電動機熱過載保護研究

陸征軍，王紅青，趙華軍,趙希才

(1.南京南瑞繼保電氣有限公司，江蘇南京211102；2.華東電力試驗研究院有限公司，上海200437；3.安徽開發礦業有限公司，安徽六安237400)

國際電工委員會正在制定IEC60255-149電熱繼電器的功能要求以取代原來的IEC60255-8—1990[1]（轉化后的國家標準為GB/T14598.15—1998電氣繼電器第8部分：電熱繼電器[2]），其中重點考慮的正是電動機熱過載保護。與此同時，電力行業標準DL/T744—2001微機電動機綜合保護裝置通用技術條件[3]也正在修訂當中。因此有必要對電動機熱過載機理和熱過載保護的構成、整定和試驗進行總結，以便更好地保護電動機免受熱過載的危害。

1 可能導致電動機熱過載的運行工況

在電機上電起動階段，可能由于電動機所帶動的負荷過大或其他原因致使電動機不能轉動，即發生堵轉。在加速階段，如果在某些轉速下加速轉矩低于臨界轉速，電動機可能長時間運行在低速上而不能達到額定速度。此時電流仍大于穩態額定電流，持續時間過長可能導致熱過載。在穩定運行階段，額定轉速附近電動機拖動的負荷增大可能導致出現持續過載，甚至發生堵轉。本文重點討論穩定運行時的持續過載。

2 電動機熱過載模型

熱過載發生時，對電動機產生危害的決定因素是絕對溫度，溫度過高會使絕緣老化，縮短電動機壽命，甚至導致絕緣破壞。可以通過測量電動機的電流間接地監視繞組和轉子的發熱情況。

電動機的溫度θEquipment（t）取決于環境溫度θAmbient和溫升Δθ（t）：

電動機的溫升Δθ（t）由發熱功率PHeat和散熱功率PDiss共同決定：

式中：m為電動機質量；cth為比熱；Cth=m·cth，為電動機熱容量。

PHeat即由流過定子繞組的電流在繞組電阻上產生的熱量：

式中：r為定子繞組電阻；Ieq為考慮負序電流的影響而計算出的等值電流。其中Ieq為：

或者為：

式中：I1為正序電流；Irms為電流有效值；I2為負序電流；q為負序電流熱效應系數，可取3[4]。

PDiss與溫升Δθ（t）、熱阻Rth有關：

將式（3）、式（6）代入式（2），可得：

整理后，得到：

式中：τth=Rth·Cth，為熱時間常數。

設電動機最大允許溫升為Δθmax，對應最大允許連續運行電流為Ieq-max，則達到熱平衡狀態時：

用式（9）對式（8）進行歸一化處理，并令H（t）=

則有：

式（11）中：H0為初始值。當t≥5·τth時：

若Ieq-pu≤1，則當達到熱平衡狀態時，取t→∞，由式（11）可得：

若Ieq-pu＞1，則當H（t）=1時，溫升達到Δθmax，保護跳閘，所需時間可通過求解式（11）得到：

當電動機停止工作后，將逐步冷卻：

注意到式（15）中的時間常數是不一樣的。因為電動機堵轉、靜止時，熱量通過傳導和輻射耗散；加速時，熱量通過傳導和對流耗散；穩定運行時，主要靠對流耗散。顯然，靜止時的散熱時間常數要長于穩定運行時。令τth2=k·τth[4]，k可取1.5～4.5，視環境定。

3 電動機熱過載保護的實現

為應對電動機的堵轉、加速時間過長，電動機保護需要配置堵轉保護、啟動時間過長保護。這些保護一般由定時限過電流保護構成，當實際電流超過設定電流并達到整定延時，動作于出口跳閘[5]。而穩定運行階段的熱過載，則需要在考慮電動機熱模型的基礎上設計保護方案[6]。

3.1 算法的實現

熱過載保護可以采用遞歸算法。設微機繼電保護裝置每隔T時間處理一次數據且T＜＜τth，T＜＜τth2，分別對式（11）、式（15）離散化處理后，得到：

當H（0）=1時，熱過載保護動作。

3.2 冷態特性和熱態特性

當熱過載發生之前電動機處于無負荷電流的狀態時，H0=0；當熱過載發生之前電動機有穩態負荷電流且達到平衡態，則根據式（13）

一個特殊情況是，當電動機正常運行時，繼電保護裝置自身因故退出運行一段時間后又投入運行。若裝置短時間退出（例如裝置復位），應記憶保護裝置退出運行前5·τth數據窗的計算值作為重新投入運行時的H0；若裝置長時間退出，則將重新投入運行時刻的計算值作為H0。繼電保護裝置宜支持這一功能。

3.3 環境溫度采集

熱過載發生時，對電動機產生危害的決定因素是絕對溫度。上文中的公式推導中，計算的結果是溫升，環境溫度缺省為40℃。如果能夠采集環境溫度，則可以更精確地計算電動機的發熱情況。這可以通過對Ieq進行修正來實現，例如[5]：

3.4 實例

以南瑞繼保RCS-964X系列電動機保護測控裝置為例，其熱過載保護的動作方程為：

式中：Ieq為等值發熱電流；k1，k2為系數；I1，I2分別為正序和負序電流；Ie為電動機額定電流；t為持續時間；τ為電動機熱積累定值（即發熱時間常數）。k1取1，但在電動機啟動階段（根據電動機啟動時間定值判斷）自動取0.5，以防止電動機正常啟動過程中熱過載保護誤起動；k2用于模擬負序電流的增強發熱效應，可取3～10。

