摘要： 本文论述了异步电动机在发生过载、短路、断相、欠电压等故障时产生的后果以及它们的有效保护方法。
关键词：异步电动机 故障 保护
电动机的故障大体分为两部分：一部分是机械的原因。例如轴承和风机的磨损或损坏：另一部分是电磁故障，二者互有关连。如轴承损坏，引起电动机的过载，甚至堵转，而风叶损坏，使电动机绕组散热困难，温升提高，绝缘物老化。电磁故障的原因很多，如电动机的过载、断相、欠电压和短路都足以使电动机受损和毁坏。过载、断相、欠电压运行都会使绕组内的电流增大，发热量增加(导体的发热量是和电流的平方成正比的)，而短路造成的危害就更大。短路的原因是电动机本身的绝缘材料质量差或电动机受潮(在农村是经常发生的，例如受雨淋或落水)，以致于绕组的相间击穿，引起短路。此外，还有电动机置于有酸碱物的场所，因受腐蚀而损坏绝缘。
一、电动机的过载及其保护
电动机的过载除上述原因外，还有：
a.电动机周围环境温度过高，散热条件差；
b.电动机在大的起动电流下缓慢起动；
c.电动机长期低速运行；
d.电动机频繁起动、制动、正反转运行及经常反接制动。
电动机的过载由于电流增大，发热剧增，从而使其绝缘物受到损害，缩短了其使用寿命甚至被烧毁。
从电动机的结构来看，鼠笼型电机的定子铁心置放绕组的槽内必须有良好的绝缘物，绕组(铜线)表面有绝缘漆层，绕线式电动机转子绕组与定子绕组一样，绕组与铁心槽衬以绝缘物，三个端线所接的铜滑环，环间，环与转轴之间也是彼此绝缘的。为了保证电动机的相间、带电体与外壳的绝缘，通常是使用各种耐热等级的绝缘材料的。各种绝缘都有一定的耐受工作温度的指标。IEC85规定A级(105℃)、E级(120℃)、B级(130℃)、F级(155℃)……。八十年代，IEC216提出了一个新的耐热标准，称为温度指数TI(Temperature Index)以此代替IEC85。TI是按阿尼罗乌丝(Arrhenins)公式t=10 a＋b/T 计算的。式中： t—寿命[小时(h)]
T—绝缘材料使用的温度(℃)
a、b—与材料有关的常数
例如：某电动机使用的绝缘材料a=－2，b=1034，使用温度T=164℃
得 t=10－2＋(1034/642)=10 4.30=2000h
它表示此绝缘物使用于164℃时，其使用寿命为20000小时。
如果把使用温度提高8℃，则T=164＋8=172℃
t=10 －2＋(1034/172)=10 4=10000h
它说明很早以来，电工技术工作者提出的绝缘材料的使用温度每增加8℃，其使用寿命就减半是有理论和实践依据的。
电动机的过载保护安秒(I－t)曲线(反时限)
1.电动机的过载特性
2.保护电器的保护特性
3.电动机的起动电流特性
保护器的I－t曲线在电动机过载特性之内，但两曲线间距不必拉得过大，以便做到既不使电动机因为过载造成温升增大影响寿命，又充分利用电动机本身的最大耐受过载能力。根据生产和科学实践，对电动机的保护特性已由IEC947—4《低压开关设备和控制设备。低压机电式接角器和电动机起动器》作出了新的规定(我国的GB14048.4等效于IEC标准)，对无温度补尝的保护电器：
1.0In>2h不动作
1.2In≤2h动作
7.2In：2s
以上实测值是在几台电动机上测试的，不够全面，但它表明，这个标准还是比较实际的(6In是老标准)旧标准把6In作为可返回特性的电流，它相当于电动机的起动电流，经可返回时间(在通以6In时的延时时间，后将电流返回1倍In或0.9In，此段时间内保护电器不允许动作，这种可返回特性的规定是为了躲过电动机的起动，它的可返回时间应大于电动机的起动时间，旧标准的可返回时间分1s、3s、8s、13s几种)。鉴于把起动电流定在6倍和可返回时间固定在上述的4种已不能完全反映现实情况(例如Y型鼠笼型电动机的起动电流倍数就有5、 5.5、 6、 6.5、 6.8、 7的六种)，因此我国的GB14048.4(等效采用IEC947－4)统一规定为7.2倍，并对不同的起动时间规定了延时时间Tp。美国NEMA(美国全国电气制造商协会)1993年的MG－1标准对电动机的过载和失速(相当于电动机的堵转和刚起动——笔者注)保护作了新的规定：“输出功率不超过500HP(马力，相当于368kW—笔者注)，额定电压不超过1kV的多相电动机，在正常工作温度初次起动，耐受1.5倍全额电流的时间应不等于2min”，又规定：“功率输出不超过500HP，额定电压不超过1kV的多相电动机，在正常温度初次起动时，应能耐锁定转子电流的失速时间不少于12s”，从以上标准和对我国绝大多数的电动机的起动时间的统计来看，选1.5In为2min，7.2In为2s
