浅谈增安型电机TE时间、启动时间及保护时间的相互关系

14 浅谈增安型电机 t 时间、启动时间及保护时间的相互关系 《电气防爆》20o5，3 浅谈增安型电机tE时间、启动时问及保护时问的相互关系 刘国徽，张玉霞，宋全洲，熊小敏 (南阳防爆集团有限公司，河南 南阳 473008) [关键词]增安电机；t 时间；发热限制曲线；启动；保护 [摘 要]为确保增安型电机的安全运行，介绍了增安型电机的 t 时间、启动时间及保护 时间的含义，用公式、曲线的方法分析了三者的相互关系和影响它们的决定性因素，并对增安 型电机各状态下的保护进行了描述。最后，提出了一种利用发热限制曲线及计算机使其具有 直接与间接温度保护的较为理想的保护方法。 [中图分类号]TM357 [文献标识码]A [文章编号]1004—9118(20o5)03—0014—06 Correlation of the tE，Starting Time and Protective Tile for Increased Safety M otor LIU Guo—hui，ZHANG Yu—xia，SONG Quan—zhou，XIONG Xiao—min (Nanyang Explosion Protection Group Co．，l_zd．，Nanyang 473008，China) Key words：increased safety motor；tE；heating limit curve；startup；protection Abstract：In this article，the intendment of some terms，such as f E，starting time and protective time，related to increased safety motor aye presented，in purpose of safe operation ofthis type ofmotor．Es— pecially，author describes the correlation among the three parameters referring to time by analyzing with formulae and CH／'VeS，as well as the detemainafive factors affected the three parameters．In order to provide a proper application about Ex“e"motor-some of protective measures have been introduced ． In the end，a perfect protective method put forward，which has both direct and indirect temperature protection features， by heating limit curve． O 引言 增安型电动机是一种在防爆性能上低于隔爆 型而高于普通工业用电动机的封闭型防爆电动 机。其防爆原理是在正常运行条件下不会产生电 弧、火花或可能点燃爆炸性混合物的高温的电动 机上，进一步采取安全措施，提高安全程度，以避 免在正常和认可的过载条件下出现这些现象的电 动机。对于增安型三相异步电动机和同步电动机 来说，所采取的主要安全措施之一就是严格控制 电动机的定、转子 t 时间，利用该时间进行电动 机安全保护。 在实际工作中，部分人员弄不清 【E时间、启 动时间和保护时间的含义及相互关系，也有些人 员要将三者之间排排队，下面结合自己的体会，就 该类问题谈谈自己的一点粗浅认识。 