起重电机专业生产厂家无锡宏达2022年5月27日讯 在低压电动机回路中，电动机保护型断路器常用作过载和短路保护元器件，对于过载保护其特性与热继电器反时限特性要求一样，断路器在电动机起动电流下的脱扣时间要大于电动机起动时间，以避免起动过程中过载保护误动作。对于短路保护，一方面瞬时保护整定值要满足短路保护灵敏度的要求，整定值不能设定太高；另一方面瞬时保护整定值要躲过电动机起动瞬间出现在第一个半波的接通电流峰值，整定值不能设定太低，这与保护灵敏度的要求是相互矛盾的。
由于断路器瞬时保护整定值一般有±20%的误差范围，电动机接通电流峰值与额定电流以及起动电流之间的关系在设计手册或规范里一般以经验倍数呈现。如何确定断路器瞬时保护整定值与电动机起动时接通电流之间的关系，以及如何分析电动机起动过程中断路器瞬时保护误动作的原因，是本文的主要目的。希望通过本文的讨论，为电动机保护设计和现场故障处理提供参考。
一、电动机接通电流峰值与额定电流的关系
《工业与民用配电设计手册》第三版简述了笼式三相电动机的起动特性，起动过程中电动机的电流是随着转速变化。接通后的暂态过程与短路类似，首先出现一个冲击电流（接通电流一笔者注），峰值发生在第一个半波，在第二、三周波内急剧衰减。在随后的绝大部分起动时间内，电流相对稳定，但随着转速的升高而略有下降。在接近额定转速时，电流迅速下降；起动结束时，降至电动机额定电流或更低。接通电流峰值（最大值）是指包括周期分量和非周期分量的全电流瞬时最大值，其大小取决于接通瞬间的相位和起动回路电阻与电抗比值。上海电器科学研究所曾对52台电动机做过现场实测，起动时第一个半波全电流有效值一般不超过起动电流的2倍，个别可达2.3倍。通常，接通电流峰值可取起动电流的2√2倍。
《工业与民用配电设计手册》第四版对电动机接通电流峰值的描述与第三版有所不同，接通电流峰值：是指包括周期分量和非周期分量的全电流最大值。这一数值的大小决定于接通瞬间的相位和启动回路电阻和电抗的比值。关于接通电流峰值与启动电流（第四版为堵转电流，笼式电动机的启动电流应取其堵转电流。）的比值与第三版也不同，接通电流峰值一般不超过堵转电流的2倍，个别可达到2.3倍。
西门子技术出版物《低压开关电器和开关设备手册选用准则与设计指南》对笼式电动机接通电流峰值（最大值）与起动电流（有效值）的关系和《工业与民用配电设计手册》第三版相同，接通电流峰值（最大值）等于起动电流的2√2倍，起动电流（有效值）等于（4~8.4）倍电动机额定电流。
发表于1971年《低压电器技术情报》期刊上的《电动机启动电流值测量的试验报告》记录了上海电器科学研究所对52台电动机的测试数据和分析过程，其中结论之一如下：电动机在实际使用过程中，其直接启动电流的第一个峰值是额定电流峰值的8倍以下为少数、8～12倍占据大多数，个别电动机的启动电流的第一个峰值是其额定电流峰值的13倍以上。电动机起动过程中接通电流峰值Inrush current(Peak)、接通电流有效值Inrush current(RMS)、起动电流Starting current RMS）、额定电流Motor rated current（RMS）波形如图1所示，依据《电动机启动电流值测量的试验报告》中的结论可以得到：接通电流有效值Inrush current(RMS)与额定电流motor rated current（RMS）之间的比值8倍以下为少数、8~12倍占据大多数，最大可能到13倍以上。
《电动机启动电流值测量的试验报告》中的结论也解释了我们平常所说的电动机保护型断路器的瞬时保护整定电流值（或磁脱扣电流值）大多数不超过额定电流的14倍，甚至当我们用D型家用微断用作电动机短路保护元器件时，也很少出现起动过程中断路器误动作的现象，这是因为D型家用微断的磁脱扣电流范围为10In~14In，当过电流低于10In时，断路器磁脱扣一定不动作（此时热脱扣保护动作），当过电流大于14In时，断路器磁脱扣一定动作，当过电流介于10In与14In之间时，断路器有可能磁脱扣也有可能热脱扣。由于电动机接通电流有效值与额定电流比值大多数介于8~12倍之间，少数低于8倍或高于13倍，所以普通D型家用微断有时候能躲过电动机起动瞬间的接通电流，只有当出现误动作时，才需要进一步分析电动机的接通电流值是否接近或超过了D型微断磁脱扣的上限值14In。
以实际产品为例。如图2，GV2ME32C电动机保护型断路器其磁脱扣电流为416A，误差范围±20%，这表示当过电流低于磁脱扣电流下偏差即332.8A时，断路器磁脱扣一定不会动作（此时热脱扣保护动作），当过电流大于磁脱扣电流上偏差即499.2A时，断路器磁脱扣一定动作，当过电流介于332.8A与499.2A之间时，断路器有可能磁脱扣也有可能热脱扣。GV2ME32C的热脱扣设定范围为24~32A，它可以为额定电流为24~32A之间的电动机提供过载保护，磁脱扣电流与热脱扣整定电流的比值最小为416/32=13，最大值约为17.3，参考《电动机启动电流值测量的试验报告》中的结论，可以躲过大多数电动机起动瞬间的接通电流。
