异步电动机热过负荷保护的算法与应用

Ｓｈｅｊｉ　ｙｕ　Ｆｅｎｘｉ！　量坌塑ｌ　异步电动机热过负荷保护的算法与应用　朱昕　（湖南省浏阳市株树桥水库管理局，湖南浏阳４１０３００）　摘要：热过负荷保护是电动机在启动和运行过程中不可缺少的主保护，它能在电动机损害前检测出故障并发出报警信号或跳闸。现阐述　了热过负荷的原因及热过负荷保护的发展历史，并根据电动机发热特性盐线，参照国外先进保护，提出了一种比较接近电动机放热曲线的热过　负荷反时限保护计算方法，可使电动机在过负荷、启动失败、不平衡电压、堵转等情况Ｆ得到很好的保护，提高了保护的速动性、可靠性、选择性　和灵敏性。　关键词：热过负荷保护；启动；堵转；不平衡；热时问常数　０　弓ｌ言　电动机的设计制造有关。为方便研究电动机的温升情况，给出模拟　随着电动机的功率越来越大，对电动机保护的要求也越来越　电动机的温升模型，如图１所示。　严格。现在，先进的微机型综合保护能提供过流（包括短路）保护、　热过负荷保护、电动机启动监视及启动次数保护、低电压保护、负　序保护、高阻抗差动保护或磁平衡保护、接地保护（包括无方向或　方向接地保护、灵敏方向接地保护等）。其中，微机型热过负荷保护　图１　热均质体发热和散热模型　一由于能对电动机发热和散热进行合理的数学模拟计算，越来越受　方面，电机的热容量与电机的电流平方成正比而增加；另一方　到用户的重视。　面，由于散热，温度成比例下降。发热量减去散热量，剩余的热量将存　微机型热过负荷保护基于对电动机发热和散热的合理模拟，　储在电机的各部件中。存储的热量与电动机的温升成比例。据此，我　利用发热时间常数和散热时间常数（一般由制造厂家提供），结合　们为计算电动机温度给出了一个简单的模拟电路，如图２所示。　电机的工作电流来判断电动机的运行状态（启动、堵转、不平衡电　压、缺相、反相等）；同时，结合电动机实际电流、环境温度与电动机　闸　实际温度的关系，来计算电动机运行过程中的温升情况，以确定电　机温升是否超过用户设定值，从而监视电动机的整个运行状态。　现今，大型异步电动机转子过热是一个突出的问题，因此大多　数电动机都配有不平衡电压保护，过负荷、缺相时的热过负荷保护　等。根据ＮＥＣ标准，三相电动机的ｊ相都应有热过负荷保护。　图２　电动机发热和散热电气模拟图　１热过负荷的原因　图２中，能流是按比例地给电容器充电；电容器模拟存储的热容　量；电阻模拟热损失（散热）；由于充电，电容器就有电压，可以用来模　导致热过负荷的不正常工状包括：过负荷、堵转、启动失败、过　拟电动机的温度或温升。故图２可以用电压的特征方程表示如下：　高的环境温度、电动机通风散热条件限制、减速运行、频繁启动或　点动、供电电压或频率过高或过低、驱动负荷与电动机额定功率不　（ｆ）＝，（￡）×Ｒｘ（１一ｅ　）＋，０ｘＲ×ｅ　（１）　匹配、不正确安装、不平衡电压或缺相。电流互感器通常不能检测　式中，Ｕ（＃）为电源电压；，（ｆ）为电流；Ｒ为电阻；ｔ为时间：７为电动　到上述的某个或某些不正常工况，如通风限制。单个的温度传感器　机热时间常数，由电容器和电阻决定；，０为初始电流。　不能反映电动机特殊工况下的发热情况，如频繁启动或点动时。　根据式（１），可以推导出温度与时间变化的关系式：　国标中提到的慢变化热过载可能的原因有：（１）由于通风管上　△　０）＝△　（　）（１一ｅ　）＋△　（２）　堆积灰尘过多、绕组或机座冷却等部件上附着污垢等原因引起的　式中，Ａ０（　）为时问相关的温度变化；ＡＯ　）为热能相关的温度变　通风或通风系统失效：（２）环境温度或冷却介质温度过高；（３）缓慢　化；Ｅ为电动机产生的热能；△　为初始温度差。　