电动机热过载保护研究

江苏电机工程

ＪｉａｎｇｓｕＥｌｅｃｔｒｉｃａｌＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ

第３１卷第３期

电动机热过载保护研究

陆征军１，王红青２，赵华军，，赵希才ｔ

（１．南京南瑞继保电气有限公司，江苏南京２１１１０２；２．华东电力试验研究院有限公司。上海２００４３７；

３．安徽开发矿业有限公司，安徽六安２３７４００）

摘要：正在制定的ＩＥＣ６０２５５—１４９电热继电器的功能要求和修订的ＤＬ／Ｔ７４４微机电动机综合保护蓑置通用技术备件，均涉及到电动机热过载保护。阐述了电动机热过栽的物理过程和热过载保护的构成、整定、试验和运行。并将基于电

动机热模型的热过我保护与普通过流反时限保护进行定量对比分析．以便保护电动机免受热过栽危害的同时．合理地

利用电动机的过载能力。

关键词：电动机保护：热过载保护：热模型；反时限特性中图分类号：ＴＭ５８８．１

文献标志码：Ａ

文章编号：１００９－０６６５（２０１２）０３—００２０—０４

国际电工委员会正在制定ＩＥＣ６０２５５—１４９电热继电器的功能要求以取代原来的正Ｃ６０２５５－８－－１９９０【１１（转化后的国家标准为ＧＢ／Ｔ１４５９８．１５—１９９８电气继电器第８部分：电热继电器旺１）．其中重点考虑的正足电动机热过载保护。与此同时，电力

率‰共同决定：

‰一如。…％些笔垃＝Ｑ旦瓷盟

机热容量。

（２）

式中：ｍ为电动机质量；ｃｎ为比热；％－－ｍ・ｃ蚺，为电动

行业标准Ｄ坍７４４—２００１微机电动机综合保护装

置通用技术条件［３］也正在修订当巾。因此有必要对电动机热过载机理和热过载保护的构成、整定和试验进行总结．以便更好地保护电动机免受热过载的危害。

ＰＨ。即由流过定子绕组的电流在绕组电阻上产生的热量：

ＰＨ。。＝ｒ・，锄

（３）

式巾：ｒ为定子绕组电阻；‘为考虑负序电流的影响

而计算出的等值电流。其巾，柏为：

１可能导致电动机热过载的运行工况

在电机上电起动阶段．可能由于电动机所带动的负荷过大或其他原因致使电动机不能转动．即发生堵转。在加速阶段。如果在某些转速下加速转矩低于临界转速．电动机可能长时间运行在低速上而不能达到额定速度。此时电流仍大于稳态额定电流。持续时问过长可能导致热过载。在稳定运行阶段．额定转速附近电动机拖动的负荷增大可能导致出现持续过载．甚至发生堵转。本文重点讨论稳定运行时的持续过载。

或者为：

ｋ＝、／，：叼・，‘

‘＝、／ｋ叼・，２

流；ｇ为负序电流热效应系数，可取３…。

（４）

（５）

式中：，．为正序电流；，。为电流有效值；，２为负序电

凡。与温升Ａｏ（ｔ）、热阻Ｒ。有关：

民。：丁Ａｏ（ｔ）

将式（３）、式（６）代入式（２），可得：

（６）

２电动机热过载模型

热过载发生时．对电动机产生危害的决定因素是绝对温度．温度过高会使绝缘老化．缩短电动机寿命．甚至导致绝缘破坏。可以通过测量电动机的电流间接地监视绕组和转子的发热情况。

