浅谈电动机保护

安徽电气工程职业技术学院成人高等教育毕业论文摘要合理选择保护功能和保护方式，才能达到良好的保护效果，达到提高设备运行可靠性，减少非计划停车，减少事故损失的目的。本设计主要包括以下内容：根据电机保护常识，电机保护器的常见类型等内容，探讨电动机保护，用综合保护装置在即确保平稳生产操作又要维护设备安全的基础上，对电动机的电气及机械部分进行全面地保护是电气技术人员需要认真解决的问题。。关键词：电动机；保护；技术目录绪论3电动机的启动42.1电动机启动分类42.2电动机各类启动概述42.2.1全压直接启动42.2.2自耦减压启动42.2.3Y-Δ启动42.2.4软启动器启动52.2.5变频器启动5电动机的保护73.1电动机的故障73.2电动机保护综述73.2.1电动机运用73.2.2电动机故障形式73.2.3电动机保护分类73.3电动机保护83.3.1电动机温度保护83.3.2电动机热保护83.3.3电动机温度-电流保护93.3.4电动机电流保护93.3.5电动机电压保护113.4电动机保护非正常动作原因124电动机的保护与控制的关系145结论156参考文献161绪论电动机的保护是个复杂的问题。在实际使用中，应按照电动机的容量、型式、控制方式和配电设备等不同来选择相适应的保护装置及启动设备。本文阐述了异步电动机的的各种启动方式及保护分类。电动机启动方式包括：全压直接启动、自耦减压启动、Y-Δ启动、软启动器、变频器。其中软启动器和变频器启动为潮流。电动机保护主要分为：绕组保护：供电系统保护及轴承保护。并对不同保护进行简要介绍分析。最后谈到了电动机的保护与控制方式的关系，即保护中有控制，控制中有保护。2电动机的启动2.1电动机启动分类电动机启动方式包括：全压直接启动、自耦减压启动、Y-Δ启动、软启动器、变频器。其中软启动器和变频器启动为潮流。当然也不是一定要使用软启动器和变频器启动，在运用的时候根据实际情况，从经济和适用性自行考虑选择。2.2电动机各类启动概述2.2.1全压直接启动在电网容量和负载两方面都允许全压直接启动的情况下，可以考虑采用全压直接启动。优点是操纵控制方便，维护简单，而且比较经济。主要用于小功率电动机的启动，从节约电能的角度考虑，大于11kw的电动机不宜用此方法。2.2.2自耦减压启动利用自耦变压器的多抽头减压，既能适应不同负载启动的需要，又能得到更大的启动转矩，是一种经常被用来启动较大容量电动机的减压启动方式。它的最大优点是启动转矩较大，当其绕组抽头在80%处时，启动转矩可达直接启动时的64%。并且可以通过抽头调节启动转矩。至今仍被广泛应用。2.2.3Y-Δ启动对于正常运行的定子绕组为三角形接法的鼠笼式异步电动机来说，如果在启动时将定子绕组接成星形，待启动完毕后再接成三角形，就可以降低启动电流，减轻它对电网的冲击。这样的启动方式称为星三角减压启动，或简称为星三角启动（Y-Δ启动）。采用星三角启动时，启动电流只是原来按三角形接法直接启动时的1/3。如果直接启动时的启动电流以6～7Ie计，则在星三角启动时，启动电流才2～2.3倍。这就是说采用星三角启动时，启动转矩也降为原来按三角形接法直接启动时的1/3。适用于无载或者轻载启动的场合。并且同任何别的减压启动器相比较，其结构最简单，价格也最便宜。除此之外，星三角启动方式还有一个优点，即当负载较轻时，可以让电动机在星形接法下运行。此时，额定转矩与负载可以匹配，这样能使电动机的效率有所提高，并因之节约了电力消耗。2.2.4软启动器启动这是利用了可控硅的移相调压原理来实现电动机的调压启动，主要用于电动机的启动控制，启动效果好但成本较高。因使用了可控硅元件，可控硅工作时谐波干扰较大，对电网有一定的影响。另外电网的波动也会影响可控硅元件的导通，特别是同一电网中有多台可控硅设备时。因此可控硅元件的故障率较高，因为涉及到电力电子技术，因此对维护技术人员的要求也较高。