断路器的瞬时保护电流整定值一般以有效值表达，当电动机起动瞬间出现在第一个半波的的接通电流峰值已知时（例如用示波器实测），要整定断路器瞬时保护电流值或判断电动机起动过程中断路器瞬时保护是否会误动作，就需要将实测的接通电流峰值除以转换为接通电流有效值，再与瞬时保护整定值（有效值）进行比较，同时需要考虑整定电流误差范围的影响，最保守的整定方案是瞬时保护整定电流下偏差值大于接通电流有效值。例如，对于符合GB14048.2标准的断路器，由于瞬时保护整定值（或磁脱扣电流值）Irm的误差范围为±20%，更保守的整定是0.8Irm要大于接通电流有效值；对于符合GB10963.1家用微断标准的D型断路器（只用作电动机短路保护时），磁脱扣电流的下限值10In要大于接通电流有效值，这样断路器瞬时保护在电动机起动过程中才不会误动作。
电动机保护断路器的瞬时脱扣电流值如何整定（下）
宾昭平
二、电动机接通电流峰值与起动电流的关系
实际应用中，电动机的接通电流峰值如果不是实际测量就无法获取准确的数据，这给设计阶段断路器瞬时保护整定带来不便，但电动机厂家会提供额定电流和起动电流参数，所以设计规范里常常以起动电流为基准，选取一定的系数再整定断路器瞬时保护电流值。如图3为ABB M2BAX型电机参数，Ix为电动机额定电流，Is/Ix就是起动电流与额定电流的比值，一般情况下比值范围为4.8~8之间，对于IE3高效电机，其起动电流倍数会增加13.5%左右。
GB/T21210-2016单速三相笼型感应电动机起动性能中对接通电流峰值和起动电流之间的关系做了归纳总结：电动机接通电流时会有一个0.5周的不对称瞬时峰值电流，为稳态值（起动电流稳态值--笔者注）的1.8倍~2.8倍，此电流的峰值与衰减时间与电动机的设计及合闸相角成函数关系。这说明当我们已知某电动机的起动电流参数时，可估算其接通电流峰值为1.8~2.8倍起动电流，如果换算成接通电流有效值则约为1.3～2倍起动电流。
GB50055-2011通用用电设备配电设计规范中，用于电动机短路保护的断路器，其瞬时过电流保护整定值应取电动机起动周期分量最大有效值的2~2.5倍，也是考虑到电动机起动电流的第一个半波的有效值通常不超过其周期分量有效值的2倍，个别可达2.3倍。由于瞬时过电流脱扣器动作与断路器固有分断时间无关，例如施耐德Micrologic 1.3M电动机保护型脱扣器（如图4），其瞬时保护的非脱扣时间为0，即只要电动机接通电流有效值（或故障电流）达到瞬时保护整定值就会动作，最大分断时间不会超过30毫秒，所以瞬时保护整定值应躲过电动机起动电流第一半波的有效值（即接通电流有效值-笔者注），或采用短延时保护躲过接通电流。
施耐德技术资料Complementary technical information 2019从断路器保护的角度用图形直观地展示电动机接通电流峰值与断路器瞬时保护整定值之间的关系，如图5所示，In为电动机额定电流；Id为电动机起动电流（有效值），一般为电动机额定电流的5.8~8.6倍；Id"为电动机接通电流峰值（峰值），为起动电流的2~2.5倍，这一倍数范围与GB/T21210-2016里相近（注：GB/T21210-2016里接通电流峰值为1.8~2.8倍起动电流）；Irm为断路器瞬时保护整定值（有效值），误差范围±20%。
对于普通电动机，接通电流峰值与起动电流的比值范围为2~2.1，对于高效电动机，比值范围为2.2~2.5，如表1所示。如果转换成接通电流有效值与起动电流的比值，两种电机取值范围为1.414~1.76，参考GB 50055-2011的整定原则，瞬时保护整定值取2倍起动电流值，可以躲过电动机起动瞬间的接通电流。
如果我们将上述设计手册和标准中接通电流峰值（或有效值）与起动电流有效值之间的关系归纳到表2，就可以发现断路器瞬时保护整定值按GB50055-2011的要求取2~2.5倍起动电流时，可以躲过电动机接通电流，避免瞬时保护误动作。
三、结语
通过前面的分析，我们可以得到以下2个结论：
1.已知电动机接通电流峰值，由于断路器瞬时保护整定值是以电流有效值表达，所以需要将接通电流峰值转化为接通电流有效值，再与断路器瞬时保护整定值进行比较，以避免起动过程断路器瞬时保护误动作，比较保守的方式是断路器瞬时保护下偏差的电流值大于电动机接通电流有效值，但弊端是降低短路保护灵敏度，适用于在用户现场分析和解决断路器瞬时保护误动作故障。
2.已知电动机起动电流，参考GB50055-2011规范中的原则，将断路器瞬时保护电流值整定为2~2.5倍电动机起动电流，适用于设计初期断路器瞬时保护电流值的选择。
参考文献
[1]中国航空规划设计研究院总院有限公司.工业与民用供配电设计手册第3版[M].北京：中国电力出版社，2005
[2]中国航空规划设计研究院总院有限公司.工业与民用供配电设计手册第4版[M].北京：中国电力出版社，2016
[3]低压开关电器和开关设备手册选用准则与设计指南[M].机械工业出版社，1999
[4]上海电器科学研究所.电动机启动电流值测量的试验报告[]].低压电器技术情报，1971.
[5] ABB solutions for starting and protecting IE3 motors [M]. 2015
[6]施耐德电气.Tesys D系列电动机启动与保护产品目录[M].2016.
[7] ABB Low voltage General performance cast iron motors for Asian markets [M]. 2019.
[8]GBT21210-2016单速三相笼型感应电动机起动性能[S].2016
[9]GB50055-2011通用用电设备配电设计规范[S].2011
[10]施耐德电气.Complementary technical information [M].2019.
|