l tE时间、启动时间及保护时间的含义 1．1 tE时间 根据相关，t 时间定义为：t 时间是指 在最高环境温度下达到额定运行最终稳定温度后 的电机绕组，从开始通入最初启动电流时计起直 [收稿日期]2005—08—10 [作者简介]刘国徽，男，1972年生，1995年毕业于哈尔滨工业高等专科学校电机与制造专业 ，1999年毕业于洛阳工学院机电 一 体化专业，从事低压特种电机设计 5年，高压电机设计 6年 ，获得国家、省、市级科技成果多项 ，南阳防爆集团有限 公司高压电机主管设计师，工程师，主要从事高压防爆电机设计工作。 维普资讯 http://www.cqvip.com 《电气防爆》20o5，3 浅谈增安型电机 f 时间、启动时间及保护时间的相互关系 15 至绕组温度上升到极限温度的时间。 如果认为定义不易理解的话，可通过图形能 够进一步说明其含义，如图 1所示 ／ ／ ／ 时间 t／s ． ’ 时间 1．额定运行时的温升，K 2．转子堵转试验时的温升，K OA一允许最高环境温度，℃；OB一额定运行时的温度．℃；0Cl-极 限温度 ，℃；t一时间，s；0--温度 ，℃ 图 1 确定增安型电机 ‘E时间的示意图 在该定义的描述中，需要特别注意的两个因 素是启动电流和极限温度 ，分述如下： (1)启动电流 ，^ 启动电流， 是电机启动最初的瞬间电流，是 指交流电动机在“静止”向“运转”状态转变的瞬 间，从供电线路输入额定电压和额定频率时吸收 的最大电流有效值。因为电机在启动的过程中克 服静阻力矩之后，随着转速的升高电流在逐渐下 降，只有起始点的瞬间电流最接近电机本身的堵 转电流，即平时常说的(最初)启动电流。电机启 动过程中的电流可用图形描述，具体情况如图2 所示 ： 转速 (标么值 )n·n 纵轴 1一电机额定电流；横轴 1一电机同步转速；，^一启动电 流(也称为堵转电流倍数 ，^=，_，，N) 图2 电动机启动过程中的速度一电流曲线 (2)极限温度 对于增安型电机，其极限温度值的确定除按 绝缘温度等级外，还应考虑环境中爆炸混合物的 自燃温度，取它们两者中的较小值，然后减去5~C 一 1O℃的安全裕度即可。这里的极限温度有两 条约定： 第一是不能超过 GB 3836．1—2Ooo第 4章规 定的环境温度组别对应的最高表面温度(包括电 机内部所有部件)； 第二是不能超过绝缘绕组极限温度和表 1值： 表 1 符合GB／T11021的绝缘材料 温度测量方法 极限温度 的耐热等级，℃见注2 (见注 1) A E B F H 1．额 定运行时 电阻法 95 llO 12o 13o 155 的极限温度 a)单层绝缘绕 电阻法 90 105 l1O 13o l55 组 温度计法 80 95 100 ll5 l35 b)其他缘绕组 2．tE时间终了 时的极 限温度 电阻法 160 175 185 21O 235 (见注3) 注： 1．只有在不可能用电阻法来测量温度时才允许使用温度 计法来测量温度。本文中的“温度计法”与 GB／T 755中的 意义相同。 2．按照GB／T 11021的符号表示的耐热等级高于 H级的绝 缘材料，其极限温度暂按 H级考虑。 3．这些数值是由环境温度、绕组在额定运行时的温升和 fE时问内的温升所组成的。 1．2 启动时间 ￡ 启动时间 ￡ 是指电动机在零转速的情况下， 交流电动机在静止状态下从额定电压和额定频率 的供电线路中获得启动电流开始计起，拖动额定 负载，直到电机达到额定转速(或额定电流)时所 需要的时间。该时间也可通过图形进行描述 ，如 图 3所示 。 ，^一启动电流(标幺值，也称为堵转电流倍数 ，^=，_IIN)； t 一电机实际启动时间 纵轴 l一电机额定电流 图 3 电动机启动过程中的时间一电流曲线 1．