运用串接于电源与被控电机之间的软启动器，控制其内部晶闸管的导通角，使电机输入电压从零以预设函数关系逐渐上升，直至启动结束，赋予电机全电压，即为软启动，在软启动过程中，电机启动转矩逐渐增加，转速也逐渐增加。软启动一般有下面几种启动方式：（1）斜坡升压软启动：这种启动方式最简单，不具备电流闭环控制，仅调整晶闸管导通角，使之与时间成一定函数关系增加。其缺点是，由于不限流，在电机启动过程中，有时要产生较大的冲击电流使晶闸管损坏，对电网影响较大，实际很少应用。（2）斜坡恒流软启动：这种启动方式是在电动机启动的初始阶段启动电流逐渐增加，当电流达到预先所设定的值后保持恒定(t1至t2阶段)，直至启动完毕。启动过程中，电流上升变化的速率是可以根据电动机负载调整设定。电流上升速率大，则启动转矩大，启动时间短。该启动方式是应用最多的启动方式，尤其适用于风机、泵类负载的启动。（3）阶跃启动：开机，即以最短时间，使启动电流迅速达到设定值，即为阶跃启动。通过调节启动电流设定值，可以达到快速启动效果。（4）脉冲冲击启动：在启动开始阶段，让晶闸管在级短时间内，以较大电流导通一段时间后回落，再按原设定值线性上升，连入恒流启动。该启动方法，在一般负载中较少应用，适用于重载并需克服较大静摩擦的启动场合。软启动与传统减压启动方式的不同，笼型电机传统的减压启动方式有Y-q启动、自耦减压启动、电抗器启动等。这些启动方式都属于有级减压启动，存在明显缺点，即启动过程中出现二次冲击电流。（5）电压双斜坡启动：在启动过程中，电机的输出力矩随电压增加，在启动时提供一个初始的启动电压Us，Us根据负载可调，将Us调到大于负载静磨擦力矩，使负载能立即开始转动。这时输出电压从Us开始按一定的斜率上升(斜率可调)，电机不断加速。当输出电压达到达速电压Ur时，电机也基本达到额定转速。软启动器在启动过程中自动检测达速电压，当电机达到额定转速时，使输出电压达到额定电压。（6）限流启动：就是电机的启动过程中限制其启动电流不超过某一设定值(Im)的软启动方式。其输出电压从零开始迅速增长，直到输出电流达到预先设定的电流限值Im，然后保持输出电流I这种启动方式的优点是启动电流小，且可按需要调整。对电网影响小，其缺点是在启动时难以知道启动压降，不能充分利用压降空间。（7）突跳启动：在启动开始阶段，让晶闸管在极短的时间内全导通后回落，再按原设定的值线性上升，进入恒流启动，该启动方法适用于重载并需克服较大静摩擦的启动场合。2.2.5变频器启动变频器室现代电动机控制领域技术含量最高，控制功能最全、控制效果最好的电机控制装置，它通过改变电网的频率来调节电动机的转速和转矩。因为涉及到电力电子技术，微机技术，因此成本高，对维护技术人员的要求也高，因此主要用在需要调速并且对速度控制要求高的领域。在以上几种启动控制方式中，星三角启动，自藕减压启动因其成本低，维护相对软启动和变频控制容易，目前在实际运用中还占有很大的比重。但因其采用分立电气元件组装，控制线路接点较多，在其运行中，故障率相对还是比较高。从事过电气维护的技术人员都知道，很多故障都是电气元件的触点和连线接点接触不良引起的，在工况环境恶劣(如粉尘，潮湿)的地方，这类故障更多，但检查起来确颇费时间。另外有时根据生产需要，要更改电机的运行方式，如原来电机是连续运行的，需要改成定时运行，这时就需要增加元件，更改线路才能实现。有时因为负载或电机变动，要更改电动机的启动方式，如原来是自藕启动，要改为星三角启动，也要更改控制线路才能实现。3电动机的保护3.1、电动机的故障电动机的故障大体分为两部分：一部分是机械的原因。例如轴承和风机的磨损或损坏：另一部分是电磁故障，二者互有关联，如轴承损坏，引起电动机的过载，甚至堵转，而风叶损坏，使电动机绕组散热困难，温升提高，绝缘物老化。而电磁故障的原因很多，如电动机的过载、断相、欠电压和短路都足以使电动机受损和毁坏。过载、断相、欠电压运行都会使绕组内的电流增大，发热量增加(导体的发热量是和电流的平方成正比的)，而短路造成的危害就更大。