电动机的温度晚。，。（ｆ）取决于环境温度％。。。和温升△口（ｆ）：

口ＥｑＬｌ，Ⅲ。。（￡）＝ｐ＾ＩｌＩｂ。＋ＡＯ（ｔ）

（１）

ｒ・乇一等＝瓯半７‘。ｑ一百２乙血—铲

整理后．得到：

（７）Ｊ（７

Ｒｍ．ｒ．，ｑ２砜－氏・半＋ａｏ（班

ｒ∥坐盟＋Ａｏ（ｔ）ｄ）８（

‘ｍ

、。７

ｔ

式中：ｒ。＝足山・Ｃｍ，为热时问常数。

设电动机最大允许温升为△‰，对应最大允许

连续运行电流为匕一，则达到热平衡状态时：

Ｒ。…ｅ一＝△９一

（９）

电动机的温升Ａｏ（ｔ）由发热功率儿和散热功

收稿日期：２０１２一ＯＩ一０４：修回日期：２０１２—０２－０８

万方数据

陆征军等二电动机热过载保护研究２１

用式（９）对式（８）进行归一化处理，并令日（￡）＝

锷测有：

￡一严＝‰・％丛＋Ⅳ（ｆ）

（１０）

Ⅳ（￡）＝Ｈｏ・ｅ气＋‘Ⅲ・（１一ｅ‘‘）

（１１）

式（１１）中：Ｈ。为初始值。当￡≥５・％时：

，

一｝

／Ｊ（ｔ）一，二－Ｐｕ・（１一ｅ、）

（１２）

若‘，≤１，则当达到热平衡状态时，取ｔ－－－，ｏｏ，

由式（１１）可得：

胃（ｆ一＊）＝‘一，

（１３）

若，嘲＋＞ｌ，则当Ｈ（ｆ）＝１时，温升达到△‰，保

护跳闸，所需时问可通过求解式（１１）得到：

扭％．Ｉｎ（１Ｉ一－Ｈｅ）ｋ一１

（１４）

当电动机停止工作后．将逐步冷却：

日（￡）：Ｈｏ．ｅ气

（１５）

注意到式（１５）中的时问常数是不一样的。因为电动机堵转、静止时，热量通过传导和辐射耗散；加速时。热量通过传导和对流耗散；稳定运行时，主要靠对流耗散。显然，静止时的散热时间常数要长于稳定运行时。令ｒｔｈ２＝．】｝・丁ｔｈ…，后．－ｊ－取１．５～４．５，视环境定。

３电动机热过载保护的实现

为应对电动机的堵转、加速时问过长．电动机保护需要配置堵转保护、启动时间过长保护。这些保护一般由定时限过电流保护构成．当实际电流超过设定电流并达到整定延时，动作于出口跳闸∞１。而稳定运行阶段的热过载．则需要在考虑电动机热摸型的基础上设计保护方案［６］。３．１算法的实现

热过载保护可以采用递归算法。设微机继电保护装置每隔Ｔ时问处理一次数据且Ｒ＜丁ｍ，火＜ｒｔｌｌ２，分别对式（１１）、式（１５）离散化处理后，得到：

ｌＨ（０）＝Ｈｏ

∽＝呻卅．（１一吾）＋ｏ丢ｕ６’

ｆＨ（０）＝Ｈｏ

ｍ）－－－ｎ（ｔ－Ｔ）．（１一｝）

（１７）当日（Ｏ）：ｌ时，热过载保护动作。

万方数据

３．２冷态特性和热态特性

当热过载发生之前电动机处于无负荷电流的状

态时，风＝０；当热过载发生之前电动机有稳态负荷

电流且达到平衡态。则根据式（１３），风＝‘，。

一个特殊情况是．当电动机正常运行时。继电保护装置自身因故退出运行～段日．ｔｏｑ后又投入运行。若装置短时问退出（例如装置复位），应记忆保护装

置退出运行前５・＿ｒ。数据窗的‘删计算值作为重新

投入运行时的矾；若装置长时问退出，则将重新投

入运行时刻的‘一一计算值作为Ｈｏ。继电保护装置宜

支持这一功能．

３．３环境温度采集

热过载发生时．对电动机产生危害的决定冈素是绝对温度。上文巾的公式推导中．计算的结果是温升，环境温度缺省为４０℃。如果能够采集环境温度。

则可以更精确地计算电动机的发热情况。这可以通过对ｋ进行修正来实现，例如［５］：

ｋ＝毛

Ｊ１，眇。ｂ，。≤４０℃

后＝｛１．４一（ｏ．０１。‰ｂ，。），４０℃≤‰ｂ．。≤６５℃（１８）

ｌｏ．７５，９＾１１】咖Ｉ＞６５℃

３．４实例

以南瑞继保ＲＣＳ－９６４Ｘ系列电动机保护测控装置为例，其热过载保护的动作方程为：

ｆ‘吐ｌ‘，ｌ“２‘，２

㈣２训．ｏｓ小≥－ｒ

ｑ”

