三相異步電動機運行管理安全保護措施探究

　　文章依據三相異步電動機基本結構、工作原理, 簡單對三相異步電動機正常使用、日常管理中使用的安全保護措施進行分析, 以期全面提高三相異步電動機的經濟效率和使用價值, 為三相異步電動機的正常化使用和規范化管理提供幫助和便利。

　　《電機與控制應用》(月刊)創刊于1959年，由上海電器科學研究所(集團)有限公司主辦。為電機行業的技術性刊物。刊登電機研究、設計、工藝制造技術及電機應用技術方面的論文，報道國內外動態與信息。主要欄目有研究與設計、控制與保護、工藝與材料、測試與試驗、運行與維修、國外信息等。

　　隨著我國工業化的快速發展, 電動機作為原動力被各行各業廣泛使用。在我國的農業科研領域, 大量小型三相異步電動機被普遍使用著。然而, 因工作人員對三相異步電動機工作原理了解不夠透徹, 安全保護措施不到位, 使用監管脫節等原因, 導致每年三相異步電動機損壞、燒毀事件居高不下, 造成較大的經濟損失。因此, 對三相異步電動機的基本結構、工作原理、安全保護措施、正常使用和規范管理進行分析尤為重要。本文主要對小型三相異步電動機結構、原理、應用以及安全保護措施進行簡單分析, 以期對三相異步電動機使用壽命的延長、提高工作效率、經濟效益起到促進作用。

　　一、三相異步電動機的基本結構

　　三相異步電動機基本結構簡單分析由兩部分組成, 即定子部分和轉子部分。顧名思義, 首先固定不動的部分叫做定子部分, 它包括機座、定子鐵芯、定子繞組、端蓋等部件;其次旋轉的部分叫做轉子部分, 它包括轉子鐵芯、轉子繞組、轉軸、風葉等部件。

　　由于三相異步電動機轉子繞組結構的不同, 它又分為鼠籠式轉子和繞線式轉子兩類。鼠籠型轉子繞組像一個圓柱形的籠子, 在轉子鐵芯槽中放置著若干銅條或鋁條, 兩端用端環短接。而繞線式轉子繞組則與定子繞組相似, 在轉子鐵芯槽內放著對稱的三相繞組, 該三相繞組一般做星型聯結, 轉子繞組的三相末端連接在一起, 三個首端分別連接到轉軸上的三個彼此絕緣的銅制集電環上, 環與環、環與轉軸之間相互絕緣, 是通過電刷與外電路的聯結開始工作。

　　二、三相異步電動機的基本工作原理

　　1. 三相異步電動機磁路的產生

　　因為三相異步電動機底座是用鑄鐵制成, 機座內裝有相互絕緣的硅鋼片, 并且疊制成桶型鐵芯, 鐵芯內腔有分布均勻的槽, 槽內放置定子三相繞組。三相異步電動機的轉子鐵心也是用硅鋼片制成, 硅鋼片表面也有均勻分布的槽, 其作用是用來放置轉子繞組, 并且制成圓柱體安裝在轉軸上, 轉子鐵心與定子鐵心之間存在一定空隙, 如此的分布使三相異步電動機的磁路自然就形成了。

　　2. 三相異步電動機旋轉磁場的形成

　　為了理解方便, 我們假想把三相異步電動機的三相對稱定子繞組放置理想的空間, 要求做成相同的三個繞組, 彼此擺放之間間隔120度, 并且三個相同的三相繞組做成星型聯結。當給對稱三相定子繞組通入對稱的三相交流電流時, 瞬間定子電流就會產生磁場, 并且以相同的轉速按照順時針方向旋轉, 和停止的轉子之間有著相對運動, 相當于磁場靜止, 此時轉子沿著逆時針方向旋轉切割磁感應線而產生的感應電壓, 其方向是用右手測定確定。由于轉子繞組電路是通過短路環自行封閉, 所以在感應電壓作用下, 在轉子導體中產生轉子電流, 而轉子導體處于磁場之中, 將會受到電磁力的作用, 此時電磁力對轉軸形成了電磁轉矩, 于是轉子在電磁轉矩的作用下轉動起來。其方向與旋轉磁場方向一致, 這就是三相異步電動機轉動的原理。值得注意的是, 三相異步電動機的轉向與旋轉磁場的轉向相同, 但是電動機的轉速始終低于旋轉磁場的轉速, 這就是三相異步電動機獨特之處。同時也只有必備這個條件, 三相異步電動機才能轉動起來。這也是為什么叫三相異步電動機的原因。