1.起动电流的低功率因数，过渡过程的非周期分量的存在。在这种情况下，周期分量的幅值尽管稳定，但受非周期分量的影响，故有尖峰电流流过(功率因数低，表示电感L大，时间常数T=L/R大，非周期分量Imsin(Ψ—)e－t/T值大，非周
期分量的衰减慢)。当起动电流的COS=0.3时，尖峰电流为起动电流(有效值)的2倍左右；
2.残余电压的影响而产生的瞬间再合闸的尖峰电流。电动机切断电源后再接通时，当切断电源而电动机尚未停下，就带有残余电压。这种残余电压不仅是由于有剩磁而产生，而且还由于次级线圈(转子)有残余电流而形成，所存在的残余电压与再合闸时的电源电压在某一相位时的叠加， 就会产生尖峰电流。 其大小与电动机完全停止后再起动相比，要大(残余电压＋电源电压)比电源电压倍，这种尖峰电流虽然仅出现1－2周波，但足以使断路器的瞬时脱扣器动作。因为1、2两个原因，可出现下列情况：
(1)电动机直接起动
由于COS为0.3，尖峰电流为(6In)的2倍，等于 In(有效值)故塑壳式断路器的瞬时脱扣器整定电流值最小值为8.5In，(In为电动机的额定电流)
(2)星—三角(Y－Δ)起动
也假设为COS0.3，当从Y起动到Δ运转的一瞬间(1～2周波)，尖峰电流(峰值)约为额定电流(有效值)的19倍，则断路器必须把瞬时动作电流整定到14In ? 以上。
(3)自耦减压起动时
COS=0.3，电动机起动电流为6In，由于有尖峰电流的存在，原来按80％抽头的正常起动电流为3.84In，现提高到7.7In，按65％抽头的正常起动电流为4.3In，现提高到5In。
(4)瞬时再起动
按COS为0.3，起动电流为6In，考虑到残余电压的影响，尖峰电流为最大，是额定电流的24倍(6×2×2)(峰值)，其有效值为 =16.97≈17，因而断路器的瞬时脱扣器的整定电流必须在电动机额定电流的17倍以上。从以上分析可知，正是电动机的型号、结构、起动方式等的不同，导致尖峰电流的出现，由此而推出Isct在8～15倍In之内(个别的还可达到17倍In)，对于瞬时动作电流可调的断路器，其调节范围按8～15倍In考虑，而大量的塑壳式断路器(不可调)，取其平均值12In，误差
采用熔断器保护电动机的瞬动，熔断器的熔体电流可由下式确定：
Irin ≥ Ist比α
式中： Ist —电动机的起动电流 A；
α —决定起动状况和熔断器的系数，一般为2～3之间。
三、关于鼠笼型电动机的断相保护电动机的断相分为两类，一是电动机外部的电源线断线；二是电动机内部定子绕组的断线，而电动机内部接线又分为星形联结和三角形连接两种。因此提到断相必须分清是那一种性质，另外，所谓断相保护，是指正在运行中的电动机。
1.被保护的电动机的定子绕组是星形联结，断相运行时，一般说未断的两相电流会增大。由于电压的不平衡，至少有一相电流增大。因是星形联结，线电流等于相电流，所以对于星形联结的电动机，选用一般的三极热继电器或三极保护电动机型的断路器，是能够起到有效保护的。
2.被保护的电动机的定子绕组是三角形联结，当电动机发生断相时会有两种情况产生：
a.电动机外部的电源线断线(如熔断器——相熔断)，I2ph=2Iph，I2=I3=I1ph＋I2ph=1.5I 2ph此时线电流与相电流之间已不是的关系，线电流已经不能正确反映相电流的大小，即不能有效地反映电动机绕组是否已处于过载状态。当电动机在额定负载下断相运行时，I1ph=I3ph=0.58In(In为电动机的额定电流)，I2ph=2Iph=1.16In，I2=I3=1.5I2ph=1.5×1.6In=1.73In。此时如果选用一般的三极热继电器(或断路器)，勉强可以起保护作用但是当负载在额定负载的65％下断线运行时会动作，时间长了可能烧毁电动机。为解决保护问题，应采用带断相保护的热继电器，如JR 20、T系列、3UA系列等。
b.电动机的定子绕组为三角形联结，绕组断了一相，此时就出现： I2=I3=Iph I1= I ph
可以看到，有一相线电流与未断线前是一样的，因此，可以选用一般的三极热继电器来保护。
四、关于电动机的欠电压保
当低压配电和用电电路因发生故障而使网络电压大幅度降低时，就会使正常运转的电动机出 现疲倒、堵转、使大批电动机产生几倍的过电流甚至短路。此时必须使用保护电器将故障电 压切断，以便保护电动机(特别是功率为30kV及以上的电动机)及其线路。
