起重電機專業生產廠家無錫宏達2022年5月27日訊 在低壓電動機回路中，電動機保護型斷路器常用作過載和短路保護元器件，對于過載保護其特性與熱繼電器反時限特性要求一樣，斷路器在電動機起動電流下的脫扣時間要大于電動機起動時間，以避免起動過程中過載保護誤動作。對于短路保護，一方面瞬時保護整定值要滿足短路保護靈敏度的要求，整定值不能設定太高；另一方面瞬時保護整定值要躲過電動機起動瞬間出現在第一個半波的接通電流峰值，整定值不能設定太低，這與保護靈敏度的要求是相互矛盾的。
由于斷路器瞬時保護整定值一般有±20%的誤差范圍，電動機接通電流峰值與額定電流以及起動電流之間的關系在設計手冊或規范里一般以經驗倍數呈現。如何確定斷路器瞬時保護整定值與電動機起動時接通電流之間的關系，以及如何分析電動機起動過程中斷路器瞬時保護誤動作的原因，是本文的主要目的。希望通過本文的討論，為電動機保護設計和現場故障處理提供參考。
一、電動機接通電流峰值與額定電流的關系
《工業與民用配電設計手冊》第三版簡述了籠式三相電動機的起動特性，起動過程中電動機的電流是隨著轉速變化。接通后的暫態過程與短路類似，首先出現一個沖擊電流（接通電流一筆者注），峰值發生在第一個半波，在第二、三周波內急劇衰減。在隨后的絕大部分起動時間內，電流相對穩定，但隨著轉速的升高而略有下降。在接近額定轉速時，電流迅速下降；起動結束時，降至電動機額定電流或更低。接通電流峰值（最大值）是指包括周期分量和非周期分量的全電流瞬時最大值，其大小取決于接通瞬間的相位和起動回路電阻與電抗比值。上海電器科學研究所曾對52臺電動機做過現場實測，起動時第一個半波全電流有效值一般不超過起動電流的2倍，個別可達2.3倍。通常，接通電流峰值可取起動電流的2√2倍。
《工業與民用配電設計手冊》第四版對電動機接通電流峰值的描述與第三版有所不同，接通電流峰值：是指包括周期分量和非周期分量的全電流最大值。這一數值的大小決定于接通瞬間的相位和啟動回路電阻和電抗的比值。關于接通電流峰值與啟動電流（第四版為堵轉電流，籠式電動機的啟動電流應取其堵轉電流。）的比值與第三版也不同，接通電流峰值一般不超過堵轉電流的2倍，個別可達到2.3倍。
西門子技術出版物《低壓開關電器和開關設備手冊選用準則與設計指南》對籠式電動機接通電流峰值（最大值）與起動電流（有效值）的關系和《工業與民用配電設計手冊》第三版相同，接通電流峰值（最大值）等于起動電流的2√2倍，起動電流（有效值）等于（4~8.4）倍電動機額定電流。
發表于1971年《低壓電器技術情報》期刊上的《電動機啟動電流值測量的試驗報告》記錄了上海電器科學研究所對52臺電動機的測試數據和分析過程，其中結論之一如下：電動機在實際使用過程中，其直接啟動電流的第一個峰值是額定電流峰值的8倍以下為少數、8～12倍占據大多數，個別電動機的啟動電流的第一個峰值是其額定電流峰值的13倍以上。電動機起動過程中接通電流峰值Inrush current(Peak)、接通電流有效值Inrush current(RMS)、起動電流Starting current RMS）、額定電流Motor rated current（RMS）波形如圖1所示，依據《電動機啟動電流值測量的試驗報告》中的結論可以得到：接通電流有效值Inrush current(RMS)與額定電流motor rated current（RMS）之間的比值8倍以下為少數、8~12倍占據大多數，最大可能到13倍以上。
