起重電機(jī)專業(yè)生產(chǎn)廠家無錫宏達(dá)2022年5月27日訊 在低壓電動(dòng)機(jī)回路中，電動(dòng)機(jī)保護(hù)型斷路器常用作過載和短路保護(hù)元器件，對于過載保護(hù)其特性與熱繼電器反時(shí)限特性要求一樣，斷路器在電動(dòng)機(jī)起動(dòng)電流下的脫扣時(shí)間要大于電動(dòng)機(jī)起動(dòng)時(shí)間，以避免起動(dòng)過程中過載保護(hù)誤動(dòng)作。對于短路保護(hù)，一方面瞬時(shí)保護(hù)整定值要滿足短路保護(hù)靈敏度的要求，整定值不能設(shè)定太高；另一方面瞬時(shí)保護(hù)整定值要躲過電動(dòng)機(jī)起動(dòng)瞬間出現(xiàn)在第一個(gè)半波的接通電流峰值，整定值不能設(shè)定太低，這與保護(hù)靈敏度的要求是相互矛盾的。
由于斷路器瞬時(shí)保護(hù)整定值一般有±20%的誤差范圍，電動(dòng)機(jī)接通電流峰值與額定電流以及起動(dòng)電流之間的關(guān)系在設(shè)計(jì)手冊或規(guī)范里一般以經(jīng)驗(yàn)倍數(shù)呈現(xiàn)。如何確定斷路器瞬時(shí)保護(hù)整定值與電動(dòng)機(jī)起動(dòng)時(shí)接通電流之間的關(guān)系，以及如何分析電動(dòng)機(jī)起動(dòng)過程中斷路器瞬時(shí)保護(hù)誤動(dòng)作的原因，是本文的主要目的。希望通過本文的討論，為電動(dòng)機(jī)保護(hù)設(shè)計(jì)和現(xiàn)場故障處理提供參考。
一、電動(dòng)機(jī)接通電流峰值與額定電流的關(guān)系
《工業(yè)與民用配電設(shè)計(jì)手冊》第三版簡述了籠式三相電動(dòng)機(jī)的起動(dòng)特性，起動(dòng)過程中電動(dòng)機(jī)的電流是隨著轉(zhuǎn)速變化。接通后的暫態(tài)過程與短路類似，首先出現(xiàn)一個(gè)沖擊電流（接通電流一筆者注），峰值發(fā)生在第一個(gè)半波，在第二、三周波內(nèi)急劇衰減。在隨后的絕大部分起動(dòng)時(shí)間內(nèi)，電流相對穩(wěn)定，但隨著轉(zhuǎn)速的升高而略有下降。在接近額定轉(zhuǎn)速時(shí)，電流迅速下降；起動(dòng)結(jié)束時(shí)，降至電動(dòng)機(jī)額定電流或更低。接通電流峰值（最大值）是指包括周期分量和非周期分量的全電流瞬時(shí)最大值，其大小取決于接通瞬間的相位和起動(dòng)回路電阻與電抗比值。上海電器科學(xué)研究所曾對52臺電動(dòng)機(jī)做過現(xiàn)場實(shí)測，起動(dòng)時(shí)第一個(gè)半波全電流有效值一般不超過起動(dòng)電流的2倍，個(gè)別可達(dá)2.3倍。通常，接通電流峰值可取起動(dòng)電流的2√2倍。
《工業(yè)與民用配電設(shè)計(jì)手冊》第四版對電動(dòng)機(jī)接通電流峰值的描述與第三版有所不同，接通電流峰值：是指包括周期分量和非周期分量的全電流最大值。這一數(shù)值的大小決定于接通瞬間的相位和啟動(dòng)回路電阻和電抗的比值。關(guān)于接通電流峰值與啟動(dòng)電流（第四版為堵轉(zhuǎn)電流，籠式電動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)電流應(yīng)取其堵轉(zhuǎn)電流。）的比值與第三版也不同，接通電流峰值一般不超過堵轉(zhuǎn)電流的2倍，個(gè)別可達(dá)到2.3倍。
西門子技術(shù)出版物《低壓開關(guān)電器和開關(guān)設(shè)備手冊選用準(zhǔn)則與設(shè)計(jì)指南》對籠式電動(dòng)機(jī)接通電流峰值（最大值）與起動(dòng)電流（有效值）的關(guān)系和《工業(yè)與民用配電設(shè)計(jì)手冊》第三版相同，接通電流峰值（最大值）等于起動(dòng)電流的2√2倍，起動(dòng)電流（有效值）等于（4~8.4）倍電動(dòng)機(jī)額定電流。