　　三、三相異步電動機的應用

　　三相異步電動機其實就是將電能轉化為機械能的一種設備。并且它是利用電磁感應原理工作, 因此也叫三相感應電動機。三相異步電動機與其他三相電動機相比較, 其優點表現在:首先是工作效率高, 噪音低, 振動小、結構簡單、制造容易、價格便宜、運行可靠、維護方便;其次是三相異步電動機過載能力要比其他三相電動機過載能力強, (電動機過載能力大小是衡量電動機性能優差主要依據。根據資料和曲線圖分析得知, 一般電動機過載能力為1.8~2.5, 而小型三相異步電動機過載能力為2.2~2.4) 。因此, 三相異步電動機的應用廣泛性遠超過其他類型的三相電動機。但是, 三相異步電動機也存在一些不足, 主要表現是功率因素低, 調速性能差。所以三相異步電動機的應用也受到了一定的限制。隨著我國科技技術不斷向前邁進, 不久會使得三相異步電動機的技術得到進一步完善, 應用得到進一步發展。

　　四、三相異步電動機運行管理安全保護措施

　　第一, 從三相異步電動機的運行來看:三相異步電動機故障大體可以分為兩部分, 一部分是機械原因, 主要表現為軸承和風機的磨損與損壞, 另一部分是電磁故障, 二者相互關聯。軸承損壞, 引起三相異步電動機過載, 甚至堵轉, 致使風機損壞, 導致電動機散熱困難, 溫度快速升高, 造成絕緣受損, 使用壽命縮短。解決方法就是對設備制定規范管理模式, 定期做維護保養。

　　第二, 從三相異步電動機的結構看:鼠籠式三相異步電動機的空子鐵芯放置在繞組槽內必須有良好的絕緣。繞線式三相異步電動機的轉子繞組與空子繞組一樣, 繞組與鐵芯間有絕緣層, 三個端線所接的銅 (或鋁) 制滑環, 環與環之間、環與轉軸之間也是彼此存在可靠的絕緣性能。為了確保三相異步電動機相與相之間、相與帶電體之間、帶電體和外殼之間的絕緣性能, 必須使用耐熱等級較好的絕緣材料。避免三相異步電動機運行中出現異常溫差, 異常抖動, 異常磨損, 異常響聲等因素給三相異步電動機帶來傷害。

　　第三, 三相異步電動機日常使用、管理保護措施不到位: (1) 三相異步電動機日常使用、管理保護措施經常被人們忽視, 導致三相異步電動機因管理不當而縮短使用壽命甚至造成損壞情況較多。因此, 三相異步電動機的使用單位要求管理人、使用人必須有足夠的業務技能知識, 有較強的工作責任心, 在使用前應充分考慮周圍環境因素。否則, 會出現因使用環境惡劣, 如潮濕、有震動、有腐蝕性氣體、散熱條件差等因素, 使得觸頭損壞、接線柱氧化或接觸不良, 造成三相異步電動機缺相燒毀事件。為了避免三相異步電動機使用環境因素和管理措施不到位造成的傷害, 在使用前必須選擇滿足環境要求的三相異步電動機、電器元件, 符合要求的安全防護措施。必要時強制改善周圍環境, 定期更換電器元器件。使得三相異步電動機的性能、使用價值得到充分利用。 (2) 三相異步電動機在安裝中, 因安裝人員技能水平不高, 管理松散, 工作人員工作不認真等因素導致三相異步電動機安裝存在缺陷, 造成導線斷裂或絕緣受損等情況, 出現漏電、短路、缺相。因此在安裝施工過程中, 要嚴格遵循行業規范、認真組織、文明施工、嚴格把關, 待安裝完畢后驗收合格后方可使用。在使用期間要做到定期檢查, 按照周期進行保養。避免三相異步電動機的接觸觸頭損壞嚴重, 而造成三相異步電動機缺相短路運行。 (3) 三相異步電動機本身質量不好。線圈繞組焊接工藝不達標, 引線和線圈接觸不良;電氣元件質量不合格, 耐壓性能達不到標準, 造成觸點損壞、粘死等異常現象。因此三相異步電動機在購置時應選擇正規廠家、正規品牌、質量有保證的電動機;選擇合格、合適的元器件, 安裝前應該進行認真檢查、仔細核對、對號入座, 從而有效提高三相異步電動機工作效率和使用價值。

