起重電機專業生産廠家無錫宏達2022年5月27日訊 在低壓電動機回路中，電動機保護型斷路器常用作過載和短路保護元器件，對于過載保護其特性與熱繼電器反時限特性要求一樣，斷路器在電動機起動電流下的脫扣時間要大于電動機起動時間，以避免起動過程中過載保護誤動作。對于短路保護，一方面瞬時保護整定值要滿足短路保護靈敏度的要求，整定值不能設定太高；另一方面瞬時保護整定值要躲過電動機起動瞬間出現在第一個半波的接通電流峰值，整定值不能設定太低，這與保護靈敏度的要求是相互矛盾的。
由于斷路器瞬時保護整定值一般有±20%的誤差範圍，電動機接通電流峰值與額定電流以及起動電流之間的關系在設計手冊或規範裏一般以經驗倍數呈現。如何確定斷路器瞬時保護整定值與電動機起動時接通電流之間的關系，以及如何分析電動機起動過程中斷路器瞬時保護誤動作的原因，是本文的主要目的。希望通過本文的討論，爲電動機保護設計和現場故障處理提供參考。
一、電動機接通電流峰值與額定電流的關系
《工業與民用配電設計手冊》第三版簡述了籠式三相電動機的起動特性，起動過程中電動機的電流是隨著轉速變化。接通後的暫態過程與短路類似，首先出現一個沖擊電流（接通電流一筆者注），峰值發生在第一個半波，在第二、三周波內急劇衰減。在隨後的絕大部分起動時間內，電流相對穩定，但隨著轉速的升高而略有下降。在接近額定轉速時，電流迅速下降；起動結束時，降至電動機額定電流或更低。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最大值，其大小取決于接通瞬間的相位和起動回路電阻與電抗比值。上海電器科學研究所曾對52台電動機做過現場實測，起動時第一個半波全電流有效值一般不超過起動電流的2倍，個別可達2.3倍。通常，接通電流峰值可取起動電流的2√2倍。
《工業與民用配電設計手冊》第四版對電動機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。這一數值的大小決定于接通瞬間的相位和啓動回路電阻和電抗的比值。關于接通電流峰值與啓動電流（第四版爲堵轉電流，籠式電動機的啓動電流應取其堵轉電流。）的比值與第三版也不同，接通電流峰值一般不超過堵轉電流的2倍，個別可達到2.3倍。
西門子技術出版物《低壓開關電器和開關設備手冊選用准則與設計指南》對籠式電動機接通電流峰值（最大值）與起動電流（有效值）的關系和《工業與民用配電設計手冊》第三版相同，接通電流峰值（最大值）等于起動電流的2√2倍，起動電流（有效值）等于（4~8.4）倍電動機額定電流。
发表于1971年《低压电器技术情报》期刊上的《电动机启动电流值测量的试验报告》记录了上海电器科学研究所对52台电动机的测试数据和分析过程，其中结论之一如下：电动机在实际使用过程中，其直接启动电流的第一个峰值是额定电流峰值的8倍以下为少数、8～12倍占据大多数，个别电动机的启动电流的第一个峰值是其额定电流峰值的13倍以上。电动机起动过程中接通电流峰值Inrush current(Peak)、接通电流有效值Inrush current(RMS)、起动电流Starting current RMS）、额定电流Motor rated current（RMS）波形如图1所示，依据《电动机启动电流值测量的试验报告》中的结论可以得到：接通电流有效值Inrush current(RMS)与额定电流motor rated current（RMS）之间的比值8倍以下为少数、8~12倍占据大多数，最大可能到13倍以上。
《電動機啓動電流值測量的試驗報告》中的結論也解釋了我們平常所說的電動機保護型斷路器的瞬時保護整定電流值（或磁脫扣電流值）大多數不超過額定電流的14倍，甚至當我們用D型家用微斷用作電動機短路保護元器件時，也很少出現起動過程中斷路器誤動作的現象，這是因爲D型家用微斷的磁脫扣電流範圍爲10In~14In，當過電流低于10In時，斷路器磁脫扣一定不動作（此時熱脫扣保護動作），當過電流大于14In時，斷路器磁脫扣一定動作，當過電流介于10In與14In之間時，斷路器有可能磁脫扣也有可能熱脫扣。由于電動機接通電流有效值與額定電流比值大多數介于8~12倍之間，少數低于8倍或高于13倍，所以普通D型家用微斷有時候能躲過電動機起動瞬間的接通電流，只有當出現誤動作時，才需要進一步分析電動機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。
以實際産品爲例。如圖2，GV2ME32C電動機保護型斷路器其磁脫扣電流爲416A，誤差範圍±20%，這表示當過電流低于磁脫扣電流下偏差即332.8A時，斷路器磁脫扣一定不會動作（此時熱脫扣保護動作），當過電流大于磁脫扣電流上偏差即499.2A時，斷路器磁脫扣一定動作，當過電流介于332.8A與499.2A之間時，斷路器有可能磁脫扣也有可能熱脫扣。GV2ME32C的熱脫扣設定範圍爲24~32A，它可以爲額定電流爲24~32A之間的電動機提供過載保護，磁脫扣電流與熱脫扣整定電流的比值最小爲416/32=13，最大值約爲17.3，參考《電動機啓動電流值測量的試驗報告》中的結論，可以躲過大多數電動機起動瞬間的接通電流。