發(fā)表于1971年《低壓電器技術(shù)情報(bào)》期刊上的《電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)電流值測量的試驗(yàn)報(bào)告》記錄了上海電器科學(xué)研究所對52臺電動(dòng)機(jī)的測試數(shù)據(jù)和分析過程，其中結(jié)論之一如下：電動(dòng)機(jī)在實(shí)際使用過程中，其直接啟動(dòng)電流的第一個(gè)峰值是額定電流峰值的8倍以下為少數(shù)、8～12倍占據(jù)大多數(shù)，個(gè)別電動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)電流的第一個(gè)峰值是其額定電流峰值的13倍以上。電動(dòng)機(jī)起動(dòng)過程中接通電流峰值Inrush current(Peak)、接通電流有效值Inrush current(RMS)、起動(dòng)電流Starting current RMS）、額定電流Motor rated current（RMS）波形如圖1所示，依據(jù)《電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)電流值測量的試驗(yàn)報(bào)告》中的結(jié)論可以得到：接通電流有效值Inrush current(RMS)與額定電流motor rated current（RMS）之間的比值8倍以下為少數(shù)、8~12倍占據(jù)大多數(shù)，最大可能到13倍以上。
《電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)電流值測量的試驗(yàn)報(bào)告》中的結(jié)論也解釋了我們平常所說的電動(dòng)機(jī)保護(hù)型斷路器的瞬時(shí)保護(hù)整定電流值（或磁脫扣電流值）大多數(shù)不超過額定電流的14倍，甚至當(dāng)我們用D型家用微斷用作電動(dòng)機(jī)短路保護(hù)元器件時(shí)，也很少出現(xiàn)起動(dòng)過程中斷路器誤動(dòng)作的現(xiàn)象，這是因?yàn)镈型家用微斷的磁脫扣電流范圍為10In~14In，當(dāng)過電流低于10In時(shí)，斷路器磁脫扣一定不動(dòng)作（此時(shí)熱脫扣保護(hù)動(dòng)作），當(dāng)過電流大于14In時(shí)，斷路器磁脫扣一定動(dòng)作，當(dāng)過電流介于10In與14In之間時(shí)，斷路器有可能磁脫扣也有可能熱脫扣。由于電動(dòng)機(jī)接通電流有效值與額定電流比值大多數(shù)介于8~12倍之間，少數(shù)低于8倍或高于13倍，所以普通D型家用微斷有時(shí)候能躲過電動(dòng)機(jī)起動(dòng)瞬間的接通電流，只有當(dāng)出現(xiàn)誤動(dòng)作時(shí)，才需要進(jìn)一步分析電動(dòng)機(jī)的接通電流值是否接近或超過了D型微斷磁脫扣的上限值14In。
以實(shí)際產(chǎn)品為例。如圖2，GV2ME32C電動(dòng)機(jī)保護(hù)型斷路器其磁脫扣電流為416A，誤差范圍±20%，這表示當(dāng)過電流低于磁脫扣電流下偏差即332.8A時(shí)，斷路器磁脫扣一定不會(huì)動(dòng)作（此時(shí)熱脫扣保護(hù)動(dòng)作），當(dāng)過電流大于磁脫扣電流上偏差即499.2A時(shí)，斷路器磁脫扣一定動(dòng)作，當(dāng)過電流介于332.8A與499.2A之間時(shí)，斷路器有可能磁脫扣也有可能熱脫扣。GV2ME32C的熱脫扣設(shè)定范圍為24~32A，它可以為額定電流為24~32A之間的電動(dòng)機(jī)提供過載保護(hù)，磁脫扣電流與熱脫扣整定電流的比值最小為416/32=13，最大值約為17.3，參考《電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)電流值測量的試驗(yàn)報(bào)告》中的結(jié)論，可以躲過大多數(shù)電動(dòng)機(jī)起動(dòng)瞬間的接通電流。
