交流電動機的供電設計探析

尤金宗

(福建眾合開發建筑設計院有限公司 福建福州 350004)

0 引言

隨著經濟快速發展，人民生活水平日益提高，對各類電氣設備、交流電動機等的使用也越來越頻繁。其中包括各類空調機、送排風機、消防和平時兩用排煙排風機、送風補風機、加壓送風機等等。交流電動機的大面積使用，其控制、保護及電擊防護措施是否合理，也越來越顯出其重要性。筆者結合工程實際，探討交流電動機保護電器、主回路線纜的選擇，分析交流電動機接地故障保護校驗的必要性、分析接地故障電流的危害，并提出解決接地故障電流的措施。

1 交流電動機的控制、保護電器的選擇

1.1 熱繼電器

一般情況下，采用熱繼電器作為電動機的過載保護，熱過載電器的整定電流應大于等于被保護電動機的額定電流。熱過載電器的額定電流宜不小于其整定電流的1.1倍；其中要求熱繼電器的整定值可調，整定值的調整范圍不應小于額定值的20%；熱繼電器在7.2倍額定電流下的動作時間應大于電動機的啟動時間[2]。

實際工程應用中，常有混淆熱繼電器和過電流繼電器，誤把過電流繼電器的整定當做熱繼電器的整定電流，設計中應予以區分。以圖1中，7.5kW 6級鼠籠異步電動機(160M1-6),額定電流16.4A，啟動電流109.9A為例[2]，熱繼電器整定電流選14～18A即可滿足要求。

1.2 斷路器

當電動機的主回路采用熱繼電器作為電動機的過載保護時，回路中的斷路器的長延時脫扣作為后備保護，斷路器的長延時脫扣器的整定值，應滿足GB50055-2011第2.3.5-3條規范要求，Iset3 ≥(2～2.5)*Ist且Iset1=Iset3/Kins，所以Iset1應滿足式1要求：

(1)

其中：Iset1——斷路器長延時脫扣器的整定電流，A；

Iset3——斷路器瞬時脫扣器的整定電流，A；

Kins——斷路器的瞬動電流倍數；

Ist——電動機的啟動電流，A。

以圖1為例，選用Kins=12的斷路器，則Iset1≥(2～2.5)*109.9/12=(18.3～22.9)A，所以Iset1取25A。綜上斷路器選Iset1=25A，Iset3=12Iset1=300A。

1.3 導體的選擇

電動機主回路導體的選擇，區別于配電線路中導體與過負荷保護電器的配合，并非按Iz≥Iset1，考慮經濟性，只需滿足導體的載流量不小于電動機的額定電流[5]，即Iz≥Irm。

以圖1為例，Iz≥Irm=16.4A，選用BYJ-4×4mm2即滿足持續載流量計算要求。

圖1 電動機的控制及保護一次接線示意圖

其中：Iz——導體允許持續載流量，A；

Irm——電動機的額定電流，A。

2 電動機接地故障保護的校驗

2.1 斷路器靈敏度的要求

根據GB50054-2011第6.2.3條要求，當選用斷路器作為短路保護電器時，被保護線路末端的短路電流不應小于斷路器瞬時或短延時過電流脫扣器整定電流的1.3倍[4]，即Id/Iset3≥1.3。

2.2 接地故障保護的計算

圖2為以實際工程為例，根據《工業與民用供配電設計手冊》第三版、第四版，忽略電網系統阻抗，得出接地故障回路中各元件的相保電阻和相保電抗，如表1所示。

圖2 某項目地下室風機房配電示意圖

表1 故障回路中各元件的相保電阻和相保電抗[1-2]