式中：，柏为等值发热电流；＾。，后：为系数；，。，，２分别为正序和负序电流；ｔ为电动机额定电流；ｔ为持续时间；ｒ为电动机热积累定值（即发热时问常数）。Ｊｉ｝，取１，但在电动机启动阶段（根据电动机启动时问定值判断）自动取０．５．以防止电动机正常启动过程中热过载保护误起动：Ｊ｜｝，用于模拟负序电流的增强发热效应．可取３～１０。

装置设有告警段．当电动机热积累定值达到一定水平时．可以先发出告警信号．提醒运行人员尽快采取措施。告警水平可在３０％～１００％范围内整定．建议取８０％．

热过载保护动作跳闸后。要等到电动机散热到

允许启动的温度时，才能再启动。散热时问常数可整定为ｌ～５倍的发热时问常数。装置设有热复归开入。在需要紧急启动的情况下，可通过热复归开入强

江苏电机工程

制将热模型恢复到“冷态”。

４整定计算

４．１整定计算

热过载保护的特性由２个参数决定：最大允许连续运行电流，胍和时问常数７．。，｜『Ｉｌｌ２。

ｋ＝＿ｊ｝・，Ｂ

（２０）

其中，，Ｂ可取电动机额定电流；系数．ｊ｝可取１．１～ｉ．２。

如果电动机生产厂家依照ＩＥＥＥ

６２０ｒ７１提供了

热临界曲线．则可以参考文献［４］通过曲线拟合确定合适的时问常数。这样可以最大限度地发挥电动机的过载能力．避免不必要的跳闸。

如果无法取得热临界曲线．时间常数Ｉ＂ｍ可以根

据电动机１ｓ允许电流几或者６倍额定电流跳闸时

问ｔ６／Ｂ［４］计算：

‰＝（》）‘

（２１）

％：３２－ｔ６，Ｂ

（２２）

４．２与普通反时限电流保护比较

国内电动机保护．长期以来大多采用以反时限过流为主的组合保护，以极端反时限为例，其特性方程为：

ｔ：＿墨与气

‘＝————Ｔ‘下．

（１－＇３’）‘

Ｊ

㈠

根据式（５）和式（２０），电动机正常运行时Ｈ。＝

ｏ＝（≠若）。系数＾取１．１５，代入热过载保护的特

性方程式（１４）并做幂级数展开，可以得到：

０．２４４

ｆ４

（芒）一－

式（２３）与（２４）形式一致，反时限电流整定值，ｏ

与等值电流‘对应，反时限时问整定值丁，与热时问

常数丁．对应。

分析式（２３）与式（２４），热过载保护根据电动机的物理模型进行设计．考虑到负序的发热效应。能够在电流不平衡时快速动作。另外，由于反时限保护长时问运行积累了成熟的经验整定值，时间常数丁，．也可根据以往反时限保护的整定经验。定量推导得出。

热过载保护利用热模型进行发热散热计算．更加真实有效地反映了电动机的发热情况。在保护电动机免受热过载危害的同时能够充分、合理地利用电动机的过载能力。对于负荷波动大的电动机，热模

万方数据

型能够忠实地跟踪记录每次负荷波动时的发热情况并且进行累计．一旦热累积超过允许值热过载保护就发出跳闸命令：而常规反时限保护在负荷波动较大的情况下。可能会频繁地启动和返回．不能有效地保护电动机免受热过载的危害。

５现场试验

５．１现场试验

依据式（１４），并令矾＝Ｏ，可以画出电动机冷态

特性曲线．即电流一动作时间曲线。

每次试验前．强制继电保护装置的Ｈｏ＝Ｏ以模拟

电动机冷态状态；如果继电保护装置不具有强置矾

的功能。则应将ｒ。设置成最短，并在每次试验前将继电保护装置静置一段时问（大于５・ｒ。），以模拟电动机的冷却过程。

分别向继电保护装置输入１．２，。，１．６，。，２．Ｏ，Ｂ，

５．０１Ｂ，１０．ＯｌＢ的电流，记录继电保护的动作时间，并与冷态特性曲线进行比较。得到动作时问误差。该误差不宜超过理论计算值的±５％或＋１００ｍｓ（取两者中的大值）。