斷路器的瞬時(shí)保護(hù)電流整定值一般以有效值表達(dá)，當(dāng)電動(dòng)機(jī)起動(dòng)瞬間出現(xiàn)在第一個(gè)半波的的接通電流峰值已知時(shí)（例如用示波器實(shí)測），要整定斷路器瞬時(shí)保護(hù)電流值或判斷電動(dòng)機(jī)起動(dòng)過程中斷路器瞬時(shí)保護(hù)是否會(huì)誤動(dòng)作，就需要將實(shí)測的接通電流峰值除以轉(zhuǎn)換為接通電流有效值，再與瞬時(shí)保護(hù)整定值（有效值）進(jìn)行比較，同時(shí)需要考慮整定電流誤差范圍的影響，最保守的整定方案是瞬時(shí)保護(hù)整定電流下偏差值大于接通電流有效值。例如，對于符合GB14048.2標(biāo)準(zhǔn)的斷路器，由于瞬時(shí)保護(hù)整定值（或磁脫扣電流值）Irm的誤差范圍為±20%，更保守的整定是0.8Irm要大于接通電流有效值；對于符合GB10963.1家用微斷標(biāo)準(zhǔn)的D型斷路器（只用作電動(dòng)機(jī)短路保護(hù)時(shí)），磁脫扣電流的下限值10In要大于接通電流有效值，這樣斷路器瞬時(shí)保護(hù)在電動(dòng)機(jī)起動(dòng)過程中才不會(huì)誤動(dòng)作。
電動(dòng)機(jī)保護(hù)斷路器的瞬時(shí)脫扣電流值如何整定（下）
賓昭平
二、電動(dòng)機(jī)接通電流峰值與起動(dòng)電流的關(guān)系
實(shí)際應(yīng)用中，電動(dòng)機(jī)的接通電流峰值如果不是實(shí)際測量就無法獲取準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)，這給設(shè)計(jì)階段斷路器瞬時(shí)保護(hù)整定帶來不便，但電動(dòng)機(jī)廠家會(huì)提供額定電流和起動(dòng)電流參數(shù)，所以設(shè)計(jì)規(guī)范里常常以起動(dòng)電流為基準(zhǔn)，選取一定的系數(shù)再整定斷路器瞬時(shí)保護(hù)電流值。如圖3為ABB M2BAX型電機(jī)參數(shù)，Ix為電動(dòng)機(jī)額定電流，Is/Ix就是起動(dòng)電流與額定電流的比值，一般情況下比值范圍為4.8~8之間，對于IE3高效電機(jī)，其起動(dòng)電流倍數(shù)會(huì)增加13.5%左右。
GB/T21210-2016單速三相籠型感應(yīng)電動(dòng)機(jī)起動(dòng)性能中對接通電流峰值和起動(dòng)電流之間的關(guān)系做了歸納總結(jié)：電動(dòng)機(jī)接通電流時(shí)會(huì)有一個(gè)0.5周的不對稱瞬時(shí)峰值電流，為穩(wěn)態(tài)值（起動(dòng)電流穩(wěn)態(tài)值--筆者注）的1.8倍~2.8倍，此電流的峰值與衰減時(shí)間與電動(dòng)機(jī)的設(shè)計(jì)及合閘相角成函數(shù)關(guān)系。這說明當(dāng)我們已知某電動(dòng)機(jī)的起動(dòng)電流參數(shù)時(shí)，可估算其接通電流峰值為1.8~2.8倍起動(dòng)電流，如果換算成接通電流有效值則約為1.3～2倍起動(dòng)電流。