故障回路的總阻抗為：

K3位置單相接地故障的電流：Ik3=220/Z=220/0.674=326 A；

斷路器脫扣器靈的敏度：K=Ik3/Iset3=326/(25×12)=1.09<1.3，不滿足要求。

3 接地故障電流的危害

當用電設備或電動機發生接地故障，回路未及時切除故障電流時，由圖3可知，如果只在配電間內做MEB總等電位聯結，人體的預期接觸電壓約等于故障電流在PE線上a-b-c點的電壓降。因線路L2、L3的保護線與相線等截面，所以a-b-c段保護線阻抗為該部分線路阻抗的一半，因此，a-b段保護線阻抗壓降Ua-b-c=I×Z′=326×0.5×(64.5+344)×0.001=66.6 V>50 V，不滿足安全電壓的要求。

圖3 TN系統做總等電位聯結發生接地故障時電流走向

在TN系統中，當風機房內的電源箱不僅供電給風機房的風機用電，同時還給其他回路供電時，因所有用電設備的PE線均連為一體，當一處用電設備發生接地故障，該回路未在規定時間內切除時，必將故障電壓Ua-b-c傳至該部分回路，給系統設備用電安全帶來極大隱患。

4 電擊防護的保護措施

4.1 等電位聯結

根據GB50054-2011第5.2.5條要求，當電動機發生接地故障后，斷路器不能滿足自動切斷故障回路時，應在風機房內設置輔助等電位端子箱SEB，并將機房內外露可導電部分和外界可導電部分再做等電位聯結[4]。

由圖4可知，在風機房內設置輔助等電位SEB后，當風機回路發生接地故障，保護電器未在規定的時間內切除故障回路時，忽略人體流過的故障電流，風機房內電源箱的PE線上的預期接觸電壓將由原來的電壓Ua-b-c降至Ua-b。Ua-b=326×0.5×64.5×0.001=10.5 V。因此，合理設置等電位聯結，能有效降低預期接觸人體“手”到“腳”的阻抗，從而降低預期接觸電壓，是電擊防護措施中最為重要的手段之一。

圖4 TN系統做輔助等電位聯結后，發生接地故障時電流走向

為避免故障電壓傳至其他風機房，遠離電源處的風機房均應設置輔助等電位SEB。對于強電間，弱電間，變配電室等電氣設備較多的房間，兩個外露可導電部分或外露可導電部分與外部可導電部分，一般都在伸臂范圍內，也建議在該房間設置輔助等電位；對于廚房、水泵房等潮濕場所，更應設置輔助等電位聯結。

4.2 其他防護措施

為提高TN系統中故障防護靈敏性，應提高接地故障電流值，適當放大相導體以及保護導體的截面積；選用帶短延時過電流脫扣器的斷路器，當斷路器的瞬時脫扣器Iset3太大無法滿足接地故障電流靈敏度要求時，采用電流值較小的短延時過電流脫扣器Iset2；選用帶三相不平衡電流保護功能的斷路器；非消防用電動機配電回路，采用帶剩余電流保護的斷路器等等措施。

當風機所在的場所的地面下無鋼筋時，則可以在地面敷設電位均衡線或敷設鐵絲網，且與PE線及風機外露可導電部分可靠連接，以此形成等電位，減少觸電事件的發生。電位均衡線宜采用25×4扁鋼或φ10圓鋼接近地表面，并留有防護層；鐵絲網宜為150×150，采用網格φ3焊接而成。等電位聯結的范圍不宜小于電動機的外露可導電部分向外1.2 m，如圖5所示。

圖5 地面等電位聯結做法

5 結論

交流電動機在我們的日常生活中隨處可見，其用電安全關系著使用者的人身安全，因此，對于電動機的電擊防護尤為重要。在設計中應注意如下問題：

首先，應合理選擇保護斷路器的瞬時脫扣值，熱繼電器的動作整定值和額定電流及供電線纜的截面等，選擇后還應對所選設備進行靈敏度校驗，確保保護斷路器能按規定要求切除故障回路。

最后，應該做好總等電位和輔助等電位聯結。對于長距離供電的配電箱，宜在附近設置SEB端子箱，并將電源的PE線、建筑物鋼筋、外露可導電部分、外部可導電部分與SEB端子箱連接。對沒有鋼筋的場所，建議采用地面設置等電位聯結的做法。