18. 电动机的开关导线如何选择?

电动机开关导线选择时瞬动、短延时（如果有就需要考虑）、长延时都要考虑。其中长延时和瞬时作为两个点是比较容易确定和校验的，但起动是一个过程，严谨的话需要对比起动曲线和开关的脱扣曲线。

下面先列出规范基本要求。

GB 50054—2011的6.3.3条中过负荷保护电器的动作特性，应符合前述式（1）与式（2）的要求。

GB 50055—2011的2.3条中低压电动机保护正文及条文说明如下：

1）交流电动机应装设短路保护和接地故障的保护。

2）交流电动机的保护除应符合第1）条的规定外，尚应根据电动机的用途分别装设过负荷保护、断相保护、低电压保护以及同步电动机的失步保护。

3）每台交流电动机应分别装设相间短路保护，但符合下列条件之一时，数台交流电动机可共用一套短路保护电器：

① 总计算电流不超过20A，且允许无选择切断时。

② 根据工艺要求，必须同时起停的一组电动机，不同时切断将危及人身设备安全时。

4）交流电动机的短路保护器件宜采用熔断器或低压断路器的瞬动过电流脱扣器，也可采用带瞬动元件的过电流继电器。保护器件的装设应符合下列规定：

① 短路保护兼作接地故障的保护时，应在每个不接地的相线上装设。

② 仅作相间短路保护时，熔断器应在每个不接地的相线上装设，过电流脱扣器或继电器应至少在两相上装设。

③ 当只在两相上装设时，在有直接电气联系的同一网络中，保护器件应装设在相同的两相上。

5）当交流电动机正常运行、正常起动或自起动时，短路保护器件不应误动作。短路保护器件的选择应符合下列规定：

① 正确选用保护电器的使用类别。

② 熔断体的额定电流应大于电动机的额定电流，且其安秒特性曲线计及偏差后应略高于电动机起动电流时间特性曲线。当电动机频繁起动和制动时，熔断体的额定电流应加大1级或2级。

③ 瞬动过电流脱扣器或过电流继电器瞬动元件的整定电流应取电动机起动电流周期分量最大有效值的2～ 2.5倍。

④ 当采用短延时过电流脱扣器作保护时，短延时脱扣器整定电流宜躲过起动电流周期分量最大有效值，延时不宜小于0.1s。

6）交流电动机的接地故障保护应符合下列规定：

① 每台电动机应分别装设接地故障保护，但共用一套短路保护的数台电动机可共用一套接地故障的保护器件。

② 交流电动机的间接接触防护应符合现行国家标准《低压配电设计规范》（GB 50054—2011）的有关规定。

③ 当电动机的短路保护器件满足接地故障的保护要求时，应采用短路保护器件兼作接地故障的保护。

7）交流电动机的过负荷保护应符合下列规定：

① 运行中容易过负荷的电动机、起动或自起动条件困难而要求限制起动时间的电动机，应装设过负荷保护。连续运行的电动机宜装设过负荷保护，过负荷保护应动作于断开电源。但断电比过负荷造成的损失更大时，应使过负荷保护动作于信号。