　　五、三相異步電動機安全保護措施

　　為了確保三相異步電動機安全運行, 延長使用壽命, 三相異步電動機的安全保護措施一般分為機械保護和電氣保護措施。機械保護措施主要是指三相異步電動機運行時對軸承、風葉等的保護, 做到多聽運行聲音, 多觀察運行情況, 對軸承、風葉進行定期保養, 就會使三相異步電動機最大化地延長使用壽命。三相異步電動機本身和電氣設施安全保護措施主要有:短路保護、過負荷保護、缺相保護、欠電壓保護和失壓保護、接零和接地保護。

　　1. 短路保護

　　為了防止三相異步電動機線路、繞組、控制電氣等某絕緣部位受外力或其他原因導致損壞設置的保護措施。三相異步電動機發生短路故障時, 如果不能自動快速得到保護, 迅速切斷電源, 將會立即出現很大的短路電流, 發生電動機燒毀事故。因此, 在發生短路故障時, 保護措施必須迅速切斷電源。通常短路保護設施是由熔斷器和自動空氣斷路器來完成。熔斷器和自動空氣斷路器串聯在被保護的電路中, 當電路出現短路時, 很大的短路電流流過熔體時, 熔體立即熔斷, 切斷該相供電電源, 但是熔斷體在熔斷時并不能三相全部熔斷, 所以會造成三相異步電動機缺相運行, 此時三相異步電動機至少有一相實際電流遠超出電動機額定電流, 而此時自動空氣斷路器會立即自動將三相電源同時斷開, 使三相異步電動機停止, 完成電動機的短路保護,

　　2. 過負荷保護

　　三相異步電動機過負荷運行特點就是會出現較大工作電流, 三相異步電動機如遇到軸承磨損嚴重, 外在阻力加大, 負載加重, 缺相運行時都會使三相異步電動機的實際工作電流超過允許的最大工作電流值, 此時電動機本身絕緣和電氣部分絕緣均會受到傷害, 此時工作電流越大, 電動機抗損能力越小, 時間越短, 三相異步電動機損壞就越嚴重。為了避免電動機過載超負荷運行, 常使用過載保護器熱繼電器和斷路器對三相異步電動機進行保護。當電動機出現實際工作電流較大時, 熱繼電器在很短時間內就會切斷電源, 電動機超負荷 (就是大電流) 運行保護措施完成。

　　3. 缺相保護

　　三相異步電動機缺相運行分為以下幾種:一是三相異步電動機外部電源線或電氣某環節出現異常造成一相或兩相缺相;二是三相異步電動機內部定子或轉子某部位出現異常造成一相或兩相缺相。無論哪種情況, 都會使三相異步電動機三相工作電壓迅速失去平衡, 至少有一項電流會快速增大, 導致三相異步電動機受損或燒毀。保護措施一般選用三級熱繼電器和自動空氣斷路器就可以迅速切斷電源, 使電動機停機而達到保護目的。

