電動機熱過載保護(hù)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(fā)礦業(yè)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(zhuǎn)化后的國家標(biāo)準(zhǔn)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(hù)。與此同時，電力行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)DL/T744—2001微機電動機綜合保護(hù)裝置通用技術(shù)條件[3]也正在修訂當(dāng)中。因此有必要對電動機熱過載機理和熱過載保護(hù)的構(gòu)成、整定和試驗進(jìn)行總結(jié)，以便更好地保護(hù)電動機免受熱過載的危害。

1 可能導(dǎo)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(fù)荷過大或其他原因致使電動機不能轉(zhuǎn)動，即發(fā)生堵轉(zhuǎn)。在加速階段，如果在某些轉(zhuǎn)速下加速轉(zhuǎn)矩低于臨界轉(zhuǎn)速，電動機可能長時間運行在低速上而不能達(dá)到額定速度。此時電流仍大于穩(wěn)態(tài)額定電流，持續(xù)時間過長可能導(dǎo)致熱過載。在穩(wěn)定運行階段，額定轉(zhuǎn)速附近電動機拖動的負(fù)荷增大可能導(dǎo)致出現(xiàn)持續(xù)過載，甚至發(fā)生堵轉(zhuǎn)。本文重點討論穩(wěn)定運行時的持續(xù)過載。

2 電動機熱過載模型

熱過載發(fā)生時，對電動機產(chǎn)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(dǎo)致絕緣破壞。可以通過測量電動機的電流間接地監(jiān)視繞組和轉(zhuǎn)子的發(fā)熱情況。

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

電動機的溫升Δθ（t）由發(fā)熱功率PHeat和散熱功率PDiss共同決定：

式中：m為電動機質(zhì)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(chǎn)生的熱量：

式中：r為定子繞組電阻；Ieq為考慮負(fù)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(fù)序電流；q為負(fù)序電流熱效應(yīng)系數(shù)，可取3[4]。

PDiss與溫升Δθ（t）、熱阻Rth有關(guān)：

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(shù)。

設(shè)電動機最大允許溫升為Δθmax，對應(yīng)最大允許連續(xù)運行電流為Ieq-max，則達(dá)到熱平衡狀態(tài)時：

用式（9）對式（8）進(jìn)行歸一化處理，并令H（t）=

則有：

式（11）中：H0為初始值。當(dāng)t≥5·τth時：

若Ieq-pu≤1，則當(dāng)達(dá)到熱平衡狀態(tài)時，取t→∞，由式（11）可得：

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

當(dāng)電動機停止工作后，將逐步冷卻：

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

3 電動機熱過載保護(hù)的實現(xiàn)

為應(yīng)對電動機的堵轉(zhuǎn)、加速時間過長，電動機保護(hù)需要配置堵轉(zhuǎn)保護(hù)、啟動時間過長保護(hù)。這些保護(hù)一般由定時限過電流保護(hù)構(gòu)成，當(dāng)實際電流超過設(shè)定電流并達(dá)到整定延時，動作于出口跳閘[5]。而穩(wěn)定運行階段的熱過載，則需要在考慮電動機熱模型的基礎(chǔ)上設(shè)計保護(hù)方案[6]。

3.1 算法的實現(xiàn)

熱過載保護(hù)可以采用遞歸算法。設(shè)微機繼電保護(hù)裝置每隔T時間處理一次數(shù)據(jù)且T＜＜τth，T＜＜τth2，分別對式（11）、式（15）離散化處理后，得到：

當(dāng)H（0）=1時，熱過載保護(hù)動作。

3.2 冷態(tài)特性和熱態(tài)特性

當(dāng)熱過載發(fā)生之前電動機處于無負(fù)荷電流的狀態(tài)時，H0=0；當(dāng)熱過載發(fā)生之前電動機有穩(wěn)態(tài)負(fù)荷電流且達(dá)到平衡態(tài)，則根據(jù)式（13）

一個特殊情況是，當(dāng)電動機正常運行時，繼電保護(hù)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(fù)位），應(yīng)記憶保護(hù)裝置退出運行前5·τth數(shù)據(jù)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(hù)裝置宜支持這一功能。

3.3 環(huán)境溫度采集

熱過載發(fā)生時，對電動機產(chǎn)生危害的決定因素是絕對溫度。上文中的公式推導(dǎo)中，計算的結(jié)果是溫升，環(huán)境溫度缺省為40℃。如果能夠采集環(huán)境溫度，則可以更精確地計算電動機的發(fā)熱情況。這可以通過對Ieq進(jìn)行修正來實現(xiàn)，例如[5]：