增加的机械过载；（４）电机电压长期欠压、过压或不平衡：（５）断续　又可以得出发热时间与温度的关系式：　工作制电机违反其规定的工作方式运行；（６）频率偏差。　：　国标中提到的快变化热过载可能的原因有：（１）电机堵转；（２）　…　ＡＯ（Ｅ）２　Ａ０（ｆ）。　　（～…　３）　断相；（３）非正常状态下启动，如惯量过大、电压太低、负载转矩异　既然电动机的温升是由于电动机存储的热容量导致的，而热　常大；（４）负载突然大幅度增加；（５）短时间内重复启动。　容量又与电机电流的平方成比例关系，所以式（３）可以转化为：　２热过负荷保护发展历史　ｆ，＿＼Ｌ　００－０￣　（１）热过负荷继电器和双金属温度计的结合使用，双金属温度　ｆ：　一—　（４）　／　＼三一　一　计接到ＣＴ的二次侧，这种方式能根据电动机的电流大小来检测　＼厶Ｊ　０．－０￣　热过负荷情况；（２）安装在电动机内部的ＲＴＤ元件结合温度继电　式中，，为电动机实际电流；厶为电动机铭牌电流或额定电流；　为　器来判断热过负荷情况：（３）通过在电动机引出线上增加ＲＣ定时　初始温度；　为环境温度（参考变量）；　为额定温度（长期额定负　回路并由ＣＴ提供电源，或ＲＣ定时回路结合ＲＴＤ传感器的方法　载下）；　为某一时间内电动机的温度。　来检测热过负荷情况；（４）ＴＯＣ继电器（时间过电流继电器）：（５）　应用标准ＤＩＮ１，式（４）可以描述成：　基于微机处理器的模拟电动机发热特性的保护方式。　Ｆ　，ｎ　３热过负荷保护的模拟　式中，　为过负荷常数，可以用来设定温度以测量热容量，取值范　电动机在启动和运行过程中都会产生热量，该热量的积累与　围是１～１．２。　机电信息２０１１年第ｌ８期总第３００期１７５　塑　ｓｈ　ｅｊｉ　ｙｕ　Ｆｅｎｘ；　所以，式（４）可以转化为：　ｆ　＼　ｆ　１：　电机型号：鼠笼型、水冷却；功率：１　Ｏ０ｏ　ｋｗ；额定电压：６　ｋＶ：　额定电流：ｌ１７　Ａ：环境温度：４Ｏ℃；绝缘等级：Ｆ级；温升等级：Ｂ　研，Ⅱ　—㈥　　其中：　（６）　转矩：１．７倍；空载电流：３２　Ａ：额定转矩：１２　８９６　Ｎ・ｍ；电机启动时　间：１．５　ｓ（１００％额定电压）和３　Ｓ（８０％额定电压）；最大堵转时间：２１　级；转速：７４０　ｒ／ｍｉｎ；启动电流倍数：４＿３倍；启动转矩：０．６倍：最大　、／器　４有关热容量的补充描述　（７）　Ｓ（热态）和３４　Ｓ（冷态）；启动次数：冷启动３次／ｈ，热启动２次／ｈ。　根据以上参数，设置报警温度为１２０℃，跳闸温度为１３０℃，　　式中，根号内的分母表示正常运行时电机的热容量积累，根号内的　环境温度为４０℃。故根据式（７）可得，Ｋ＝Ｉ．１３４。再运用式（６），可计算出为４７０　ｓ。　分子表示保护跳闸或容许时间。　通过现场对继电器的热过负荷校验，可以得到如图４所示曲　线。该曲线综合了电动机的启动监视曲线、堵转保护曲线、１００％额　通过热容量来模拟电动机的发热状况。热容量的热来源与最　定电压时电动机的启动曲线和８０％额定电压下的启动曲线。　大三相电流的平方成正比，其下降与发热率有关。１００％的热容量　表示电动机已达到最大允许温度　当电动机停止后，经过一段时间　热容量变为０，这时的状态称为冷态。