以安装于某矿业公司的ＲＣＳ一９６４Ｘ系列电动机保护测控装置为例。其定值为：，ｃ＝０．４，Ⅱ（，ｎ为互感器二次额定电流）；电动机启动时问为０；々－：１５

ｒａｉｎ；

＆，＝６。每次试验过后，通过热复归开入强制将热模型恢复到“冷态”。其试验结果如表１所示，误差在允许范围内。

表１试验结果

４．３运行

正如前文所述．假如在电动机正常运行时。继电保护装置自身困故退出运行一段时间后再次投入运行时．若装置短时问退出（例如装置复位），应记忆保

护装置退出运行前５・飞数据窗的。计算值作为

重新投入运行时的巩；若装置长时间退出，则将重

新投入运行时刻的，ｏ计算值作为Ｈｏ，以防止继电

保护装置误动作或者拒动。

６结束语

陆征军等：电动机热过载保护研究２３

微机电动机保护装置已经配置了比较完备的热【５］ＡＲＥＶＡＭｉＣＯＭＰ２４１．Ｐ２４２＆Ｐ２４３ＲｏｔａｔｉｎｇＭａｃｈｉｎｅＰｒｏ．

过载保护。为了更好地利用电动机的过载能力同时ｔｅｃｔｉｏｎＲｅｌａｙＴｅｃｈｎｉｅａｌ

Ｍａｎｕａｌ［Ｇ］，２００８，

保护电动机免受热过载的危害，应按照电动机的实【６］陆海峰，王石刚．酋家勇．变频器中电动机过载保护的算法

际特性进行继电保护整定．通过现场试验考察其精及其丈现［Ｊ］．工矿自动化．２００８（４）：３３－３５．

［７ＪＩＥＥＥＳｔｄ６２０—１９９６．ＩＥＥＥＧｕｉｄｅｆｏｒｔｈｅＰｒｅｓｅｎｔａｔｉｏｎｏｆＴｈｅ—

度，在运行过程中也要注意继电保护装置对热积累

ｒｍａｌＬｉｍｉｔＣｕｒｖｃｓｆｏｒＳｑｕｉｒｒｅｌＣａｇｅＩｎｄｕｃｔｉｏｎ

Ｍａｃｈｉｎｅｓ［Ｓ］．

的记忆功能。参考文献：

作者筒介：

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陆征军（１９７３）男，江苏张家港人，工程师。从事继电保护与变电

ｆｉｃａｌ

ｒｅｌａｙｓ［Ｓ］．

站自动化系统的装置研发工作：

［２］ＧＢ／Ｔ１４５９８．１５—１９９８，电气继电器第８部分：电热继电器

王红青（１９６９），男，上海青浦人。高级工程师，从事继电保护与

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电保护与变电站自动化系统的技术管理工作。

Ｒｅｓｅａｒｃｈ

Ｏｉｌ

ｔｈｅ

ＭｏｔｏｒＴｈｅｒｍａｌ

０ｖｅｒｌｏａｄＰｒｏｔｅｃｔｉｏｎＬＵ

Ｚｈｅｎｇ－ｊｉ．ｍ１，ＷＡＮＧ

Ｈｏｎｇ－ｑｉｎ９２，ＺＨＡＯ

Ｈｕａ－ｊｕｎ３，ＺＨＡＯ

Ｘｉ．ａｉｌ

（１．ＮａｎｊｉｎｇＮＡＰ，／一ＲｅｌａｙｓＥｌｅｃｔｒｉｃＰｏｗｅｒＣｏ．Ｌｔｄ．。Ｎａｎｊｉｎｇ２１１１０２，Ｃｈｉｎａ；２．ＥａｓｔＣｈｉｎａＥｌｅｃｔｒｉｃ

