异步电动机的保护和故障分析

张金平

摘要：三相异步电动机在我国的国民生产的各个领域应用十分广泛。介绍和分析异步电动机在发生过载、短路、断相、欠电压等故障时产生的后果以及它们的有效保护方法。希望在实际生产应用中能起到借鉴和参考的作用。

关键词：三相异步电动机；故障分析；保护

中图分类号：TP

文献标识码：A

文章编号：1672-3198(2009)09-0288-01

1电动机的过载及其保护

电动机的过载由于电流增大，发热剧增，从而使其绝缘物受到损害，缩短了其使用寿命甚至被烧毁。

从电动机的结构来看，鼠笼型电机的定子铁心置放绕组的槽内必须有良好的绝缘物。为了保证电动机的相间、带电体与外壳的绝缘，通常是使用各种耐热等级的绝缘材料的。各种绝缘IEC85规定A级(105℃)、E级(120℃)、B级(130℃)、F级(155℃)……电工技术工作者提出的绝缘材料的使用温度每增加8℃，其使用寿命就减半是有理论和实践依据的。

现在对电动机的过载保护采用最多的是热继电器，也有相当数量采用有复式脱扣器的断路器。对于重载起动的电动机，如果使用一般的热继电器，常常会在起动过程中发生错误动作(跳闸)，使电动机无法起动。因此需要选用带速饱和电流互感器或限流电阻的热继电器，这种型式是通过速饱和电流互感器或限流电阻使起动电流成比例地缩小，就可以大大延长电动机的起动时间，保证正常起动，还有采取起动时将热继电器短接，起动完毕再将热继电器投入运行——完全短路法。此外，对带速饱和互感器的热继电器，起动时将互感器二次绕组短接，起动完毕后再使之投入等方法，来满足重载起动电动机的需要。

2电动机的短路保护(电动机保护电器瞬时动作电流整定值)

电动机在短路情况下的保护，通常选用断路器，有的地方也使用熔断器。一些文献提到，断路器的瞬时动作电流整定值应能躲过电动机的全起动电流。Isct一断路器瞬时动作电流整定值A；k－可靠系数，它考虑了电动机起动电流的误差和断路器瞬动电流的误差，k一般取1.2；Ist－全起动电流值，也称尖峰电流A。所谓全起动电流，是包括周期分量和非周期分量两部分。非周期分量的衰减时间约为30ms左右，而一般的非选择性断路器的全分断时间在20ms之内，因此必须把非周期分量考虑进去。Ist为1.7～2倍的电动机起动电流Ist。在诸多文献中规定Icst为2～2.5倍的电动机起动电流。低压电器标准，如JBl284《低压断路器》的编制说明中认为，根据实验和统计，保护鼠笼型电动机的断路器。其瞬动电流是整定在8～15倍电动机的额定电流的，而绕线式电动机应整定在3～6倍电动机额定电流。8～15倍鼠笼型电动机额定电流是一个范围，具体的数值还需要考虑电动机的型号、容量、起动条件等等因素。

以下，我们分析一下，鼠笼型电动机起动时的全起动电流(类峰电流)。

(1)起动电流的低功率因数，过渡过程的非周期分量的存在。在这种情况下，周期分量的幅值尽管稳定，但受非周期分量的影响，故有尖峰电流流过(功率因数低，表示电感L大，时间常数T=L／R大，非周期分量Imsin(ψ－)e－t／T值大，非周期分量的衰减慢)。当起动电流的COS＝0.3时，尖峰电流为起动电流(有效值)的2倍左右。

(2)残余电压的影响而产生的瞬间再合闸的尖峰电流。电动机切断电源后再接通时，当切断电源而电动机尚未停下，就带有残余电压。这种残余电压不仅是由于有剩磁而产生，而且还由于次级线圈(转子)有残余电流而形成，所存在的残余电压与再合闸时的电源电压在某一相位时的叠加，就会产生尖峰电流。其大小与电动机完全停止后再起动相比，要大(残余电压+电源电压)比电源电压倍，这种尖峰电流虽然仅出现1－2周波，但足以使断路器的瞬时脱扣器动作。因为1、2两个原因，可出现下列情况：

①电动机直接起动。

由于COSφ@为0.3，尖峰电流为(6In)的2倍，等于In(有效值)故塑壳式断路器的瞬时脱扣器整定电流值最小值为8.5In，(In为电动机的额定电流)