电压降低到足以使电动机疲倒、堵转的电压，称为临界电压。在临界电压出现时，低压保护 电器恰好会动作就称为欠电压保护。
当电网电压低于电动机的临界电压，保护装置方始动作，称为失压保护，失压保护是欠电压 保护的一种。根据理论计算，在额定负载(满负荷)时，
鼠笼型电动机的临界电压 Uk=0.67Ue；(Ue为电动机的额定电压)；
绕线型电动机的临界电压 Uk=0.71Ue。
如果负载率是50％，则
鼠笼型电动机的临界电压 Uk=0.5Ue；
绕线型电动机的临界电压 Uk=0.525Ue。
因此从理论值上看(理想的情况)，无论是鼠笼型或绕线型电动机的欠电压保护值，其上限为 0.70Ue，下限值为0.5Ue，而考虑各种误差因素，GB14048.2《低压开关设备和控制设备 低 压断路器》标准规定，欠电压动作电压值为(70％～35％)Ue。
我们知道，在电动机的起动瞬间(或在全电压下电动机运转时的转矩小于负载转矩时)其电流 变得很大，此时的电动机电流I2 (折合到定子的转子电流) ，由于刚起动或堵转，n≈0，S≈1，I12很大，一般可达5～7倍的In。如果电路的电压下降到临界电压的上限值造成堵转时, 电动机的电流最大可达5In，时间略长就要烧毁电动机。
前者有残余电压，故有残余电磁转矩的作用，这就是电动机达到停机的惰行时间较长。还可 能带来本身的短路，且此时如果电网电压恢复正常，再起动时，会产生很大的冲击电流，扩 大故障范围；而在电压完全消失时，或者仅有20％～30％额定电压下，达到停机的时间仅为 纯机械的较短惰行时间而已，此时(电动机尚未全停下)即使电压恢复正常，所造成的冲击电 流也不大。失压保护的意义在于防止自起动。
瞬时动作—对于不重要的，不影响生产工艺流程的电动机，一旦有低于临界电压者立即动 作；一般短延时0.5s左右，短延时动作主要针对欠电压对象，用瞬时动作甩掉一批次要的电动机， 而用短延时动作来保住一些主要的电动机。长延时动作—适用于重要的，起动条件不困难的绕线型电动机；可以自起动但技术保安条 例不允许自起动的鼠笼型电动机，延时大约5～10s，通常它的整定时间大于5s而小于电动机 的全部惰行时间。长延时动作主要针对失压保护，其目的是争取一部分比较重要，而其起动 条件又不困难的电动机尽可能不退出运转。
五、电动机保护线路及其保护电器的选择
电动机保护的线路大致有以下四种
1.由热继电器FR，接触器kM和仅有瞬动保护的断路器QF组成，如图4所示。 接触器用来起动、停止电动机，热继电器用来保护电动机的过载，而仅有瞬动保护的断路器 是保护电动机的短路。
2.由热继电器FR，接触器kM和熔断器FS组成，如图5所示。 热继电器保护电动机的过载，接触器起动和停止电动机，熔断器作电动机的短路故障保护。 3.由一台接触器kM和一台电动机保护型的断路器QF组成，如图6所示。 接触器作为电动机的起动和停止之用，电动机保护型断路器作电动机的过载和短路故障的保 护。
4.由一台电动机保护型断路器组成，
电动机保护型断路器，既做电动机的起动和停止，又作电动机的过载和短路故障的保护。 以上四种中，1、2两种适合于比较频繁的起动——停止电动机，第3种适合一般频繁起动， 而第4种只能适用于不频繁起动和停止。
从投资来看，1、2种最不经济，第4种最经济，因为它可少用一台起动、停止用的接触器(和 热继电器)。
但是采用电动机保护型的断路器作电动机的过载保护和短路保护(如图7所示)，也存在一个 很难克服的困难。这就是额定电流的匹配问题，例如Y型电动机同是15kW功率，因为极数等 原因，额定电流就有29、30、31、34安培等规格。而断路器的额定电流是严格按照国家标准 ，以优选系数 =1.25的增减来选择的，如10、13、16、20、25、32、40、50、63、80、100A……这样，15kW电动机选用的断路器额定电流只能往上靠32A，它大于29A、30A、31A 、规格而小于34A规格的电动机。对于现在大量应市的塑壳式断路器，尽管有电动机保护型 ，但是它的整定电流(额定电流)是不可调的，往往起不到保护作用，因此采用断路器作过载 保护是不理想的，建议采用过载长延时整定电流可调的热继电器来充任。虽然这种可调是不 精细的，目前我厂正在开发智能型塑壳式断路器，如果研制成功，则其整定电流可以基本上 做到无级调整。