② 短时工作或断续周期工作的电动机可不装设过负荷保护，当电动机运行中可能堵转时，应装设电动机堵转的过负荷保护。

8）交流电动机宜在配电线路的每相上装设过负荷保护器件，其动作特性应与电动机过负荷特性相匹配。

9）当交流电动机正常运行、正常起动或自起动时，过负荷保护器件不应误动作。过负荷保护器件的选择应符合下列规定：

① 热过负荷继电器或过负荷脱扣器整定电流应接近但不小于电动机的额定电流。

② 过负荷保护的动作时限应躲过电动机正常起动或自起动时间。热过负荷继电器整定电流应按下式确定：

式中 I_zd——热过负荷继电器整定电流(A)；

I_ed——电动机的额定电流(A)；

K_k——可靠系数，动作于断电时取1.2，动作于信号时取1.05；

K_ix——接线系数，接于相电流时取1.0，接于相电流差时取；

K_h——热过负荷继电器返回系数，取0.85；

n——电流互感器电流比。

③ 可在起动过程的一定时限内短接或切除过负荷保护器件。

10）交流电动机的断相保护应符合下列规定：

① 连续运行的三相电动机，当采用熔断器保护时，应装设断相保护；连续运行的二相电动机，当采用低压断路器保护时，宜装设断相保护。

② 断相保护器件宜采用断相保护热继电器，也可采用温度保护或专用的断相保护装置。

11）交流电动机采用低压断路器兼作电动机控制电器时，可不装设断相保护；短时工作或断续周期工作的电动机也可不装设断相保护。

12）交流电动机的低电压保护应符合下列规定：

① 按工艺或安全条件不允许自起动的电动机应装设低电压保护。

② 为保证重要电动机自起动而需要切除的次要电动机应装设低电压保护。次要电动机宜装设瞬时动作的低电压保护。不允许自起动的重要电动机应装设短延时的低电压保护，其时限可取0.5～1.5s。

③ 按工艺或安全条件在长时间断电后不允许自起动的电动机，应装设长延时的低电压保护，其时限按照工艺的要求确定。

④ 低电压保护器件宜采用低压断路器的欠电压脱扣器、接触器或接触器式继电器的电磁线圈，也可采用低电压继电器和时间继电器。当采用电磁线圈作低电压保护时，其控制回路宜由电动机主回路供电；当由其他电源供电，主回路失压时，应自动断开控制电源。

⑤ 对于需要自起动不装设低电压保护或装设延时低电压保护的重要电动机，当电源电压中断后在规定时限内恢复时，控制回路应有确保电动机自起动的措施。

13）同步电动机应装设失步保护。失步保护宜动作于断开电源，也可动作于失步再整步装置。动作于断开电源时，失步保护可由装设在转子回路中或用定子回路的过负荷保护兼作失步保护。必要时，应在转子回路中加装失磁保护和强行励磁装置。

14）直流电动机应装设短路保护，并根据需要装设过负荷保护。他励、并励及复励电动机宜装设弱磁或失磁保护。串励电动机和机械有超速危险的电动机应装设超速保护。

15）电动机的保护可采用符合现行国家标准《低压开关设备和控制设备 第4-2部分：接触器和电动机起动器 交流半导体电动机控制器和起动器（含软起动器）》（GB/T 14048.6—2016）保护要求的综合保护器。

16）旋转电机励磁回路不宜装设过负荷保护。

条文说明如下：

1）条文中有关低压线路保护和电气安全的名词定义详见现行国家标准《电气安全术语》（GB／T 4776—2017）和《低压配电设计规范》（GB 50054—2011）的规定。短路故障和接地故障的保护是交流电动机必须设置的保护，故本条为强制性条文。

2）交流电动机的过负荷保护、断相保护和低电压保护以及同步电动机的失步保护等需根据电动机的具体用途确定是否设置。

3）本条为相间短路保护（简称短路保护)，相对地短路划归为接地故障的保护。

数台电动机共用一套短路保护属于特殊情况，应从严掌握。总计算电流不超过20A是根据电动机的使用性质和重要性而确定的，节约投资，实践证明是可行的。

4）IEC标准《建筑物电气装置》（IEC 60364-4）第473.3.1条中规定，短路保护器件应在不接地的相线上装设。当短路保护兼作接地故障保护时，这是必要的。每相上装设过电流脱扣器或继电器能提高灵敏度，随着科技的发展，电流脱扣器、电流互感器和继电器的制造成本降低，每相上装设是合适的。考虑到某些场合，如装有专门的接地故障保护或在IT系统中，可能出现只在两相上装设的情况，本条保留了原规范的基本内容，但明确其条件是不兼作接地故障的保护。

5）防止短路保护器在电动机起动过程中误动作，包括正确选择保护电器的使用类别和电流规格，特予并列，以防偏废。

① 我国熔断器和低压断路器标准中均已列入了保护电动机型。低压熔断器的分断范围和使用类别用两个字母表示。第一个字母表示分断范围(g——全范围分断能力熔断体，a——部分范围分断能力熔断体)，第二个字母表示使用类别(G——一般用途熔断体，M——保护电动机回路的熔断体)。如“gM”即为全范围分断的电动机回路中用的熔断体。