3.4 實例

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

式中：Ieq為等值發(fā)熱電流；k1，k2為系數(shù)；I1，I2分別為正序和負(fù)序電流；Ie為電動機額定電流；t為持續(xù)時間；τ為電動機熱積累定值（即發(fā)熱時間常數(shù)）。k1取1，但在電動機啟動階段（根據(jù)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(hù)誤起動；k2用于模擬負(fù)序電流的增強發(fā)熱效應(yīng)，可取3～10。

裝置設(shè)有告警段，當(dāng)電動機熱積累定值達(dá)到一定水平時，可以先發(fā)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(nèi)整定，建議取80%。

熱過載保護(hù)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(shù)可整定為1～5倍的發(fā)熱時間常數(shù)。裝置設(shè)有熱復(fù)歸開入，在需要緊急啟動的情況下，可通過熱復(fù)歸開入強制將熱模型恢復(fù)到“冷態(tài)”。

4 整定計算

4.1 整定計算

熱過載保護(hù)的特性由2個參數(shù)決定：最大允許連續(xù)運行電流Imax和時間常數(shù)τth，τth2。

其中，IB可取電動機額定電流；系數(shù)k可取1.1～1.2。

如果電動機生產(chǎn)廠家依照IEEE 620[7]提供了熱臨界曲線，則可以參考文獻(xiàn)[4]通過曲線擬合確定合適的時間常數(shù)。這樣可以最大限度地發(fā)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(shù)τth可以根據(jù)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(hù)比較

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

根據(jù)式（5）和式（20），電動機正常運行時H0=系數(shù)k取1.15，代入熱過載保護(hù)的特性方程式（14）并做冪級數(shù)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(yīng)，反時限時間整定值τp與熱時間常數(shù)τth對應(yīng)。

分析式（23）與式（24），熱過載保護(hù)根據(jù)電動機的物理模型進(jìn)行設(shè)計，考慮到負(fù)序的發(fā)熱效應(yīng)，能夠在電流不平衡時快速動作。另外，由于反時限保護(hù)長時間運行積累了成熟的經(jīng)驗整定值，時間常數(shù)τth也可根據(jù)以往反時限保護(hù)的整定經(jīng)驗，定量推導(dǎo)得出。

熱過載保護(hù)利用熱模型進(jìn)行發(fā)熱散熱計算，更加真實有效地反映了電動機的發(fā)熱情況，在保護(hù)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(fù)荷波動大的電動機，熱模型能夠忠實地跟蹤記錄每次負(fù)荷波動時的發(fā)熱情況并且進(jìn)行累計，一旦熱累積超過允許值熱過載保護(hù)就發(fā)出跳閘命令；而常規(guī)反時限保護(hù)在負(fù)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(hù)電動機免受熱過載的危害。

5 現(xiàn)場試驗

5.1 現(xiàn)場試驗

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

每次試驗前，強制繼電保護(hù)裝置的H0=0以模擬電動機冷態(tài)狀態(tài)；如果繼電保護(hù)裝置不具有強置H0的功能，則應(yīng)將τth2設(shè)置成最短，并在每次試驗前將繼電保護(hù)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(hù)裝置輸入1.2IB，1.6IB，2.0IB，5.0IB，10.0IB的電流，記錄繼電保護(hù)的動作時間，并與冷態(tài)特性曲線進(jìn)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(yè)公司的RCS-964X系列電動機保護(hù)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(fù)歸開入強制將熱模型恢復(fù)到“冷態(tài)”。其試驗結(jié)果如表1所示，誤差在允許范圍內(nèi)。

表1 試驗結(jié)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(hù)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(fù)位），應(yīng)記憶保護(hù)裝置退出運行前5·τth數(shù)據(jù)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(hù)裝置誤動作或者拒動。

6 結(jié)束語

微機電動機保護(hù)裝置已經(jīng)配置了比較完備的熱過載保護(hù)。為了更好地利用電動機的過載能力同時保護(hù)電動機免受熱過載的危害，應(yīng)按照電動機的實際特性進(jìn)行繼電保護(hù)整定，通過現(xiàn)場試驗考察其精度，在運行過程中也要注意繼電保護(hù)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(hù)裝置通用技術(shù)條件[S].

[4] 盧慶港，解中秀.異步電動機熱模型保護(hù)應(yīng)用[J].電力系統(tǒng)保護(hù)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(hù)的算法及其實現(xiàn)[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].