②星-三角(Y-△)起动。

也假设COS@为0.3，当从Y起动到△运转的一瞬间(1～2周波)，尖峰电流(峰值)约为额定电流(有效值)的19倍。则断路器必须把瞬时动作电流整定到14In以上。

③自耦减压起动时。

COSφ＝0.3，电动机起动电流为6In，由于有尖峰电流的存在，原来按80％抽头的正常起动电流为3.84In，现提高到7.7In，按65％抽头的正常起动电流为4.3In，现提高到5In。

④瞬时再起动。

按COSφ为0.3，起动电流为6In，考虑到残余电压的影响，尖峰电流为最大，是额定电流的24倍(6X2X2)(峰值)，其有效值为＝16.97≈17，因而断路器的瞬时脱扣器的整定电流必须在电动机额定电流的17倍以上。从以上分析可知，正是电动机的型号、结构、起动方式等的不同，导致尖峰电流的出现，由此而推出Isct在8～15倍In之内(个别的还可达到17倍In)。

3鼠笼型电动机的断相保护

关于鼠笼型电动机的断相保护电动机的断相分为两类，一是电动机外部的电源线断线；二是电动机内部定子绕组的断线，而电动机内部接线又分为星形联结和三角形连接两种。因此提到断相必须分清是那一种性质，另外，所谓断相保护，是指正在运行中的电动机。

(1)被保护的电动机的定子绕组是星形联结，断相运行时，一般说未断的两相电流会增大。由于电压的不平衡，至少有一相电流增大。因是星形联结，线电流等于相电流，所以对于星形联结的电动机，选用一般的三极热继电器或三极保护电动机型的断路器，是能够起到有效保护的。

(2)被保护的电动机的定子绕组是三角联结，当电机发生断相时会有两种情况产生：

①电动机外部的电源线断线(如熔断器——相熔断)，此时线电流与相电流之间已不是的关系，线电流已经不能正确反映相电流的大小，即不能有效地反映电动机绕组是否已处于过载状态。当电动机在额定负载下断相运行时，如果选用一般的三极热继电器(或断路器)。勉强可以起保护作用但是当负载在额定负载的65％下断线运行时会动作，时间长了可能烧毁电动机。为解决保护问题，应采用带断相保护的热继电器，如JR 20、T系列、3UA系列等。

②电动机的定子绕组为三角形联结，绕组断了一相，此时就出现：12＝13=Iph 11=Iph可以看到，有一相线电流与未断线前是一样的，因此，可以选用一般的三极热继电器来保护。

4电动机保护线路及其保护电器的选择

电动机保护的线路大致有以下四种：

(1)由热继电器FR，接触器kM和仅有瞬动保护的断路器QF组成，如图4所示。接触器用来起动、停止电动机，热继电器用来保护电动机的过载，而仅有瞬动保护的断路器是保护电动机的短路。

(2)由热继电器FR，接触器kM和熔断器FS组成，如图5所示。热继电器保护电动机的过载，接触器起动和停止电动机，熔断器作电动机的短路故障保护。

(3)由一台接触器kM和一台电动机保护型的断路器QF组成，如图6所示。接触器作为电动机的起动和停止之用，电动机保护型断路器作电动机的过载和短路故障的保护。

(4)由一台电动机保护型断路器组成，电动机保护型断路器，既做电动机的起动和停止，又作电动机的过载和短路故障的保护。以上四种中，1、2两种适合于比较频繁的起动——停止电动机，第3种适合一般频繁起动，而第4种只能适用于不频繁起动和停止。

从投资来看，1、2种最不经济，第4种最经济，因为它可少用一台起动、停止用的接触器(或热继电器)。

但是采用电动机保护型的断路器作电动机的过载保护和短路保护存在一个很难克服的困难。这就是额定电流的匹配问题，例如15kW电动机选用的断路器额定电流只能往上靠32A，它大于29A、30A、31A、规格而小于34A规格的电动机。对于现在大量应市的塑壳式断路器，尽管有电动机保护型，但是它的整定电流(额定电流)是不可调的，往往起不到保护作用，因此采用断路器作过载保护是不理想的，建议采用过载长延时整定电流可调的热继电器来充任。虽然这种可调是不精细的，目前我厂正在开发智能型塑壳式断路器，如果研制成功，则其整定电流可以基本上做到无级调整。