② 由于我国熔断器品种繁多，各种熔断器的安秒特性曲线差别很大，故难以给出统一的系数。时至今日，熔断器标准已靠拢IEC标准，产品的种类多，若计算系数过多则失去了优点，故直接查曲线或在手册中给出具体的查选表格比较便于操作。如《工业与民用配电设计手册》列出了不同规格的熔断体在轻载和重载起动下的容许电流。这种做法造表虽烦琐，但使用方便，建议推广。

③ 采用瞬动过电流脱扣器或过电流继电器的瞬动元件时，应考虑电动机起动电流非周期分量的影响。非周期分量的大小和持续时间取决于电路中电抗与电阻的比值和合闸瞬间的相位。根据对电动机直接起动电流的测试结果可知，起动电流非周期分量主要出现在第一半波，第二、三周波即明显衰减，其后则微乎其微。电动机起动电流第一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。由于瞬动过电流脱扣器或过电流瞬动元件动作与断路器的固有分断时间无关，故其整定电流应躲过电动机起动电流第一半波的有效值。瞬动过电流脱扣器或电流继电器瞬动元件的整定电流应取电动机起动电流周期分量最大有效值的2～2.5倍。

6）关于TN、TT和IT系统中间接接触防护的具体要求，已列入现行国家标准《低压配电设计规范》（GB 50054—2011）中，本条不再重复。条文中将原“接地故障保护”改为“接地故障的保护”，以便于与现行国家标准（GB 50054—2011）及有关标准相对应。

7）本条中的过负荷保护用来防止电动机因过热而造成的损坏，不同于现行国家标准（GB 50054—2011）中的线路过负荷保护。

① 过负荷时导致电动机损坏的主要原因是过负荷引起的温升过高，除危及绝缘外，还使定子和转子电阻增加，导致损耗和转矩改变；由于定子和转子发热不同而使气隙减少，导致运行可靠性降低甚至“扫堂”，大部分的电动机故障都是由过负荷产生的过热所致。当然，以上所称“过负荷”是广义的，即包括机械过负荷、断相运行、电压过低、频率升高、散热不良、环境温度过高等各种因素。但无论如何，过负荷保护的必要性是肯定的。因此，电动机，包括不易机械过负荷的连续运行的电动机，应尽可能装设过负荷保护。此外，某些场合下断电的后果比过负荷运行更严重，如没有用机组的消防水泵，应在过负荷情况下坚持工作。

② 目前常用的过负荷保护器件用于短时工作或断续周期工作的电动机时，整定困难，效果不好。条文规定上述电动机可不装设过负荷保护，是为了考虑现实情况。如有运行经验或采用其他适用的保护时，仍宜装设。

8）每相上装设过负荷保护器件能提高灵敏度，反映各相电流的真实情况，易于实现保护。目前交流电动机过负荷保护器件最普遍应用的是热继电器和过负荷脱扣器（即长延时脱扣器)。较大的重要电动机也采用电流继电器，通常为反时限继电器，用于保护电动机堵转的过负荷保护时，可为定时限继电器，其延时应躲过电动机的正常起动时间。

常用的过负荷保护器件简单、价廉，但也难免存在缺点。如热继电器的双金属片与电动机的发热特性不同，导致过负荷范围内动作不均匀；过电流保护在低过负荷数倍下的动作时间明显低于电动机的允许时间，使整定困难。目前，国内有许多厂家生产的专用电动机保护器采样电动机定子电流，经运算与设定的保护曲线比较，具有定时限和反时限功能，能较真实地模拟电动机运行情况，保护效果明显，可以使用。以上两者均只反映定子电流，对其他原因引起的过热不能保护。因此，直接反映绕组过热的温度保护(如PTC热敏电阻保护)及其改进型温度-电流保护是比较合理的。为适应电动机的保护设备的迅速发展，条文中列入了温度保护或其他适当的保护。