短路的原因是电动机本身的绝缘材料质量差或电动机受潮(在农村是经常发生的，例如受雨淋或落水)，以致于绕组的相间击穿，引起短路。此外，还有电动机置于有酸碱物的场所，因受腐蚀而损坏绝缘。3.2、电动机保护综述3.2.1、电动机运用（1）异步电动机结构简单、成本低廉、维护方便、其机械性能能够满足绝大部分生产工艺的要求，因此被广泛采用。（2）如果电动机保护设置不合理，拒动而使电机烧毁，误动而影响生产，电动机及其保护的是否正常运行，对于连续生产的大型钢铁企业来说，尤为重要，不可等闲视之。（3）本文主要讨论异步电动机保护，其电压等级在3kV～10kV，对于同步电动机保护，还必须配置：失步保护、失磁保护、非同步冲击保护等。3.2.2、电动机故障形式绕组损坏：低压长时间不能启动，频繁启动，长时间过负荷，绝缘损坏和老化，由于缺相或三相不平衡引起负序电流长时间运行，高温等。轴承损坏：负荷过重，振动过大，腐蚀，高温等。3.2.3、电动机保护种类绕组保护：热保护，温度保护，过电流保护，电流速断保护，纵联差动保护，单相接地零序电流保护。供电系统保护：低电压保护，断相或三相不平衡保护。轴承保护：温度，油位，振动保护等。3.3、电动机保护3.3.1、电动机温度保护温度保护是利用安装在电动机内部的温度继电器或变换器来实现的。当电动机达到一定温度时继电器动作，通过控制电路断开电动机的主电路。对于单相小容量电动机，可以用继电器直接断开动力电路。根据温度传感器的不同可以分为：（1）双金属盘式温度继电器：优点是简单、便宜、方便；缺点：动作温度不能调整，动作特性不稳定；（2）PTC热敏电阻：主要用在400V小容量电动机（400kW以下），优点体积小，放置灵活（定子或转子），缺点动作时间滞后。3.3.2、电动机热保护热保护是利用热继电器，按照电机定子电流的大小规定允许过负荷时间的长短来对电动机进行保护。（1）根据过负荷种类可分为：长时间过负荷（小电流）和短时间过负荷（大电流）。从额定负荷状态下，发生短时间过负荷的允许时间（基于同样的绝缘老化程度）在一定负荷条件下，允许过负荷时间由过负荷的倍数来决定。如，＝1.5时，允许过负荷t＝3min即有（基于超过额定工况的温升相等）（2）不管是基于同样的绝缘老化程度，还是基于超过额定工况的温升相等，均有I－t反时限特性（极端反时限）。究竟什么样的电动机及其保护的过负荷特性是合理的，至今尚无一致意见。不同工况下的反时限特性千变万化，很难统一表达。（3）几种常用反时限特性曲线：极端反时限非常反时限一般反时限电动机热保护的优缺点：1）热保护能很好的保护短时间大电流的过负荷；2）过负荷保护电流应反映各次谐波的均方根。3）电动机的发热由损耗决定，其中一部分损耗与电流无关；4）除定子电流外，转子电流，通风，堵转等都与发热有关；5）热保护特性与电动机的散热特性很难一致。3.3.3、电动机温度-电流保护热保护在短时间大电流过负荷时效果较好（由定子绕组的发热时间常数决定），温度保护在长时间小电流过负荷时效果较好（由电动机的综合发热时间常数决定）。将温度保护和热保护两者结合，组成温度-电流保护，是一种理想的电动机过负荷保护。3.3.4、电动机电流保护将保护电器检测的信号，经过变换或放大后去控制被保护对象，当电流达到整定值时保护电器动作，这样的保护称为电流保护。电动机的电流保护类型：相间短路保护（速断保护和差动保护）、单相接地保护（带方向和不带方向）、堵转保护、严重过负荷保护和相间电流不平衡保护（负序电流保护）。（2）电动机的相间短路保护之一：电流速断保护条件：小于2000kW，相间短路电路远大于启动电流、堵转电流和电动机外部短路时向短路点的反馈电流。优点：快速、可靠、简单、经济。速断动作电流Iop应整定为(电动机引线发生三相短路时，系统侧供给的短路电路)要求直接启动的电动机容量应小于变压器容量的一半。（变频启动和降压启动的电动机另议）（3）电动机的相间短路保护之二：差动保护条件：电动机容量在2000kW以上，或小于2000kW但电流速断保护灵敏度不够时，应装设纵差保护。