交流电动机的供电设计探析

尤金宗

(福建众合开发建筑设计院有限公司 福建福州 350004)

0 引言

随着经济快速发展，人民生活水平日益提高，对各类电气设备、交流电动机等的使用也越来越频繁。其中包括各类空调机、送排风机、消防和平时两用排烟排风机、送风补风机、加压送风机等等。交流电动机的大面积使用，其控制、保护及电击防护措施是否合理，也越来越显出其重要性。笔者结合工程实际，探讨交流电动机保护电器、主回路线缆的选择，分析交流电动机接地故障保护校验的必要性、分析接地故障电流的危害，并提出解决接地故障电流的措施。

1 交流电动机的控制、保护电器的选择

1.1 热继电器

一般情况下，采用热继电器作为电动机的过载保护，热过载电器的整定电流应大于等于被保护电动机的额定电流。热过载电器的额定电流宜不小于其整定电流的1.1倍；其中要求热继电器的整定值可调，整定值的调整范围不应小于额定值的20%；热继电器在7.2倍额定电流下的动作时间应大于电动机的启动时间[2]。

实际工程应用中，常有混淆热继电器和过电流继电器，误把过电流继电器的整定当做热继电器的整定电流，设计中应予以区分。以图1中，7.5kW 6级鼠笼异步电动机(160M1-6),额定电流16.4A，启动电流109.9A为例[2]，热继电器整定电流选14～18A即可满足要求。

1.2 断路器

当电动机的主回路采用热继电器作为电动机的过载保护时，回路中的断路器的长延时脱扣作为后备保护，断路器的长延时脱扣器的整定值，应满足GB50055-2011第2.3.5-3条规范要求，Iset3 ≥(2～2.5)*Ist且Iset1=Iset3/Kins，所以Iset1应满足式1要求：

(1)

其中：Iset1——断路器长延时脱扣器的整定电流，A；

Iset3——断路器瞬时脱扣器的整定电流，A；

Kins——断路器的瞬动电流倍数；

Ist——电动机的启动电流，A。

以图1为例，选用Kins=12的断路器，则Iset1≥(2～2.5)*109.9/12=(18.3～22.9)A，所以Iset1取25A。综上断路器选Iset1=25A，Iset3=12Iset1=300A。

1.3 导体的选择

电动机主回路导体的选择，区别于配电线路中导体与过负荷保护电器的配合，并非按Iz≥Iset1，考虑经济性，只需满足导体的载流量不小于电动机的额定电流[5]，即Iz≥Irm。

以图1为例，Iz≥Irm=16.4A，选用BYJ-4×4mm2即满足持续载流量计算要求。

图1 电动机的控制及保护一次接线示意图

其中：Iz——导体允许持续载流量，A；

Irm——电动机的额定电流，A。

2 电动机接地故障保护的校验

2.1 断路器灵敏度的要求

根据GB50054-2011第6.2.3条要求，当选用断路器作为短路保护电器时，被保护线路末端的短路电流不应小于断路器瞬时或短延时过电流脱扣器整定电流的1.3倍[4]，即Id/Iset3≥1.3。

2.2 接地故障保护的计算

图2为以实际工程为例，根据《工业与民用供配电设计手册》第三版、第四版，忽略电网系统阻抗，得出接地故障回路中各元件的相保电阻和相保电抗，如表1所示。

图2 某项目地下室风机房配电示意图

表1 故障回路中各元件的相保电阻和相保电抗[1-2]

故障回路的总阻抗为：

K3位置单相接地故障的电流：Ik3=220/Z=220/0.674=326 A；

断路器脱扣器灵的敏度：K=Ik3/Iset3=326/(25×12)=1.09<1.3，不满足要求。

3 接地故障电流的危害

当用电设备或电动机发生接地故障，回路未及时切除故障电流时，由图3可知，如果只在配电间内做MEB总等电位联结，人体的预期接触电压约等于故障电流在PE线上a-b-c点的电压降。因线路L2、L3的保护线与相线等截面，所以a-b-c段保护线阻抗为该部分线路阻抗的一半，因此，a-b段保护线阻抗压降Ua-b-c=I×Z′=326×0.5×(64.5+344)×0.001=66.6 V>50 V，不满足安全电压的要求。

图3 TN系统做总等电位联结发生接地故障时电流走向

在TN系统中，当风机房内的电源箱不仅供电给风机房的风机用电，同时还给其他回路供电时，因所有用电设备的PE线均连为一体，当一处用电设备发生接地故障，该回路未在规定时间内切除时，必将故障电压Ua-b-c传至该部分回路，给系统设备用电安全带来极大隐患。

4 电击防护的保护措施

4.1 等电位联结

根据GB50054-2011第5.2.5条要求，当电动机发生接地故障后，断路器不能满足自动切断故障回路时，应在风机房内设置辅助等电位端子箱SEB，并将机房内外露可导电部分和外界可导电部分再做等电位联结[4]。

由图4可知，在风机房内设置辅助等电位SEB后，当风机回路发生接地故障，保护电器未在规定的时间内切除故障回路时，忽略人体流过的故障电流，风机房内电源箱的PE线上的预期接触电压将由原来的电压Ua-b-c降至Ua-b。Ua-b=326×0.5×64.5×0.001=10.5 V。因此，合理设置等电位联结，能有效降低预期接触人体“手”到“脚”的阻抗，从而降低预期接触电压，是电击防护措施中最为重要的手段之一。

图4 TN系统做辅助等电位联结后，发生接地故障时电流走向

为避免故障电压传至其他风机房，远离电源处的风机房均应设置辅助等电位SEB。对于强电间，弱电间，变配电室等电气设备较多的房间，两个外露可导电部分或外露可导电部分与外部可导电部分，一般都在伸臂范围内，也建议在该房间设置辅助等电位；对于厨房、水泵房等潮湿场所，更应设置辅助等电位联结。

4.2 其他防护措施

为提高TN系统中故障防护灵敏性，应提高接地故障电流值，适当放大相导体以及保护导体的截面积；选用带短延时过电流脱扣器的断路器，当断路器的瞬时脱扣器Iset3太大无法满足接地故障电流灵敏度要求时，采用电流值较小的短延时过电流脱扣器Iset2；选用带三相不平衡电流保护功能的断路器；非消防用电动机配电回路，采用带剩余电流保护的断路器等等措施。

当风机所在的场所的地面下无钢筋时，则可以在地面敷设电位均衡线或敷设铁丝网，且与PE线及风机外露可导电部分可靠连接，以此形成等电位，减少触电事件的发生。电位均衡线宜采用25×4扁钢或φ10圆钢接近地表面，并留有防护层；铁丝网宜为150×150，采用网格φ3焊接而成。等电位联结的范围不宜小于电动机的外露可导电部分向外1.2 m，如图5所示。

图5 地面等电位联结做法

5 结论

交流电动机在我们的日常生活中随处可见，其用电安全关系着使用者的人身安全，因此，对于电动机的电击防护尤为重要。在设计中应注意如下问题：

首先，应合理选择保护断路器的瞬时脱扣值，热继电器的动作整定值和额定电流及供电线缆的截面等，选择后还应对所选设备进行灵敏度校验，确保保护断路器能按规定要求切除故障回路。

最后，应该做好总等电位和辅助等电位联结。对于长距离供电的配电箱，宜在附近设置SEB端子箱，并将电源的PE线、建筑物钢筋、外露可导电部分、外部可导电部分与SEB端子箱连接。对没有钢筋的场所，建议采用地面设置等电位联结的做法。