GB50055-2011通用用電設(shè)備配電設(shè)計(jì)規(guī)范中，用于電動(dòng)機(jī)短路保護(hù)的斷路器，其瞬時(shí)過電流保護(hù)整定值應(yīng)取電動(dòng)機(jī)起動(dòng)周期分量最大有效值的2~2.5倍，也是考慮到電動(dòng)機(jī)起動(dòng)電流的第一個(gè)半波的有效值通常不超過其周期分量有效值的2倍，個(gè)別可達(dá)2.3倍。由于瞬時(shí)過電流脫扣器動(dòng)作與斷路器固有分?jǐn)鄷r(shí)間無關(guān)，例如施耐德Micrologic 1.3M電動(dòng)機(jī)保護(hù)型脫扣器（如圖4），其瞬時(shí)保護(hù)的非脫扣時(shí)間為0，即只要電動(dòng)機(jī)接通電流有效值（或故障電流）達(dá)到瞬時(shí)保護(hù)整定值就會(huì)動(dòng)作，最大分?jǐn)鄷r(shí)間不會(huì)超過30毫秒，所以瞬時(shí)保護(hù)整定值應(yīng)躲過電動(dòng)機(jī)起動(dòng)電流第一半波的有效值（即接通電流有效值-筆者注），或采用短延時(shí)保護(hù)躲過接通電流。
施耐德技術(shù)資料Complementary technical information 2019從斷路器保護(hù)的角度用圖形直觀地展示電動(dòng)機(jī)接通電流峰值與斷路器瞬時(shí)保護(hù)整定值之間的關(guān)系，如圖5所示，In為電動(dòng)機(jī)額定電流；Id為電動(dòng)機(jī)起動(dòng)電流（有效值），一般為電動(dòng)機(jī)額定電流的5.8~8.6倍；Id"為電動(dòng)機(jī)接通電流峰值（峰值），為起動(dòng)電流的2~2.5倍，這一倍數(shù)范圍與GB/T21210-2016里相近（注：GB/T21210-2016里接通電流峰值為1.8~2.8倍起動(dòng)電流）；Irm為斷路器瞬時(shí)保護(hù)整定值（有效值），誤差范圍±20%。
對于普通電動(dòng)機(jī)，接通電流峰值與起動(dòng)電流的比值范圍為2~2.1，對于高效電動(dòng)機(jī)，比值范圍為2.2~2.5，如表1所示。如果轉(zhuǎn)換成接通電流有效值與起動(dòng)電流的比值，兩種電機(jī)取值范圍為1.414~1.76，參考GB 50055-2011的整定原則，瞬時(shí)保護(hù)整定值取2倍起動(dòng)電流值，可以躲過電動(dòng)機(jī)起動(dòng)瞬間的接通電流。
如果我們將上述設(shè)計(jì)手冊和標(biāo)準(zhǔn)中接通電流峰值（或有效值）與起動(dòng)電流有效值之間的關(guān)系歸納到表2，就可以發(fā)現(xiàn)斷路器瞬時(shí)保護(hù)整定值按GB50055-2011的要求取2~2.5倍起動(dòng)電流時(shí)，可以躲過電動(dòng)機(jī)接通電流，避免瞬時(shí)保護(hù)誤動(dòng)作。
三、結(jié)語
通過前面的分析，我們可以得到以下2個(gè)結(jié)論：
1.已知電動(dòng)機(jī)接通電流峰值，由于斷路器瞬時(shí)保護(hù)整定值是以電流有效值表達(dá)，所以需要將接通電流峰值轉(zhuǎn)化為接通電流有效值，再與斷路器瞬時(shí)保護(hù)整定值進(jìn)行比較，以避免起動(dòng)過程斷路器瞬時(shí)保護(hù)誤動(dòng)作，比較保守的方式是斷路器瞬時(shí)保護(hù)下偏差的電流值大于電動(dòng)機(jī)接通電流有效值，但弊端是降低短路保護(hù)靈敏度，適用于在用戶現(xiàn)場分析和解決斷路器瞬時(shí)保護(hù)誤動(dòng)作故障。
2.已知電動(dòng)機(jī)起動(dòng)電流，參考GB50055-2011規(guī)范中的原則，將斷路器瞬時(shí)保護(hù)電流值整定為2~2.5倍電動(dòng)機(jī)起動(dòng)電流，適用于設(shè)計(jì)初期斷路器瞬時(shí)保護(hù)電流值的選擇。
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