　　4. 失壓保護和欠電壓保護

　　失壓保護是為了防止因人為或非人為原因導致的停電, 當電源恢復后, 阻止電動機再次自行啟動的一種保護措施。欠壓保護是為了避免因某種原因導致電源電壓下浮過多, 而出現實際工作電流過大危害電動機安全所采取的保護措施。失壓保護和欠壓保護 (小功率電動機) , 一般采用低電壓繼電器自行釋放即可自動完成保護功能。

　　5. 接地保護和接零保護

　　在電源中性點不接地的供電系統 (即380V三相四線制供電系統) 中, 接地保護是指三相異步電動機本身和其配套設施不應該帶電的部位與接地裝置牢靠連接在一起, 防止人身傷害的一種保護措施。在供電系統中如果不采取該保護措施, 三相異步電動機本身和其配套設施因帶電部分絕緣損壞導致不該帶電部位帶電, 當人體接觸該部位時, 接地電流全部經過人體流過, 具有生命危險。采用接地保護措施后, 接地電流沿著接地體和人體兩條途徑同時流過, 由于人體與接地體是并聯關系, 每條路徑的流過電流與本身電阻成反比關系, 因為人體電阻比接地體電阻大很多, 所以經過人體的電流很小。潮濕的地方及有必要時還要采取重復接地保護措施, 從而避免觸電傷害。在中性點接地系統 (三相五線制供電系統) 中為預防由于其他原因導致電動機自身和其他配套設施非帶電部位出現危險電壓, 應該根據電力有關規定, 采取保護接地和保護接零保護措施, 以保障人身和設備的安全。

　　六、三相異步電動機線路和其配套保護電氣的選擇

　　1. 電動機線路和其配套保護電氣選擇

　　可由熱繼電器、接觸繼電器和帶有靈敏度較高瞬間保護的自動空氣斷路器組成。接觸器用來啟動、停止三相異步電動機, 熱繼電器用來保護電動機的超載過負荷, 帶有較高靈敏度瞬間保護的自動空氣斷路器保護電動機的短路故障。

　　2. 電動機線路和其配套保護電氣選擇

　　可由熱繼電器, 接觸器和熔斷器 (FS) 組成并實施。熱繼電器保護電動機過載, 接觸器用來停止和啟動三相異步電動機, 熔斷器是用來避免三相異步電動機短路故障。

　　3. 電動機線路和其配套保護電氣選擇

　　可由保護性自動空氣斷路器組成, 電動機自動空氣斷路器既用做電動機啟動和停止, 又可用作確保電動機過載和短路故障產生的大電流保護。

　　4. 電動機線路和其配套保護電氣選擇

　　可由接觸器和保護型斷路器組成。接觸器作為電動機的啟動和停止使用, 電動機保護性自動空氣斷路器作為電動機的過載和短路故障保護措施。

　　工作經驗結論:第一、第二種適合頻繁啟動、停止的三相異步電動機的保護措施使用, 但是不經濟, 適用于地下車庫污水泵、食堂和面機等三相異步電動機保護。第三種只能適用于不頻繁啟動、停止的三相異步電動機使用, 適合綠化抗旱水泵、垃圾場垃圾起吊箱等部位使用的三相異步電動機的保護, 并且第三種最經濟但是安全程度不高。第四種適用于不經常不頻繁啟用的三相異步電動機保護措施使用, 適用于自動伸縮門, 電動升降機等三相異步電動機的保護。

　　工作實踐證明, 規范化、科學化、合理的選用和使用三相異步電動機可以提高生產效率、獲取經濟效益。在運行中對三相異步電動機科學化運行、規范化管理、定期維護保養、安全保護措施落實到位, 使三相異步電動機始終處于一個理想化的工作狀態, 延長使用壽命、提高工作效率和經濟效益是非常有必要的。三相異步電動機安全保護措施是一個在實際工作中亟待解決的現實問題。目前市場已開發了智能型塑殼式斷路器, 更有科技含量較高的新型三相電動機綜合保護器研發問世, 如果能早日投入應用, 則對三相異步電動機延長使用壽命、提高經濟效益、工作價值能起到保障作用。

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