电动机启动或正在运行时，　ｌ００００　：　｝　。　它的温度是不断增加的。当电动机的实际电流达到满负荷额定电　流时，电动机处于热状态，温度达到额定最高温度。只要运行中的　电动机所带负载不超过额定负载（电动机的运行电流不超过１０５％　１　０００　～ｌ　１００　０　∞　的额定电流），热容量就不会达到１００％，电动机也不会因过负荷而　跳闸。如果电动机的运行电流超过了过负荷设定的电流，热容量将　达到１００％，热过负荷继电器会发出报警信号或跳闸命令。通常，电　动机的冷却时间比发热时间要长，冷却时间由制造厂提供，它决定　了冷却率。　厘　。　’＼　　—　　●　＼７　’’　．　！　曾１０　，－　　！耔　１　兰　Ｌ　｝　ｔ　：：　～　＿Ｉ　ｌ　－．土　～　：’－　～－・．ｊ　¨＿～　ｔ　ｎ…１　．　５多功能综合保护和微机保护中的热保护　热保护是多功能综合保护或微机保护的一个基本方面，它在　ＲＴＤ热继电器的基础上得到了进一步发展，基于电动机转子和定　１　１．５　２　２．５　３　３．５　４　４．５　５　５．５　６　６．５　７　电流（ｘｈＤ　ｌ一＿＃自　＊　—　目　…　自　自自　１——　ｎ自　ｔ—　目　Ｉｏ咻　…　一Ｈ月・ｔｔ螂％　一－　“　＃　子的热特性，利用正序和负序电流在电动机中发热模拟，更好地保　护电动机。多功能综合保护或微机保护的先进性在于能测量特定　图４　ＲＥＦ５４２＋多功能综合继电器电动机保护动作曲线　７结语　状态下电动机总的电气、机械和热特性变量，从而获得更为准确的　保护方案。　根据本文分析及电动机厂家提供的电机参数和发热极限曲　通常，在电机启动和运行中，多功能综合保护或微机保护能够　测量到电动机的电流、电压、定子温度和电机速度或转差率。　６实例　线，合理设置报警温度和跳闸温度及时间，热过负荷保护可以替代　反时限过负荷保护，精确地模拟电动机的运转特性和发热特性，灵　敏地反映电动机启动失败、堵转、不平衡电压和过载等故障，配合　过流、低电压、负序、接地等保护，在故障导致电机损害前发现问　保障电动机的安全运行。尹　现以ＡＢＢ继电器ＲＥＦ５４２＋为例来说明热过负荷保护的原　题，理。电动机厂家提供的电动机时间一电流和放热极限曲线如图３　所示，并给出了电动机的相关参数。　１０　［参考文献］　［１］张浩，迟长春．基于热积累的电动机过载保护数学模型．江苏电　器，２００８（１１）　Ｌ２ｊ　ＩＥＥＥ　Ｃ３７．９６－－２０００　ＩＥＥＥ　Ｇｕｉｄｅ　ｆｏｒ　ＡＣ　Ｍｏｔｏｒ　Ｐｒｏｔｅｃｔｉｏｎ　［３］迟长春，李奎，岳大为．电动机过载保护算法．低压电器，２００７（５）　［４］ＧＢ１３００２－－２００８旋转电机热保护　Ｌ５］ＩＥＣ６０２５５．８—１９９Ｏ　Ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌ　Ｒｅｌａｙｓ　［６］卢庆港，袁荣科．电动机热模型保护的整定计算．电工电气，２００９（２）　［７］祖伟，刘友翔，张莉．电动机热过载保护及其微机实现．合肥工业　大学学报（自然科学版），１９９７（２）　［８］高强，徐殿国．异步电动机微机保护装置的设计与实现．冶金自动　化，２００４，２８（１）　［９］ＡＢＢ　ＲＥＦ５４２＋保护手册　３　定子电流／额定电流　收稿日期：２０１１－０５—１０　作者简介：朱昕（１９７３一），男，湖南浏阳人，工程师，研究方向：电　图３时间一电流和放热极限曲线　１７６　气保护。