裝置設有告警段，當電動機熱積累定值達到一定水平時，可以先發出告警信號，提醒運行人員盡快采取措施。告警水平可在30%～100%范圍內整定，建議取80%。

熱過載保護動作跳閘后，要等到電動機散熱到允許啟動的溫度時，才能再啟動。散熱時間常數可整定為1～5倍的發熱時間常數。裝置設有熱復歸開入，在需要緊急啟動的情況下，可通過熱復歸開入強制將熱模型恢復到“冷態”。

4 整定計算

4.1 整定計算

熱過載保護的特性由2個參數決定：最大允許連續運行電流Imax和時間常數τth，τth2。

其中，IB可取電動機額定電流；系數k可取1.1～1.2。

如果電動機生產廠家依照IEEE 620[7]提供了熱臨界曲線，則可以參考文獻[4]通過曲線擬合確定合適的時間常數。這樣可以最大限度地發揮電動機的過載能力，避免不必要的跳閘。

如果無法取得熱臨界曲線，時間常數τth可以根據電動機1s允許電流I1s或者6倍額定電流跳閘時間t6IB[4]計算：

4.2 與普通反時限電流保護比較

國內電動機保護，長期以來大多采用以反時限過流為主的組合保護，以極端反時限為例，其特性方程為：

根據式（5）和式（20），電動機正常運行時H0=系數k取1.15，代入熱過載保護的特性方程式（14）并做冪級數展開，可以得到：

式（23）與（24）形式一致，反時限電流整定值Ip與等值電流Ieq對應，反時限時間整定值τp與熱時間常數τth對應。

分析式（23）與式（24），熱過載保護根據電動機的物理模型進行設計，考慮到負序的發熱效應，能夠在電流不平衡時快速動作。另外，由于反時限保護長時間運行積累了成熟的經驗整定值，時間常數τth也可根據以往反時限保護的整定經驗，定量推導得出。

熱過載保護利用熱模型進行發熱散熱計算，更加真實有效地反映了電動機的發熱情況，在保護電動機免受熱過載危害的同時能夠充分、合理地利用電動機的過載能力。對于負荷波動大的電動機，熱模型能夠忠實地跟蹤記錄每次負荷波動時的發熱情況并且進行累計，一旦熱累積超過允許值熱過載保護就發出跳閘命令；而常規反時限保護在負荷波動較大的情況下，可能會頻繁地啟動和返回，不能有效地保護電動機免受熱過載的危害。

5 現場試驗

5.1 現場試驗

依據式（14），并令H0=0，可以畫出電動機冷態特性曲線，即電流-動作時間曲線。

每次試驗前，強制繼電保護裝置的H0=0以模擬電動機冷態狀態；如果繼電保護裝置不具有強置H0的功能，則應將τth2設置成最短，并在每次試驗前將繼電保護裝置靜置一段時間（大于5·τth2），以模擬電動機的冷卻過程。

分別向繼電保護裝置輸入1.2IB，1.6IB，2.0IB，5.0IB，10.0IB的電流，記錄繼電保護的動作時間，并與冷態特性曲線進行比較，得到動作時間誤差。該誤差不宜超過理論計算值的±5%或±100ms（取兩者中的大值）。

以安裝于某礦業公司的RCS-964X系列電動機保護測控裝置為例。其定值為：Ie=0.4In（In為互感器二次額定電流）；電動機啟動時間為0；τ=15 min；k2=6。每次試驗過后，通過熱復歸開入強制將熱模型恢復到“冷態”。其試驗結果如表1所示，誤差在允許范圍內。

表1 試驗結果

4.3 運行

正如前文所述，假如在電動機正常運行時，繼電保護裝置自身因故退出運行一段時間后再次投入運行時，若裝置短時間退出（例如裝置復位），應記憶保護裝置退出運行前5·τth數據窗的計算值作為重新投入運行時的H0；若裝置長時間退出，則將重新投入運行時刻的計算值作為H0，以防止繼電保護裝置誤動作或者拒動。

6 結束語

微機電動機保護裝置已經配置了比較完備的熱過載保護。為了更好地利用電動機的過載能力同時保護電動機免受熱過載的危害，應按照電動機的實際特性進行繼電保護整定，通過現場試驗考察其精度，在運行過程中也要注意繼電保護裝置對熱積累的記憶功能。

[1] IEC60255-8—1990,Electrical relays-Part 8：Thermal electrical relays[S].

[2] GB/T14598.15—1998，電氣繼電器第8部分：電熱繼電器[S].

[3] DL/T744—2001，微機電動機綜合保護裝置通用技術條件[S].

[4] 盧慶港，解中秀.異步電動機熱模型保護應用[J].電力系統保護與控制，2009，37（8）：107-113.

[5] AREVA MiCOM P241,P242&P243 Rotating Machine Protection Relay Technical Manual[G].2008.

[6] 陸海峰，王石剛，曹家勇.變頻器中電動機過載保護的算法及其實現[J].工礦自動化，2008（4）：33-35.

[7] IEEE Std 620—1996,IEEE Guide for the Presentation of Thermal Limit Curves for Squirrel Cage Induction Machines[S].