ＰｏｗｅｒＴｅｓｔ＆Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ

Ｃｏ．Ｌｔｄ．，Ｓｈａｎｇｈａｉ２００４３７，Ｃｈｉｎａ；３．Ａｎｈｕｉ

ＭｉｎｉｎｇＤｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔＣｏ．Ｌｔｄ，“ｕａｎ２３７４００，Ｃｈｉｎａ）

Ａｂｓｔｒａｃｔ：ＴｈｅＩＥＣ６０２５５・１４９ｍｅａｓｕｒｉｎｇｒｅｌａｙｓａｎｄｐｒｏｔｅｃｔｉｏｎｅｑｕｉｐｍｅｎｔ・－ｐａｒｔ１４９：ｆｕｎｃｔｉｏｎａｌｒｅｑｕｉｒｅｍｅｎｔｓｆｏｒｔｈｅｒｍａｌｐｒｏｔｅｃｔｉｏｎａｎｄ

ＤＩＪｒ７４４ｇｅｎｅｒａｌｓｐｅｃｉｆｉｃａｔｉｏｎｆｏｒｍｉｃｒｏｐｒｏｃｅｓｓｏｒ－ｂａｓｅｄｍｏｔｏｒｐｒｏｔｅｃｔｉｏｎｅｑｕｉｐｍｅｎｔ，ｂｏｔｈｒｅｌａｔｅ

ｔＯｍｏｔｏｒ

ｔｈｅｒｍａｌｏｖｅｒｌｏａｄｐｒｏｔｅｃｔｉｏｎ．Ｔｈｅｐｈｙｓｉｃａｌｐｒｏｃｅｓｓｏｆｍｏｔｏｒｔｈｅｒｍａｌ

ｏｖｅｒｌｏａｄａｎｄｔｈｅｓｔｒｕｃｔｕｒｅ，ｓｅＲｉｎｇ，ｔｅｓｔａｎｄｏｐｅｒａｔｉｏｎｏｆ

ｔｈｅｒｍａｌｏｖｅｒｌｏａｄｐｒｏｔｅｃｔｉｏｎ

ａｒｅ

ｅｘｐｏｕｎｄｅｄｉｎｔｈｅｐａｐｅｒ．Ｂｅｓｉｄｅｓ，ｔｈｅ

ｔｈｅｒｍａｌｏｖｅｒｌｏａｄｐｒｏｔｅｃｔｉｏｎｂａｓｅｄ

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ｍｏｄｅｌａｎｄｔｈｅｃｏｍｍｏｎｉｎｖｅｒｓｅ－ｔｉｍｅｏｖｅｒ－ｃｕｒｒｅｎｔｐｒｏｔｅｃｔｉｏｎａｒｅ

ｃｏｍｐａｒｅｄａｎｄａｎａｌｙｚｅｄｑｕａｎｔｉｆｉｃａｔｉｏｎａｌｌｙ．Ｔｈｕｓ，ｔｈｅｍｏｔｏｒ

ｔｈｅｒｍａｌ

ｏｖｅｒｌｏａｄｐｒｏｔｅｃｔｉｏｎ

Ｃａｌｌｕｓｅ

ｔｈｅｍｏｔｏｒｏｖｅｒｌｏａｄａｂｉｌｉｔｙｒａｔｉｏｎａｌｌｙ．

Ｋｅｙｗｏｒｄｓ！ｍｏｔｏｒｐｒｏｔｅｃｔｉｏｎ；ｔｈｅｒｍａＩｏｖｅｒｌｏａｄｐｒｏｔｅｃｔｉｏｎ；ｔｈｅｒｍａｌｍｏｄｅｌ；ｉｎｖｅｒｓｅ

ｔｉｍｅｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ

（上接第１９页）

ＶｏｌｔａｇｅＣｏｎｔｒｏｌＳｔｒａｔｅｇｙｏｆ５００ｋＶＰｏｗｅｒＧｒｉｄｉｎＶｏｌｔａｇｅＣｅｎｔｒａｌｉｚｅｄＣｏｎｔｒｏｌ

Ｍｏｄｅ

ＪＩＡＮＧＹｕｌ，ＺＨＡＮＧＹｏｎ９１，ＨＵＨｅ－ｘｕａｎ２

（１．ＪｉａｎｇｓｕＥｌｅｃｔｒｉｃＰｏｗｅｒＤｉｓｐａｔｃｈｉｎｇａｎｄＣｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎＣｅｎｔｅｒ，Ｎａｎｊｉｎｇ２１００２４，Ｃｈｉｎａ；

