电机保护 - 故障类型和保护装置

电机故障种类及保护装置

常见的电机故障和故障

了解和理解电机故障和故障很重要 定义最合适的保护装置 对于每个案例 .您还必须了解与电机控制和保护相关的重要术语。

作为非静态机器 电机 受到电气和机械应力 .

电机故障 有三种基本类型 :进步的电气、机械和机械 进入电气 .

常见的电机故障和故障类型 分别是：

• 轴承故障
• 绝缘击穿
• 转子锁定
• 过热
• 过载（电气和机械）
• 相位不平衡和任何电压不平衡都会导致更高的电流不平衡。
• 倒车
• 轴不对中
• 振动

过热 可能发生在电机尺寸过小 , 低速冷却不足 当使用变速驱动器 (VSD ), 负载变化 在电机上 例如卡住的设备 和炎热的环境条件 .

绝缘击穿 ，导致绕组烧毁 ， 暗示短路 在电机内或在电机的电源电路内 ，并且可能由过热、过载和过电压引起 .

大约80% 电动机故障 是电机定子绕组损坏和轴承故障 .

轴承故障 在电机上可以是一个指示 不正确的方位 应用程序 .

垂直安装的电机 需要不同的轴承 然后是一个水平安装的电机 . 驱动大型或多皮带驱动器的电机 需要承受较大径向载荷的轴承 . 用螺栓固定的电机 扭曲的底板会扭曲 .

轴承 通常是小 与其他主要电机组件相比 ，使它们特别容易受到损坏和磨损;一些研究将一半以上的电机故障归咎于轴承故障 ，其中大部分是润滑过少或过多 . 轴承故障的另一个重要原因 是错位 .

轴错位 将毁灭 轴承 在他们完整的工作生涯之前 . 电机轴 必须直接与它所驱动的轴成一直线 只有才能实现 使用精确对齐技术 比如激光 .

其他问题 电机可能发生的情况是：

• 水和灰尘进入定子线圈或端子外壳导致短路
• 软脚马达脚用螺栓固定在水平之外
• 错误的电机安装或外壳类型
• 电气或机械不平衡

噪音 表示运动问题 但通常不会造成损坏 . 噪音 然而，通常伴随着振动 .

振动 可以以多种方式造成损害 .它倾向于使绕组松动 和机械损坏绝缘 通过开裂、剥落或磨损材料 . 过度运动和电刷火花在换向器或集电器环上引起的引线脆化也是由振动引起的。

最后，振动 能否调速轴承故障 通过使滚珠“布氏”套筒轴承 被敲变形或外壳松动 .

每当噪音或振动 在运行的电机中发现，来源 应该迅速隔离和纠正 .

看似明显的噪音或振动来源可能是隐藏问题的征兆。因此，通常需要进行彻底的调查。

噪音和振动 可能由电机轴未对准引起 或者可以传送到电机 来自从动机器或动力传输系统 .它们也可能是电机中的电气或机械不平衡造成的 .

电气不平衡 当定子和转子之间的磁吸引力时发生 周围不均匀 电机周边 .这会导致轴偏转 当它旋转创建一个 机械不平衡 . 电气不平衡 通常表示电气故障 例如开路的定子或转子绕组 , 一个开放的条形或环 鼠笼式电机 或励磁线圈短路 在同步电机中 . 不均匀的气隙，通常来自严重磨损的套筒轴承，也会产生电气不平衡 .

机械不平衡的主要原因 包括安装变形、轴弯曲、转子平衡不良、转子部件松动或轴承损坏 . 噪音 也可能来自风扇撞击框架、护罩或护罩内的异物 .如果轴承坏了 ，如轴承噪音过大所示 ，有必要确定轴承失效的原因 .

电机可能面临的另一个问题是启动时间长 .如果电动机受到多次连续启动 , 转子绕组或转子棒 可能会加热到转子条和端环之间的电气连接损坏的程度 .

电机保护装置

不管额定电压和尺寸 电机有过电流（短路）和过载保护 .

中小型低压电机 通常只受到保护防止过载和短路 和大型低压电机和中压电机 还有其他保护措施 .

过载和过流保护 必须设计为对启动时的浪涌电流不敏感 , 以避免 过早断电 .

适用于低压电机 过电流和短路保护 可以由 fuses 执行 , 与隔离开关或瞬时跳闸断路器相关 立即响应 （几乎是瞬间 ) 短路、接地故障或堵转电流的电流值 .

反时限断路器 具有热行程和瞬时行程功能 并且预设为标准水平的行程 .

这是住宅、商业和重型建筑行业中最常见的断路器类型。

热作用 这个断路器 响应热 .如果电机的通风入口和出口不足以散发绕组的热量 电机，热量将被检测到 通过热作用 断路器 .

如果短路 应该发生，磁作用 断路器 将检测电流的瞬时值并使断路器跳闸 .

保险丝 通常不适用于过载保护 , 因为如果大小可以提供过载保护 ，它们由于电机浪涌电流高而在电机启动时会烧毁 ，尽管它们可以用作过载备份保护 .

保险丝保护 存在单相损坏风险 只有一根保险丝熔断 除非提供单相保护;这个话题将在本章后面讨论。

大尺寸低压电机和中压电机 防止短路 （相间和相对地 ) 通过过电流继电器 (50; 50N; 51; 51N ) 连接到 CT .

