计的核心。多大过流倍数、多长过流时间、电动机温升达到需要保护限值等数据的取值直接关系到产品的实用性和安全可靠性。笔者从实践中得到保护动态系数及过电流的倍数与热积累、温升限值和安全值关系。推理出既可简单运算又实用的经验公式,作为设计、制造保护器的依据。

添运国际  公式: K=(I2/Ie2-12)×t或K=( I2/Ie2-1.052)×t

  式中: K---反时限时间常数;

  I---工作电流(A);

  Ie---额定电流(A);

  t---动作时间(s)

  12 (或1.052)---安全倍数值(在1倍或1.05倍额定电流下积累热量的平衡值)。

  例:一台电动机超额定电流6倍,过流时间为6s,其反时限时间常数为

  (62-12)×6=210(反时限时间常数值)

  210值定为电动机保护动作反时限时间常数值(不为保护值),因为每超过额定温升限值10℃时,电动机绝缘便降低50%左右,故略低于保护限值而设定。实验条件:常温20℃,冷态绝缘等级B。利用此式能方便推算出不同状态的过流达到电动机温升限值所需时间。

  例:一台电动机超额定电流1.1倍,保护动作时间应为:

  t=K÷(I2/Ie2-12)=210÷(1.12-12)=1000s

  保护器过流动作反时限特性曲线都为此公式而产生的。

  (六) 热功率记忆怎么理解?

  热功率记忆是利用电流取样方式的电子式保护器中的重要一部分,目前一般设计原理都是根据电流的大小来决定是否需要保护,单纯的电流大小来衡量电动机温升程度是不够的,不能够判别出电动机在不同运行过程中热状态,那么保护是盲目的。

  热功率记忆电路主要是为适应电动机热功率而设计的,在某种意义上是电动机的测温器、体温表,实际电动机与保护器之间并没有直接热效应等量关系,只是把检测到的电流采样信号,通过保护器内部记忆电路的模拟仿真设计、计算处理转化为相应等效的电动机热功率。电动机在运行期间电流是一个变化的动态,要求热功率记忆电路也必须具有自动跟踪特性。

添运国际  记忆电路主要包括两个方面:

添运国际  1、  积累储存:电动机过流信号(运行信号)时模拟电动机发热积累效应。

添运国际  2、  释放衰减:电动机在额定电流值以下运行时退出过流信号(以冷却特性)。

  以这样正反自动循环相互牵制方式,保证电动机与保护器之间热功率达到同步平衡、自动适应电动机热功率需求。以达到:

添运国际  1、  识别电动机不同热状态,需要不同保护动作时间。

  2、  保护器动作后自锁延时复位时间,即使在保护器工作电源断电后仍有热记忆存在,以保证电动机热余量散发有一定时间。

添运国际  (七)保护器动作时间能不能修正?

  保护器动作时间对电动机保护是一个重要相关数值,主要是对电动机实际工作条件决定的。动作时间修正不修正主要看什么类型、什么电路模式的保护器,对于利用模拟式电路保护、动作特性采用反时限方式、整定电流采用定位器调节的保护器,在现场使用时动作时间不好修正,因为其动作时间是跟随电流大小变化而定的,保护动作曲线在电路设计中已特定的。

  对于一些采用数字化模式电路的保护器,用户可根据电动机实际情况在保护器面板操作键上对多种保护功能模式进行个性化设置,所以对于一些特殊电动机、特殊工作条件下,如启动电流大、时间长、反时限保护特性不能完成启动,要选用数字式保护器或向制造厂提出数据进行特制方法解决。

添运国际  (八)保护器整定电流值设定采用线性实数调节是什么概念?

  模拟电路的电子式电动机保护器,在设计上一般均采用电位器作为操作件进行对额定电流的整定。此种方法,在理论上是可行的,但在实际生产制造中存在着一个大难题;也就说:“要使电位器滑动臂的旋转角度与其阻值成较好的线形关系是比较困难,特别是在大批量的生产中更是难以做到,因为每一只电位器的电阻值、角度位置不可能完全一致,存在着误差,很多厂家没有解决这个问题,致使电流整定范围刻度含糊,甚至一些产品就没有设定值显示,这样给使用者正确调节设定带来了不方便,整定误差将是不可避免,假如不能给使用者提供一个正确、方便操作的设定值,即使保护器内部电路设计的非常完善精确,保护效果可想之知。针对这个难题,笔者经反复研制设计、自行特制了电位器校正仪器设备,通过校正仪器利用电阻加减法,把电位器固定在刻盘上进行实地校准、调试实现了线性实数调节效果。