２．ＣｏｌｌｅｇｅｏｆＥｎｅｒｇｙａｎｄＥｌｅｃｔｒｉｃａｌＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｈｏｈａｉ

Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｎａｎｊｉｎｇ２１００９８，Ｃｈｉｎａ）

Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅｍａｎａｇｅｍｅｎｔａｎｄｃｏｎｔｒｏｌｏｆｐｏｗｅｒｓｙｓｔｅｍａｒｅｃｈａｎｇｉｎｇ

ｔＯ

ｔｈｅ“ｂｉｇｌａｉｎ”ｍｏｄｅ，ｗｈｉｃｈｉｓｐｒｏｍｏｔｅｄｎａｔｉｏｎｗｉｄｅ

ｉｎｐｏｗｅｒｒｅｆｏｒｍ．Ｆｒｏｍｔｈｅｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇｐｒａｃｔｉｃｅｖｉｅｗ，ｎｅｗｐｒｏｂｌｅｍｓａｐｐｅａｒｅｄｉｎｓｕｃｈ

ｈｉｇｈｌｙｃｅｎｔｒａｌｉｚｅｄｒｅａｃｔｉｖｅｖｏｌｔａｇｅ

ｃｏｎｔｒｏｌｍｏｄｅ．Ｉｎｏｒｄｅｒ

ｔｏ

ｓｏｌｖｅｔｈｅｓｅｐｒｏｂｌｅｍｓ，ｖｏｌｔａｇｅｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎｃｏｎｔｒｏｌｓｔｒａｔｅｇｙｂａｓｅｄｏｎｒｅａｃｔｉｖｅ

ｖｏｌｔａｇｅｓｅｎｓｉｔｉｖｉｔｙｉｓ

ｐｕｔｆｏｒｗａｒｄ．Ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｒｅｓｕｌｔｓｓｈｏｗｔｂｅｖａｌｉｄｉｔｙｏｆｔｈｅｐｒｏｐｏｓｅｄｃｏｎｔｒｏｌｓｔｒａｔｅｇｙ．Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｖｏｌｔａｇｅｃｏｎｔｒｏｌ；ｒｅａｃｔｉｖｅｖｏｌｔａｇｅ；ｓｅｎｓｉｔｉｖｉｔｙ

何为电离辐射？

辐射足不依人的意志为转移的客观事物。在人们赖以生存的环境中．辐射无处不在。太阳发出的由核反应的光和热。是人类生存所必需的．天然的放射性物质广泛分布于整个环境中。就连我们的身体内，也存在着ｔ４ｃ，ｍＫ以及２１０ｐｏ之类的放射性核索。地球上的所有生命．都足在存在着此类辐射都背景下不断进化而来的。

按照辐射作用于物质时所产生效应的不同，人们将辐射分为电离辐射与非电离辐射两类。电离辐射包括宇宙射线、Ｘ射线和来自放射性物质的辐射。非电离辐射包括紫外线、热辐射、无线电渡和微波。

万方数据

电动机热过载保护研究

作者：作者单位：

陆征军， 王红青， 赵华军， 赵希才， LU Zheng-jun， WANG Hong-qing， ZHAO Hua-jun， ZHAO Xi-cai

陆征军,赵希才,LU Zheng-jun,ZHAO Xi-cai(南京南瑞继保电气有限公司,江苏南京,211102)， 王红青,WANG Hong-qing(华东电力试验研究院有限公司,上海,200437)， 赵华军,ZHAOHua-jun(安徽开发矿业有限公司,安徽六安,237400)江苏电机工程

Jiangsu Electrical Engineering2012,31(3)

刊名：英文刊名：年，卷(期)：

本文链接：http://d.g.wanfangdata.com.cn/Periodical_jsdjgc201203007.aspx