防止重载 通常由热过载继电器保证 .该继电器可以有以下几种：

双金属条

一个热过载保护 将容纳 电动机的短暂高启动电流 同时准确保护 它来自运行电流过载 . 加热线圈 和动作 双金属条 引入时间延迟 让电机有时间启动并进入正常运行电流 没有热过载跳闸 . 热过载保护 可以手动或自动重置 取决于他们的应用并有一个调节器 这允许它们准确设置为电机运行电流 .

环境温度 其中有一个启动器和电机 必须考虑 当选择双金属片继电器时 因为高环境温度会减少过载跳闸时间 .

减少过载跳闸时间 可能导致令人讨厌的跳闸 如果电机的环境温度比启动器低 并导致电机烧坏 当电机的环境温度高于启动器时 .

大多数热过载设备 额定用于最高温度为 40 ºC ，并且可能需要继电器降额 .

大多数中继 可在一定范围内调整 来自 85% 至 115% 他们的价值。

部分型号提供环境补偿 . 环境补偿设备 行程点 不受环境温度影响 并在相同的电流值下始终如一地执行。

这种类型的继电器常用于中小型低压电机 .

标准和制造商的数据通常显示推荐的法规设定点 根据电机的额定功率选择这种类型的继电器;相同的表格还显示了推荐的保险丝额定电流 （aM 或 gG 类型 – 参见第 2.4 节）和瞬时断路器 与过流保护继电器相关 ，如表3所示。

表 3 – 用于电机保护的额定熔断器电流

电子数字过载继电器

这种类型的保护用于大型低压电机和高压电机 ，并包含一个微处理器 .这些设备可以通过监控电机电流来模拟电机绕组的发热，还可以包括计量和通信功能。

大型低压电机和中压电机的共同保护 通常由以下保护装置完成：

• 过载保护：49
• 瞬时相过电流：50
• 瞬时接地过电流：50N/50G
• 延时相过流：51
• 延时接地过电流：51N/51G

在某些情况下 不建议保护电机免受过载; 消防水泵和排烟风机就是这种情况 .

非常大型低压电机和中压电机 价格昂贵，通常明智的做法是提供更全面的保护方案 .此类方案包括：

• 轴承温度监测和保护（38 )
• 差动保护（87M )
• 启动顺序不完整/启动时间过长保护（66 )
• 负相序（反相保护 )
• 过热保护
• 相不平衡或断相保护 (47 )
• 堵转或堵转保护
• 欠压和过压保护（27 59 ，分别）
• 振动监测和保护 (39)
• 绕组温度监控器和保护装置

低压和高压电机的差动保护

差分保护 通常用于中型和大型电机 电源电压大于约 4 kV , 和 电动 （分流 ) 断路器 . 差动保护 提供电机定子绕组上的高速方向和故障清除 .

• 另请阅读：如何计算 LT 和 HT 电机的电缆尺寸

如果电源系统牢固接地，差动保护将检测到 相间和相间故障 .

带差分保护 比较每个绕组两端的电流以确定何时存在故障情况 .

这个功能需要两套CT , 一个在电机馈线的开头，另一个在中性点 .

差动保护功能 只能使用 如果每个定子相的两边都引出电机外接 使得进出各相的相电流 可以测量 . 差异化元素 从流入各相的电流中减去流出各相的电流，然后将结果或差值与差分启动电平进行比较。

如果此差值等于或大于接送水平，则会发生行程 .

图 19 显示了这种保护的示例。

图 19 – 电机差动保护

使用六CT 在求和配置中 , 在电机启动期间，每相两个 CT 的值可能不相等 l 作为CT 不完全相同 和不对称电流 可能会导致每个相位上的CT有不同的输出 .

防止误绊 在此配置中，差分级别 可能必须设置不那么敏感 ，或微分时间延迟 可能必须延长以度过电机启动期间的问题期 .

运行差分延迟 然后可以微调 应用程序，使其响应速度非常快 并且对低差分电流水平敏感 .

绕组过热 保护通常使用电阻温度检测器 （RTD ) 和热敏电阻 和自动关闭设备 可以安装。连接单独的增压风扇 帮助电机风扇 解决过热问题 当一个 VSD 用于控制电机速度 埃德。

启动顺序不完整/启动时间过长导致转子过热 .

因为无法物理测量鼠笼式电机转子的热量 有必要确定热量 通过测量转子通过定子的电流 来激励转子。 热复制品 使用 I ² 建立转子的 t 曲线 .

重启禁止 将阻止用户启动电机 如果继电器确定转子达到会损坏转子的温度 是否应该尝试开始 .因此，继电器将只允许重新启动 如果转子有足够的热储备来启动 .

轴承保护 通常由 RTD 执行 和 t热敏电阻 监测温度 .

防震 使用传感器/加速度计 通常放置在电机和轴承上的关键位置 .

自轴承 是机械传动系统的承载部分，加速度计 应该放在输入和输出上

图 20 显示了振动传感器和推荐位置的示例。

图 20 - 电机振动传感器

现在 IED （参见第 2.1 节）将所有必需的保护功能分组 常用于大型低压电机和中压电机 .

关于作者：Manuel Bolotinha

- 电气工程副学士学位 - 能源和电力系统（1974 - Instituto Superior Técnico/里斯本大学）
- 电气和计算机工程硕士学位（2017 - Faculdade de Ciências e Tecnologia/新里斯本大学）
– 变电站和电力系统高级顾问；专业导师