3 保护时间 C B A O p／e谜赠 维普资讯 http://www.cqvip.com 16 浅谈增安型电机 ￡ 时间、启动时问及保护时间的相互关系 《电气防爆》2Oo5，3 保护时间的定义比较广泛，对电机而言可分 作三类： 第一类为防止交流电机冷态启动堵转的保护 时间； 第二类为防止交流电机热态下堵转保护时间； 第三类为防止交流电机长期热过载的保护时间。 第一类可以定义为：交流电动机在 自然环境 温度状态下，从额定电压和额定频率的供电线路 中获得启动电流 ， 开始计起 ，电机一直处于静止 状态(即堵转)，直到电机达到极限温度时所需要 的时间。该极限温度值的确定同 ￡ 时间中的确 定，参与计算的温差不考虑温升因素。一般情况 下，该值远大于启动时间，实际运用中多取比启动 时间稍微偏大一点的值。 第二类可以定义为：是指交流电机达到额定 运行最终稳定温度后的电机绕组，从开始通人最 初启动电流(即堵转)时计起直至绕组温度上升到 极限温度的时间。该时间的确定一定要预留一定 的安全温度。 该极限温度对普通电机而言，主要考虑电机 的定子绝缘温度和转子鼠笼导条或端环的温度， 由于堵转的过程中转子电流一般比定子电流大得 多，端环热容量／发热量的比值又比导条的比值大 得多，在实际的问题考虑中应以电机的导条温度 为主。但对于增安型电机主要考虑的是防爆安全 的温度组别对应的导条温度。 第三类可以定义为：电机在过载过程中热量 积累导致的电机温度升高与极限温度之间的关系 来进行温度保护。该过程的保护时间计算比较复 杂，需要电机的保护系统根据过载电流的大小进 行积分运算后确定电机的保护时间，该计算的依 据是电机厂家设计时根据机组情况提供的时间一 电流曲线，即“发热限制曲线”。 2决定￡E时间、启动时间及保护时间的相关因素 在实际工作中，人们常常会提出这样的问题： 如果电机的 ￡ 时间小于启动时间，那么电机的保 护时间该如何确定呢?实际上，从前面的介绍中 已经将该问题从定义上进行了部分解释。下面从 决定 ￡ 时间、启动时间及保护时间的主要因素进 行介绍，进一步明确该问题。 2．1 ￡ 时间的决定因素 ￡ 时间反映的是增安型电机热态下堵转所 允许的时间，该时间不受负载机组系统状况的影 响，是反映电机本身固有特性的一个重要指标。 该时间分定子部分的 ￡ 时间￡ 和转子的 ￡ 时间 ￡殴，两个时间中哪个短以哪个时间为准。在实际 的工作当中，由于定子的热容量和散热状况都比 转子有利得多，计算中往往都是 ￡＆<￡ 所以多 以转子的 ￡ 时间 ￡＆作为电机整机的 ￡ 时间。 根据有关技术文献，定、转子的 ￡ 时间与下 列因素有关： ￡El OC( l×Cl×Gl×K1)／(P×Tst) ， ． 、 ￡＆OC( 2×C2×G2×K2)／(P×T。t) 式中 ——￡ 时间内的定子允许温升，K — — ￡ 时间内的转子允许温升，K 对于1r3组温度组别 l：155一 2=155一 m 式中 。 Ⅲ——定子绕组额定运行温升，K m — — 额定运行转子表面温升，K 对于小容量增安型电机来说，该值可以通过 电机的对拖做额定温升试验测得；对大容量增安 型电机来说 ，无法通过额定温升试验测试，一般通 过有限元建立温度场进行计算，也可通过下面的 文献公式以定子温升为基准进行转子温升的估 算。文献公式即： = 1．3—1．50Hl (2) 式中 c ——定子绕组材料的比热 C ——转子导条、端环材料的比热 G ——定子绕组材料的重量 G ——转子导条、端环材料的重量 、 — — 定转子系数，鼠笼电机 K =K2=1 P ——电机额定功率，kW 。 — — 启动转矩倍数，即 T =M ／M 从以上可以看出，对 ￡ 时间起决定作用的几 个因素为：定子温升、转子温升、导电材料比热与 重量、启动转矩及电机容量等有关，也与电机本身 的风路、常规冷却方式下的冷却介质等有间接关 系。特别注意：与负载的类型、机组轴系的转动惯 量无关。 2．2 启动时间 ￡ 。 从定义可以看出，启动时间是与电源条件 、电 机本身的机械特性及负载机组轴系特性有关系 的。 维普资讯 http://www.cqvip.com 《电气防爆》2Oo5，3 浅谈增安型电机 t 时间、启动时间及保护时间的相互关系 17 电源条件对启动时间有直接影响，启动时机 端压降直接影响到启动时电机的实际启动转矩， 我们知道转矩的变化同电压的平方变化成正比关 系。频率的变化也直接地影响到启动转矩。转矩 变化直接影响到机组启动过程中的加速系数，影 响到启动时间。 电机本身的特性对启动时间起到决定性的作 用，如电机启动转矩的大小，转子转动惯量的大 小，电机的功率、转速、电流等等。 负载特性对电机的启动时间有直接影响，也 起到决定性的作用。如负载转动惯量的大小，负 载阻力矩特性等。如果负载的转动惯量过大，机 组有可能无法实现启动到全速(通常所说的“爬 行”)，也就谈不上启动时间。 根据有关文献介绍，电机的启动时间(或机组 的启动时间)与以上因素呈如下关系： 启动时间‘ [(GD 载+G魄机)×凡 ]／[K× PN×(Ku ×Tst一71平均负载)] (3) 式中 GD 载——除电机以外机组轴系折算到电 机轴端的转动惯量 G魄机——电机转子本身的转动惯量 n ——电机的额定转速 K ——系数 P ——电机的额定功率 K ——电机启动时的机端压降系数 Tst——启动转矩倍数 r平均负载——负载的平均阻力矩倍数 为达到准确计算 ，电机的时间加速系数可以 用电机启动转矩曲线和负载阻力矩曲线比对，进 行积分运算。这样，能够反应电机在启动过程中 的每一时刻的具体情况，这种计算稍微有点复杂， 但更接近实际情况。 2．3 电机的保护时间 电机的保护时间是根据电机的 ‘ 时间、启动 时间 ‘ 和电机本身的热特性来制定的。电机的 保护时间仍然分三类来介绍： (1)第一类——冷态启动时的保护时间 一 般来说，冷态启动时不受 t 时间的限制， 从定义可知：‘ 时间仅限于热态堵转情况。冷态 堵转所允许的时间远大于 tE时间。冷态的保护 时间应略大于电机的启动时间，一般约延长2 3 s。 电机的该类保护时间与 ‘ 时间无关，启动时一般 将 f 保护线路拖开，启动完成后再将该部分的控 制保护加入系统。 (2)第二类——热态时堵转的保护时间 该类保护时间直接受到 ‘ 时间的制约，必须 要小于或等于电机的 ‘ 时间。否则，增安型电机 的关键安全防线就没有了。该时间与电机的启动 时间没有直接关系。 (3)第三类——电机热过载的保护时间 电机热过载的保护时间是要根据电机的热过 载情况，通过保护软件计算确定后发出指令，由控 制元件来执行的。 总之，增安型电动机各种状态下的保护，用户 可以通过特殊计算和制作的 “发热限制曲线”为 依据来进行设定的。发热限制曲线简单描述如图 4所示 ： ∞ 庭 鲁 A ● { I ． - l 、i _。 一 一 一 。 ⋯ - ⋯ 一 、 ． 、 ～ 。 一 、 。 ． 一 ． 一 、 ． ’ ＼ 一 ． E 一 ⋯ 一 ⋯ ． ＼ ． 、 ： ＼ 。 ， ＼ — = ． 一 】 - - l1■ ■l二 一 ．～ 一 ～ ⋯ 二 二一．．．二． 二 _I ． { ! ． f ： I 。 ． i } ! 一 电机启动过程中的电流 I· 该图假设电机的堵转电流倍数为5．9倍的情况。其中的 A— B段为电机的允许一般过载情况；E—F段为电机的热态严重过载 及堵转状况；C—D段为电机的热态严重过载和堵转情况。