  线性实数调节意义是:

  线性指:在保护器整定电流值调节范围内,刻度盘上指数按多格数、同等量均匀线性布局。

添运国际  实数指:保护器上电位器操作旋钮在刻度盘指定位置数值,即就是整定电流值,整定电流值即等于被保电动机额定电流值。

  从而达到了刻度醒目直观,调节简单方便,精度高一机一钮,一次设定成功的目的。

  (九)保护器是否存在盲区

  用户曾经反映一台电动机已配用了保护器为什么仍然烧坏?这个问题很尖锐也是一个实例。配用了保护器电动机仍有烧坏,那保护起到什么作用呢?

  任何用电器设备都有一定的使用期限,自然老化甚至损坏也是不可抗拒的规律。这个意义上讲,保护不是起死回生。对于一些已造成(绝缘老化,相间、匝间、对壳击穿)自身已存在着故障隐患的电动机或其他原因引起严重过压,瞬时对电动机绝缘造成破坏的情况下,保护应该说已失去了实际意义。

添运国际  保护盲区存在主要表现如下几个方面:

添运国际  1、  电动机自身方面

添运国际  ⑴、电动机的设计制造质量问题,一致性有相差,特别是经大修后电动机在工作特性上可能发生了改变,在保护整定电流设定上就很难以确定一个准确设定值。

  ⑵、电动机存着故障隐患,如电动机绕组受污油、雨水潮气、腐蚀气体侵蚀或有异物等,在绝缘程度上尚未遭到破坏属绝缘电阻降低,临界病态电动机有可能在正常的负载电流下发生损坏现象。

添运国际  ⑶、电动机由某种原因造成严重过电压影响。如:电网严重过压(电器操作过压、事故过压、大气过压及非线性负载生产严重谐波等)对电动机绕组相间匝间对壳造成绝缘击穿、破坏的恶性故障。

⑷、电动机不是在额定工作范围内运行。

  2、 保护器自身方面

  ⑴、保护器自身故障不能正常工作,电子式保护器内部电路基本上是由电子元件组成。电子元件也存在着弱点,热稳定差、防潮、防腐能力差、易受干扰,虽然元件在筛选上设计上精挑细选留有一定宽裕量,工艺上经老化、浸化烘干处理,但损坏也有所难免,特别是在超出工作条件下工作。如:严重电磁污染区域,保护器可能出现不正常状态,执行电路不能启用,电动机继续带故障运行,这时保护器等于虚设。(特别是无自我检测功能的保护器)

  ⑵、保护器外围电路,如输入工作电源线路,各输出接口端子、线路,若发生接触不良、短线等,同样可能使保护失误。

  ⑶、故障检测方面局限性

添运国际  以电流检测原理的保护器,对于一些非电流原因引起过热损坏电动机故障行为,如通风受阻、环境温度升高、电动机扫膛(因轴承损坏引起擦铁芯)等保护效率应是有限的。

  ⑷、以温度元件检测原理的保护器,对于一些非过热引起故障,如某种原因引发电动机绝缘损坏,根本没有过热行为现象,同样也会失去保护实际意义。

添运国际  3、 人为因素方面

  电动机保护器同其他设备仪器一样,不管怎样先进、智能同样需要人去操作、调试、维护、保养。假如使用者思想、技术素质差不能正确合理使用或保护器已发生了故障警示,不去检查处理并任意调正整定电流,那么同样可能造成保护失败。

添运国际  4、 保护系统方面

  上述提到电动机保护是一个组成系统,它与系统中其他用电器有着密切关系,保护中有控制、控制中有保护。保护器推动输出级一般都采用容量较小的微型继电器,它只能做驱动系统中其他电器跳闸。如接触器,假如接触器失去了电流分断能力,这也是一个保护盲区。

  小 结

  综上所述几个问题,说明了电动机保护死区和盲区是客观存在的,但不因某一保护失败,就误解了电动机保护器的保护作用和效果。

添运国际其保护死区,是指电动机在某一原因自身已存在着严重故障隐患或已形成损坏事实。这些保护技术力所不及区域称为死区。而保护盲区不同,盲区大部分是对保护理解上形成意识误区,可以通过人们主观努力去克服改变的,如提高保护器产品质量、精度和可靠性。在使用时做到正确、合理选用保护产品,建立必需人机管理制度,对电动机、保护器及保护系统中所用电器进行日常维护保养,定期检查,使电动机保护控制整个系统处于良好正常状态,起到较完美保护效果。




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