9）本条规定了选择过负荷保护器件的一般要求。此外，某些起动时间长的电动机在起动过程的一定时限内解除过负荷保护，防止保护器件误动作，同时对正常运行的电动机进行了保护。实践证明行之有效。

10）在过负荷烧毁的电动机中，断相故障所占比例很大，根据参考资料，美国和日本约占12%，苏联约占30%；而我国则明显超过以上数字。这与断相保护不完善有直接关系，致使因断相运行每年烧毁大批电动机，已引起多方面人士的关注。基于上述情况，并考虑到电器制造水平的发展，本条对断相保护作出了较严的规定。

关于用低压断路器保护的电动机，本条规定宜装设断相保护。据发生断相故障的181台小型电动机的统计，因熔断器一相熔断或接触不良的占75%，因刀开关或接触器一相接触不良的占11%，因电动机定子绕组或引线端子松开的占14%。由此可见，除熔断器外，其他原因约占25%，仍不容忽视。

电动机断相运行时，电流会出现过负荷，用熔断器作保护时，需热效应将每相熔断器逐一熔断，反应迟缓，故要另外装设断相保护。对断路器而言，过负荷保护动作后，将切断三相电源，比熔断器效果好。

11）短时工作或断续周期工作的电动机经常处于起动和制动状态，电流变化较大。保护元件难以准确判断，容易误动作，因此可不设断相保护。

12）交流电动机装设低电压保护是为了限制自起动，而不是保护电动机本身。当系统电压降到一定程度，电动机将疲倒、堵转，这个数值可称为临界电压，其与电动机类型和负荷大小有关。低电压保护的动作电压均接近临界电压（欠电压保护)或低于临界电压（失压保护)。在系统电压降到低电压保护的动作电压之前，电动机早已因电流增加而过负荷。低电压保护可归纳为两类：为保证人身和设备安全，防止电动机自起动（包括短延时和长延时)；为保证重要电动机能自起动，切除足够数量的次要电动机（瞬时)。

为配合自动重合闸和备用电源自投的时限，与继电保护规程协调一致，短延时低电压保护的时限为0.5～1.5s。考虑到某些机械(如透平式压气机)的停机时间较长，长延时低电压保护的时限为9～20s，为了适用不同情况，本条未给定低电压保护的时限具体数值，而是根据工艺要求确定。

13）按有关规范间的分工和本问的适用范围，本条仅涉及低压同步电动机。低压同步电动机在某些场合仍有应用价值，因此条文中作了原则规定。以前低压同步电动机都采用定子回路的过负荷保护兼作失步保护，随着电力电子技术的发展，在转子回路中装设失步保护或失步再整步装置等是可行的，因此，条文中列入了这些内容。此外，当同步电动机由专用变频设备供电时，特别是具有转速自适应功能时，失步情况与由电力系统供电时不同，可另行处理。

14）直流电动机的使用情况差别很大，其保护方式与拖动方式密切相关，规范中只能作一般性规定。条文中“并根据需要装设过负荷保护”，这里的“过负荷保护”也包括保护电动机堵转的过负荷保护。

15）电动机综合保护器目前国内已有许多生产厂家能够生产，可实现多种保护功能，其内部的微处理器能用复杂的算法编制程序，精确地描述实际电动机对正常和不正常情况的相应曲线，能保护多种起因的电动机故障，并有许多监控功能。

16）旋转电动机励磁回路额定电流一般较小，过负荷能力强，且励磁回路一旦断电，容易造成“飞车”现象，导致出现更大的危害。

《工业与民用供配电设计手册（第三版）》（以下简称《配三》）中要求，在满足各种要求前提下，保护开关长延时整定值要接近并大于额定电流。

有不少设计单位这样执行，按计算电流的1.5倍选择开关。这个有一定道理，但是不严谨，应深入理解，尤其需要注意的是GB 50055—2011的2.3.5条中瞬动整定电流为起动电流最大有效值的2~2.5倍的要求。