自启动过程中，差动保护易误动原因分析：大型异步电动机自启动过程延续几秒，而两侧电流互感器的暂态传输特性很难保持一致，实际动模结果也证明了这一点。解决方案：动模分析结果得知，不平衡差流中含有显著的二次谐波成分，同时(I2/I1)并不随着不平衡电流的衰减而减小。所以利用二次谐波制动原理可以抑制误动，制动比可以30％～40％。或采用磁平衡式纵差保护。（4）磁平衡式纵差保护（自平衡式纵差保护）磁平衡差动保护，俗称“小差动保护”。当电动机安装磁平衡式电流互感器时，“磁平衡差动保护”控制字投入。磁平衡差动保护的电流从装置中性点侧电流回路输入，电流定值取自“差动启动电流定值”。（如图所示原理图）（5）单相接地保护单相接地电流大于5A时，应装设单相接地保护。接地电流小于10A时，保护可延时报警或跳闸。接地电流大于10A时，保护应延时跳闸。如果接地电流足够大，纵差保护可兼作单相接地保护。如果供电网很小，零序电流不足以区分内外接地故障，需增加零序功率方向保护（6）电动机堵转保护电动机带负荷升速启动时间为，允许堵转时间为。当时可以方便地使用反时限保护来实现。传统做法，启动时退出该保护，微机保护可以不退出，自动提高启动电流，可以作为启动时堵转保护。（反时限兼做堵转保护）当时，采用定时限过流保护。可以长时间投入，作为启动时堵转保护。（定时限兼做堵转保护）严重过负荷保护在电路中，当回路电流超过过负荷保护装置预设值时，过负荷保护装置自动断开电流回路，起到保护有效负载的作用。保护不足，多条曲线组合（8）三相电流不平衡保护：负序电流保护考虑外部供电系统不对称短路时反馈负序电流引起不平衡保护误动，应该延时躲开。3.3.5、电动机电压保护低电压保护(1)当供电网网络电压降低时，异步电动机的转速都要下降，而当供电母线电压恢复时，大量电动机自启动，吸收较其额定电流大好几倍的启动电流，致使电压恢复时间拖长。为了防止电动机自启动时使电源电压长时间严重降低，通常在次要电动机上装设低电压保护，当供电母线电压降低到一定值时，延时将次要电动机切除，使供电母线有足够的电压，以保证重要电动机自启动。（2）什么情况下装设低电压保护：1)保护重要电动机自启动而需要断开次要的电动机；2)根据工艺要求，不需要自启动的电动机；3)长时间失压后，须从电网自动断开的电动机；4)装有自动投入装置的电动机。电动机低电压保护定值应躲过冲击负荷投入时对母线电压的影响。负序电压保护当三相电压不平衡时，可以人为分解出正序、负序及零序电压。求负序电压分量的方法为：

A相保持不动、B相顺时针转动120度，C相逆时针转动120度（与正序正好相反）。然后三相电压向量相加（即A相不动，将顺时针转动120度后的B相的头移动到A相的终端，将逆时针转动120度后的C相的头移动到B相的终端），然后从A相头到C相尾的化一根线，这根线就是负序电压了。负序电压保护就是根据这个原理来实现保护功能的。负序电压保护：反相保护和断相保护。3.4、电动机保护非正常动作原因分析（1）反时限过流保护非正常动作原因分析：1）保护定值设置不合理；2）保护设置难以同时满足启动过程和运行过程的要求。解决办法：1）通过分析计算选择合理的保护定值；2）通过启动过程的录波分析选择恰当的保护定值；3）设计双反时限过流保护来满足启动过程和运行过程的要求。（2）差动保护非正常动作原因分析：1）一次CT配置不合理，在非故障的大电流时出现不一致的饱和现象，产生动作差流（更换合适的一次CT）；2）CT极性接错（更正接线）；3）没有投入谐波制动功能（投入谐波制动功能）；4）定值设置不合理（选择合理的定值）；5）和应电流的影响（尽量避免）。（3）低电压保护非正常动作原因分析：1）定值设置不合理（选择合理的定值）；2）接在解列运行的发电机母线上时，由于母线电压的波动导致电动机低电压动作；3）大型冲击性负荷投入时对母线的影响（适当增加动作延时）。4电动机的保护与控制关系电动机的保护