其中 F点为冷态的允许堵转时间，D点为热态允许最大堵转时间，即 ‘￡时间。 图 4 电动机发热限制曲线 该曲线横轴为电流，纵轴为时间，曲线的计算 和绘制过程中隐含的关键和决定性因素是极限温 度。 注：该曲线的绘制是综合考虑电机的电气特 性、发热、冷却、实际工程电网条件、负载特性、机 组轴系、定转子绕组材料动态下稳定温度耐受值 以及使用场所温度组别等条件下，经过多方位计 维普资讯 http://www.cqvip.com 18 浅谈增安型电机 f 时间、启动时间及保护时间的相互关系 《电气防爆》2O05，3 算得出来的。 由于文章篇幅所限，该曲线具体如何计算及 绘制本文不作具体叙述。 3 zE时间、启动时间及保护时间的相互关系 有人认为对增安型电动机来说，￡ 时间、启 动时间及保护时间三者关系应该为：启动时间 < 保护时间 <￡ 时间，也有人认为：启动时间 <￡ 时间<保护时间。其实，从三种时间的定义可知， 除热态堵转保护时间必须不大于 ￡ 时间之外，三 者之间并没有根本性的联系。如果非要将其排个 队出来是没有必要的。但从电机本身的角度来 说，三者之间又有着相辅相成的内在联系： 3．1 极限温度对三者起到决定性作用 对三者来说，起最终和根本性决定因素的是 极限温度，如果电机设计的电气参数宽松、热容量 大(即温升偏低)，则电机的允许启动时间就相对 较长，￡ 时间通过计算也较长，保护时间自然就 可以相对延长，反之则相反。 3．2 如果三者必须排队，必须区分状态 冷态启动时，保护时间必须大于启动时间，但 要根据“发热限制曲线”进行过程监控， ￡ 时间无关紧要。 热态启动时，不出现堵转情况，启动时间 <保 护时间≤1．7倍(参考相关文献)￡ 时间。 注：如果出现大于 1．7倍 ￡ 时间的情况，就 属于启动困难，必须改善负载机组的启动条件。 热态堵转时，保护时间必须不大于 t 时间， 启动时间无关。 热态过载时，保护时间要通过计算机分析过 载情况 ，利用“发热限制曲线”的限定条件进行保 护确定。 3．3 f 时间够用就行 当然，对设备的使用者来说 ￡ 时间越长越 好，实际上是心理安慰——越长越安全。但对于 保护系统来说，只要 ￡ 时间的长度能够大于系统 保护装置的动作和反应时间，就能够保证电机的 安全运行。如果时间过长，实际上是一种功能过 剩带来的浪费。因为，电机在保证 ￡ 时间延长 10％的情况 下，相应 的材料?肖耗 大约要增加 10％。举个例子：如果电机的 ￡ 时间为 5 s，如果 要将其延长到 6 s，则电机转子铜(铝)材的消耗要 增加 20％。如果受系统的制约，必须提高 ￡ 时间 也能理解，如果认为越高越安全，那就造成国家有 色金属材料没必要的大量浪费。 3．4 如何将 ￡ 时间做得最经济 对电机来说，￡ 时间分定子 ￡ 时间和转子 ￡ 时间两个部分，两者中取较小值作为电机整机 的 ￡ 时间。鉴于此，在考虑电机电气特性的条件 下，尽量将两部分的 ￡ 时间设计得越接近越好。 4 增安型电机的温度保护 增安型电机的保护除常规的保护之外，最重 要的一点就是温度保护。常规的温度保护有两种 保护方式：一种为直接保护，一种为间接保护。 所谓间接保护，是用过流断路器或过流继电 器对增安型电机进行过载和堵转保护，它是通过 电机的电流间接地监视绕组的发热情况。换句话 说，是借助电机电流的变化引起继电器的断开，从 而切断电源，起到温度保护作用。这种方法是大 家普遍采用的，但其缺点是当频繁启动、电网异常 或负载突变时，就不能起到很好的温度保护作用。 所谓直接保护，是在定子绕组中埋置测温元 件，并配合控制设备对增安型电机进行有效的温 度保护，这种保护装置是通过温度来实现的。 