瞬动校验如下：

常见笼型电动机起动倍数一般为5~7（个别特殊的为13，常规民用建筑一般不考虑），C型断路器瞬动倍数为5~10（一般产品实际为7~8），D型断路器瞬动倍数为10~20（一般产品实际为15~18），电动机一般选择D型。按最不利校验，电动机起动倍数为7，D型断路器瞬动倍数为10。

I_n×10＞I_B×7×2，由此得到I_n＞1.4I_B ，取1.5倍；按瞬动整定电流为起动电流最大有效值的2.2倍来计算，则是1.54，也取1.5倍，这是前面提到的1.5倍经验值的来源。

例如7.5kW的电动机，额定电流为15A，起动倍数为7。下面列举三种情况：

① 上述方法选择，开关最小为15×1.5A=22.5A，取25A。因此，实际设计中，大多会选择25A开关，也有为了可靠选择32A的。这个是常规，方便快捷，没有太大问题，但是偏离《配三》中接近额定电流的要求。另外保护整定可能困难，距离稍远，灵敏度不好满足，为满足灵敏度大幅增加导线截面并不合理。

② 如果不按这个要求，按比15A大就行，选择16A，并错误地选择C型。16×10＞15×7×2不成立，一般产品瞬动倍数实际为7~8，5~10倍的都是合格产品。按10倍校验尚不能满足起动要求。如果选择C型，需要按最不利的5倍瞬动校验。I_n×5＞I_B×7×2，得出I_n＞2.8I_B=42A，最小选50A开关（一般产品为7~8倍，即使按7倍，开关长延时也是计算电流的2倍左右），导线载流量至少要大于50A，明显不合理，这就是为什么电动机需要选择D型断路器。此处选择不当，将会出现断路器瞬动躲不开起动电流，无法起动或频繁故障。

③ 如何贴近额定电流?换句话说，如果选择16A开关，那瞬动倍数最小是多少?（某年注册电气工程师考试题目有类似这种题目，求最小倍数，只考查瞬动，实际中还需要考虑更多）

15×7×2/16=13.125，最小倍数为13.125。核心在于7倍起动电流情况下瞬动是起动2~2.5倍的要求，注意这仅是判断瞬动的要求，此外还应考虑起动曲线和脱扣曲线。当开关无过负荷保护时，只需要满足瞬动，此时当瞬动倍数较大，如14~15以上时，只要开关长延时大于电动机额定电流即可。（严谨地讲，此时仍然需要考虑电压偏差对电动机额定电流的影响，同时需要考虑环境对开关脱扣曲线的影响，所以，最终仍然需要考虑一定余量）

长延时校验如下：

长延时脱扣器用作电动机过负荷保护时，其整定电流应接近但不小于电动机的额定电流，且在7.2倍整定电流下的动作时间应大于电动机的起动时间。此外相应的瞬动脱扣器应满足以上瞬动的要求，否则应另外装过负荷保护电器，而不得随意加大长延时脱扣器的整定电流。

校验涉及起动电流曲线和断路器脱扣曲线，断路器脱扣曲线应完全包住起动电流曲线，才能满足要求。严格校验时，需要按厂家提供的选型表（已经通过实验检验过的数据），另外应注意电动机参数不同，曲线不同，厂家不同曲线有差异，环境不同也会影响脱扣曲线和起动曲线。

如《配三》表12-7和表12-8列出了常用电动机、保护电器及导线选择表。需要注意表格数据仅供参考，还需要注意各种参数的不同引起的变化，不能一味照搬照抄，需要区别重载、轻载、空载、品牌、型号等。

图8所示是异步电动机起动曲线和断路器脱扣曲线，注意这只是标称条件小的曲线，实际这两条曲线不应该是两条线，而是四条线，也就是说是一个小范围。尽量贴近，利于保护，但是容易误动作。实际中未知详细曲线的情况居多，很难准确把握。实际电动机端电压会有±5%（甚至是±10%）的电压偏差，电动机不同厂家的差异、断路器的制造误差等，种种原因综合，造成很难准确把握。