斷路器的瞬時保護電流整定值一般以有效值表達，當電動機起動瞬間出現在第一個半波的的接通電流峰值已知時（例如用示波器實測），要整定斷路器瞬時保護電流值或判斷電動機起動過程中斷路器瞬時保護是否會誤動作，就需要將實測的接通電流峰值除以轉換爲接通電流有效值，再與瞬時保護整定值（有效值）進行比較，同時需要考慮整定電流誤差範圍的影響，最保守的整定方案是瞬時保護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標准的斷路器，由于瞬時保護整定值（或磁脫扣電流值）Irm的誤差範圍爲±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家用微斷標准的D型斷路器（只用作電動機短路保護時），磁脫扣電流的下限值10In要大于接通電流有效值，這樣斷路器瞬時保護在電動機起動過程中才不會誤動作。
電動機保護斷路器的瞬時脫扣電流值如何整定（下）
賓昭平
二、電動機接通電流峰值與起動電流的關系
实际应用中，电动机的接通电流峰值如果不是实际测量就无法获取准确的数据，这给设计阶段断路器瞬时保护整定带来不便，但电动机厂家会提供额定电流和起动电流参数，所以设计规范里常常以起动电流为基准，选取一定的系数再整定断路器瞬时保护电流值。如图3为ABB M2BAX型電機参数，Ix为电动机额定电流，Is/Ix就是起动电流与额定电流的比值，一般情况下比值范围为4.8~8之间，对于IE3高效電機，其起动电流倍数会增加13.5%左右。
GB/T21210-2016單速三相籠型感應電動機起動性能中對接通電流峰值和起動電流之間的關系做了歸納總結：電動機接通電流時會有一個0.5周的不對稱瞬時峰值電流，爲穩態值（起動電流穩態值--筆者注）的1.8倍~2.8倍，此電流的峰值與衰減時間與電動機的設計及合閘相角成函數關系。這說明當我們已知某電動機的起動電流參數時，可估算其接通電流峰值爲1.8~2.8倍起動電流，如果換算成接通電流有效值則約爲1.3～2倍起動電流。
GB50055-2011通用用电设备配电设计规范中，用于电动机短路保护的断路器，其瞬时过电流保护整定值应取电动机起动周期分量最大有效值的2~2.5倍，也是考虑到电动机起动电流的第一个半波的有效值通常不超过其周期分量有效值的2倍，个别可达2.3倍。由于瞬时过电流脱扣器动作与断路器固有分断时间无关，例如施耐德Micrologic 1.3M电动机保护型脱扣器（如图4），其瞬时保护的非脱扣时间为0，即只要电动机接通电流有效值（或故障电流）达到瞬时保护整定值就会动作，最大分断时间不会超过30毫秒，所以瞬时保护整定值应躲过电动机起动电流第一半波的有效值（即接通电流有效值-笔者注），或采用短延时保护躲过接通电流。
施耐德技术资料Complementary technical information 2019从断路器保护的角度用图形直观地展示电动机接通电流峰值与断路器瞬时保护整定值之间的关系，如图5所示，In为电动机额定电流；Id为电动机起动电流（有效值），一般为电动机额定电流的5.8~8.6倍；Id"为电动机接通电流峰值（峰值），为起动电流的2~2.5倍，这一倍数范围与GB/T21210-2016里相近（注：GB/T21210-2016里接通电流峰值为1.8~2.8倍起动电流）；Irm为断路器瞬时保护整定值（有效值），误差范围±20%。
对于普通电动机，接通电流峰值与起动电流的比值范围为2~2.1，对于高效电动机，比值范围为2.2~2.5，如表1所示。如果转换成接通电流有效值与起动电流的比值，两种電機取值范围为1.414~1.76，参考GB 50055-2011的整定原则，瞬时保护整定值取2倍起动电流值，可以躲过电动机起动瞬间的接通电流。
如果我們將上述設計手冊和標准中接通電流峰值（或有效值）與起動電流有效值之間的關系歸納到表2，就可以發現斷路器瞬時保護整定值按GB50055-2011的要求取2~2.5倍起動電流時，可以躲過電動機接通電流，避免瞬時保護誤動作。
三、結語
通過前面的分析，我們可以得到以下2個結論：
1.已知電動機接通電流峰值，由于斷路器瞬時保護整定值是以電流有效值表達，所以需要將接通電流峰值轉化爲接通電流有效值，再與斷路器瞬時保護整定值進行比較，以避免起動過程斷路器瞬時保護誤動作，比較保守的方式是斷路器瞬時保護下偏差的電流值大于電動機接通電流有效值，但弊端是降低短路保護靈敏度，適用于在用戶現場分析和解決斷路器瞬時保護誤動作故障。
2.已知電動機起動電流，參考GB50055-2011規範中的原則，將斷路器瞬時保護電流值整定爲2~2.5倍電動機起動電流，適用于設計初期斷路器瞬時保護電流值的選擇。
參考文獻
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