《電動機啟動電流值測量的試驗報告》中的結論也解釋了我們平常所說的電動機保護型斷路器的瞬時保護整定電流值（或磁脫扣電流值）大多數不超過額定電流的14倍，甚至當我們用D型家用微斷用作電動機短路保護元器件時，也很少出現起動過程中斷路器誤動作的現象，這是因為D型家用微斷的磁脫扣電流范圍為10In~14In，當過電流低于10In時，斷路器磁脫扣一定不動作（此時熱脫扣保護動作），當過電流大于14In時，斷路器磁脫扣一定動作，當過電流介于10In與14In之間時，斷路器有可能磁脫扣也有可能熱脫扣。由于電動機接通電流有效值與額定電流比值大多數介于8~12倍之間，少數低于8倍或高于13倍，所以普通D型家用微斷有時候能躲過電動機起動瞬間的接通電流，只有當出現誤動作時，才需要進一步分析電動機的接通電流值是否接近或超過了D型微斷磁脫扣的上限值14In。
以實際產品為例。如圖2，GV2ME32C電動機保護型斷路器其磁脫扣電流為416A，誤差范圍±20%，這表示當過電流低于磁脫扣電流下偏差即332.8A時，斷路器磁脫扣一定不會動作（此時熱脫扣保護動作），當過電流大于磁脫扣電流上偏差即499.2A時，斷路器磁脫扣一定動作，當過電流介于332.8A與499.2A之間時，斷路器有可能磁脫扣也有可能熱脫扣。GV2ME32C的熱脫扣設定范圍為24~32A，它可以為額定電流為24~32A之間的電動機提供過載保護，磁脫扣電流與熱脫扣整定電流的比值最小為416/32=13，最大值約為17.3，參考《電動機啟動電流值測量的試驗報告》中的結論，可以躲過大多數電動機起動瞬間的接通電流。
斷路器的瞬時保護電流整定值一般以有效值表達，當電動機起動瞬間出現在第一個半波的的接通電流峰值已知時（例如用示波器實測），要整定斷路器瞬時保護電流值或判斷電動機起動過程中斷路器瞬時保護是否會誤動作，就需要將實測的接通電流峰值除以轉換為接通電流有效值，再與瞬時保護整定值（有效值）進行比較，同時需要考慮整定電流誤差范圍的影響，最保守的整定方案是瞬時保護整定電流下偏差值大于接通電流有效值。例如，對于符合GB14048.2標準的斷路器，由于瞬時保護整定值（或磁脫扣電流值）Irm的誤差范圍為±20%，更保守的整定是0.8Irm要大于接通電流有效值；對于符合GB10963.1家用微斷標準的D型斷路器（只用作電動機短路保護時），磁脫扣電流的下限值10In要大于接通電流有效值，這樣斷路器瞬時保護在電動機起動過程中才不會誤動作。
電動機保護斷路器的瞬時脫扣電流值如何整定（下）
賓昭平
二、電動機接通電流峰值與起動電流的關系
實際應用中，電動機的接通電流峰值如果不是實際測量就無法獲取準確的數據，這給設計階段斷路器瞬時保護整定帶來不便，但電動機廠家會提供額定電流和起動電流參數，所以設計規范里常常以起動電流為基準，選取一定的系數再整定斷路器瞬時保護電流值。如圖3為ABB M2BAX型電機參數，Ix為電動機額定電流，Is/Ix就是起動電流與額定電流的比值，一般情況下比值范圍為4.8~8之間，對于IE3高效電機，其起動電流倍數會增加13.5%左右。
GB/T21210-2016單速三相籠型感應電動機起動性能中對接通電流峰值和起動電流之間的關系做了歸納總結：電動機接通電流時會有一個0.5周的不對稱瞬時峰值電流，為穩態值（起動電流穩態值--筆者注）的1.8倍~2.8倍，此電流的峰值與衰減時間與電動機的設計及合閘相角成函數關系。這說明當我們已知某電動機的起動電流參數時，可估算其接通電流峰值為1.8~2.8倍起動電流，如果換算成接通電流有效值則約為1.3～2倍起動電流。