常用的方法为：高压电机在定子绕组的槽内埋置 铂热电阻，低压电机在绕组端部埋置热电偶或热 敏电阻。这种方法虽然能够对电机的定子进行很 好地直接监控，但是转子部分的温度却无法识别， 整机的安全保护存在一种潜在的隐患。 其实，对增安型电机有一种比较理想的保护 方法：利用特制的“发热限制曲线”，通过微机使 “二者保护方式兼容”，简单描述如下： 电机的设计过程中，综合考虑机组系统的机 械特性 、电网的容量及启动压降、电机本身的结构 特点、冷却效果和电磁特性等，以设备的使用场所 温度组别对应的温度为基准(增安型电机与普通 电机的不同之处)，参照电机的绝缘与耐热温度， 进行综合计算，绘制出增安型电机的发热限制曲 线。实际保护的过程中以曲线的各段为依据，以 ￡ 时间为基准，按约定的逻辑框图编制程序，运 用计算机进行在线监控，对多种可能出现的电流 信号提取和计算 ，根据运算结果进行在线监视。 其间，将轴承、定子测温元件的温度信号直接引入 计算机，作为否定项，利用设定的电流及时间继电 器作为执行元件，进行主电机的温度综合控制，能够 维普资讯 http://www.cqvip.com 电气防爆>20o5，3 浅谈增安型电机 ￡ 时间、启动时间及保护时间的相互关系 l 9 确保增安型电机不在任何非安全温度状态下运行。 保护过程中的简易逻辑框图如图 5所示。 几1}牵程宁 动I ．二二]二二 ． 一 }诊断钋固设备情况?I—N一 臣警!并发出故障位置指令I IY f N f自动外围设备(油、水、f乜 L等)l+ 1∑ l启动主电机 } } i捧投入曲 }《向C-D段、堵转．嚷行超出对应H·n词?h I、 匾亟匝圈 I 囹 一 N一匡互[ I l Y IY I Y f I I报警!并投入曲线 ＼一f{段if报警!并投入曲线I 一F段l l f ． i ． f I l超出对 ，时r日j?I f I ————'T——一 l l I保护动作结果卜_I1 L匡至互习一N一匡 匦墅 、 +圃 图5 保护过程中的简易逻辑框图 注： 【}1的启动时间 1．05、2．2的界定可以根据具体情况(如 电机的窬量及其他综合参数)进行适 当的调整。 5 结束语 对增安型电机的综合保护有较多的方法 ，随 着电子和计算机技术的发展，能够将其控制系统 做得更好 、更安全。 参考文献 1]CB 3836．1—2OOO，爆炸性气体环境用电气设备 第 1部分 ：通用要求[S] [2j CB 3836．3—2OOO，爆炸性气体环境用电气设备 第 3部分：增安型“e” S]、 [3]j 页伍等．增安型电机的温度保护[J]．爆炸性环 境电气防爆技术，1998，(4)：20～23． 欢迎订 阅 中国标准刊号： 2006年 电气防爆 杂志 内窖丰富 毫业察用 《电气防爆》刊物由南阳防爆电气研究所主办，是我国唯一的 电气防爆安全技术专业期刊，创刊于 1959年。本刊为季刊，16开 ， 48码，国内外公开发行。每期6元，全年27．6元 (含邮费)。 《电气防爆》杂志主要面向石油、化工、煤炭、军工、机械、纺 织、冶金 粮油加工等存在易燃易爆物质的行业及相关行业和大 专院校、科研院所等部门中的防爆电气产品设计、制造、维护，管 理等人员。 杂志设置的主要栏目有防爆专述、场所划分、产品选型．设计 工艺探讨、质量与安全、防爆标准、产品检验、防爆产品、防爆知 识园地 使用与维护 事故分析、国外防爆、产品检测。防爆专利。 防爆文摘等。 国内邮笈代号：36-f 85 地址：河南省南阳市仲景北路20号 《电气防爆 期刊编辑部 邮编：473008 电话：0377—63258545 传真：0377--63225471 E-mail：dqfb@china—ex ． com 维普资讯 http://www.cqvip.com