GB50055-2011通用用電設備配電設計規范中，用于電動機短路保護的斷路器，其瞬時過電流保護整定值應取電動機起動周期分量最大有效值的2~2.5倍，也是考慮到電動機起動電流的第一個半波的有效值通常不超過其周期分量有效值的2倍，個別可達2.3倍。由于瞬時過電流脫扣器動作與斷路器固有分斷時間無關，例如施耐德Micrologic 1.3M電動機保護型脫扣器（如圖4），其瞬時保護的非脫扣時間為0，即只要電動機接通電流有效值（或故障電流）達到瞬時保護整定值就會動作，最大分斷時間不會超過30毫秒，所以瞬時保護整定值應躲過電動機起動電流第一半波的有效值（即接通電流有效值-筆者注），或采用短延時保護躲過接通電流。
施耐德技術資料Complementary technical information 2019從斷路器保護的角度用圖形直觀地展示電動機接通電流峰值與斷路器瞬時保護整定值之間的關系，如圖5所示，In為電動機額定電流；Id為電動機起動電流（有效值），一般為電動機額定電流的5.8~8.6倍；Id"為電動機接通電流峰值（峰值），為起動電流的2~2.5倍，這一倍數范圍與GB/T21210-2016里相近（注：GB/T21210-2016里接通電流峰值為1.8~2.8倍起動電流）；Irm為斷路器瞬時保護整定值（有效值），誤差范圍±20%。
對于普通電動機，接通電流峰值與起動電流的比值范圍為2~2.1，對于高效電動機，比值范圍為2.2~2.5，如表1所示。如果轉換成接通電流有效值與起動電流的比值，兩種電機取值范圍為1.414~1.76，參考GB 50055-2011的整定原則，瞬時保護整定值取2倍起動電流值，可以躲過電動機起動瞬間的接通電流。
如果我們將上述設計手冊和標準中接通電流峰值（或有效值）與起動電流有效值之間的關系歸納到表2，就可以發現斷路器瞬時保護整定值按GB50055-2011的要求取2~2.5倍起動電流時，可以躲過電動機接通電流，避免瞬時保護誤動作。
三、結語
通過前面的分析，我們可以得到以下2個結論：
1.已知電動機接通電流峰值，由于斷路器瞬時保護整定值是以電流有效值表達，所以需要將接通電流峰值轉化為接通電流有效值，再與斷路器瞬時保護整定值進行比較，以避免起動過程斷路器瞬時保護誤動作，比較保守的方式是斷路器瞬時保護下偏差的電流值大于電動機接通電流有效值，但弊端是降低短路保護靈敏度，適用于在用戶現場分析和解決斷路器瞬時保護誤動作故障。
2.已知電動機起動電流，參考GB50055-2011規范中的原則，將斷路器瞬時保護電流值整定為2~2.5倍電動機起動電流，適用于設計初期斷路器瞬時保護電流值的選擇。
參考文獻
[1]中國航空規劃設計研究院總院有限公司.工業與民用供配電設計手冊第3版[M].北京：中國電力出版社，2005
[2]中國航空規劃設計研究院總院有限公司.工業與民用供配電設計手冊第4版[M].北京：中國電力出版社，2016
[3]低壓開關電器和開關設備手冊選用準則與設計指南[M].機械工業出版社，1999
[4]上海電器科學研究所.電動機啟動電流值測量的試驗報告[]].低壓電器技術情報，1971.
[5] ABB solutions for starting and protecting IE3 motors [M]. 2015
[6]施耐德電氣.Tesys D系列電動機啟動與保護產品目錄[M].2016.
[7] ABB Low voltage General performance cast iron motors for Asian markets [M]. 2019.
[8]GBT21210-2016單速三相籠型感應電動機起動性能[S].2016
[9]GB50055-2011通用用電設備配電設計規范[S].2011
[10]施耐德電氣.Complementary technical information [M].2019.
|
