電動機的故障大體分為兩部分：一部分是機械的原因。例如軸承和風(fēng)機的磨損或損壞：另一部分是電磁故障，二者互有關(guān)連。如軸承損壞，引起電動機的過載，甚至堵轉(zhuǎn)，而風(fēng)葉損壞，使電動機繞組散熱困難，溫升提高，絕緣物老化。電磁故障的原因很多，如電動機的過載、斷相、欠電壓和短路都足以使電動機受損和毀壞。過載、斷相、欠電壓運行都會使繞組內(nèi)的電流增大，發(fā)熱量增加(導(dǎo)體的發(fā)熱量是和電流的平方成正比的)，而短路造成的危害就更大。短路的原因是電動機本身的絕緣材料質(zhì)量差或電動機受潮(在農(nóng)村是經(jīng)常發(fā)生的，例如受雨淋或落水)，以致于繞組的相間擊穿，引起短路。此外，還有電動機置于有酸堿物的場所，因受腐蝕而損壞絕緣。
一、電動機的過載及其保護
電動機的過載除上述原因外，還有：
a.電動機周圍環(huán)境溫度過高，散熱條件差；
b.電動機在大的起動電流下緩慢起動；
c.電動機長期低速運行；
d.電動機頻繁起動、制動、正反轉(zhuǎn)運行及經(jīng)常反接制動。
電動機的過載由于電流增大，發(fā)熱劇增，從而使其絕緣物受到損害，縮短了其使用壽命甚至被燒毀。
從電動機的結(jié)構(gòu)來看，鼠籠型電機的定子鐵心置放繞組的槽內(nèi)必須有良好的絕緣物，繞組(銅線)表面有絕緣漆層，繞線式電動機轉(zhuǎn)子繞組與定子繞組一樣，繞組與鐵心槽襯以絕緣物，三個端線所接的銅滑環(huán)，環(huán)間，環(huán)與轉(zhuǎn)軸之間也是彼此絕緣的。為了保證電動機的相間、帶電體與外殼的絕緣，通常是使用各種耐熱等級的絕緣材料的。各種絕緣都有一定的耐受工作溫度的指標。IEC85規(guī)定A級(105℃)、E級(120℃)、B級(130℃)、F級(155℃)……。八十年代，IEC216提出了一個新的耐熱標準，稱為溫度指數(shù)TI(TemperatureIndex)以此代替IEC85。TI是按阿尼羅烏絲(Arrhenins)公式t=10a＋b/T計算的。式中：t—壽命[小時(h)]
T—絕緣材料使用的溫度(℃)
a、b—與材料有關(guān)的常數(shù)
例如：某電動機使用的絕緣材料a=－2，b=1034，使用溫度T=164℃
得t=10－2＋(1034/642)=104.30=2000h
它表示此絕緣物使用于164℃時，其使用壽命為20000小時。
如果把使用溫度提高8℃，則T=164＋8=172℃
t=10－2＋(1034/172)=104=10000h
它說明很早以來，電工技術(shù)工作者提出的絕緣材料的使用溫度每增加8℃，其使用壽命就減半是有理論和實踐依據(jù)的。
電動機的過載保護安秒(I－t)曲線(反時限)
1.電動機的過載特性
2.保護電器的保護特性
3.電動機的起動電流特性
保護器的I－t曲線在電動機過載特性之內(nèi)，但兩曲線間距不必拉得過大，以便做到既不使電動機因為過載造成溫升增大影響壽命，又充分利用電動機本身的最大耐受過載能力。根據(jù)生產(chǎn)和科學(xué)實踐，對電動機的保護特性已由IEC947—4《低壓開關(guān)設(shè)備和控制設(shè)備。低壓機電式接角器和電動機起動器》作出了新的規(guī)定(我國的GB14048.4等效于IEC標準)，對無溫度補嘗的保護電器：
1.0In>2h不動作
1.2In≤2h動作
7.2In：2s
在八十年代，我國曾有科技人員對繞組采用B級絕緣(允許工作溫度為130℃)的電動機，進行了實測(即不動作和動作的時間極限，此極限表明不會引起絕緣水平下降的電流與時間的最大值)： 以上實測值是在幾臺電動機上測試的，不夠全面，但它表明，這個標準還是比較實際的(6In是老標準)舊標準把6In作為可返回特性的電流，它相當于電動機的起動電流，經(jīng)可返回時間(在通以6In時的延時時間，后將電流返回1倍In或0.9In，此段時間內(nèi)保護電器不允許動作，這種可返回特性的規(guī)定是為了躲過電動機的起動，它的可返回時間應(yīng)大于電動機的起動時間，舊標準的可返回時間分1s、3s、8s、13s幾種)。鑒于把起動電流定在6倍和可返回時間固定在上述的4種已不能完全反映現(xiàn)實情況(例如Y型鼠籠型電動機的起動電流倍數(shù)就有5、5.5、6、6.5、6.8、7的六種)，因此我國的GB14048.4(等效采用IEC947－4)統(tǒng)一規(guī)定為7.2倍，并對不同的起動時間規(guī)定了延時時間Tp。美國NEMA(美國全國電氣制造商協(xié)會)1993年的MG－1標準對電動機的過載和失速(相當于電動機的堵轉(zhuǎn)和剛起動——筆者注)保護作了新的規(guī)定：“輸出功率不超過500HP(馬力，相當于368kW—筆者注)，額定電壓不超過1kV的多相電動機，在正常工作溫度初次起動，耐受1.5倍全額電流的時間應(yīng)不等于2min”，又規(guī)定：“功率輸出不超過500HP，額定電壓不超過1kV的多相電動機，在正常溫度初次起動時，應(yīng)能耐鎖定轉(zhuǎn)子電流的失速時間不少于12s”，從以上標準和對我國絕大多數(shù)的電動機的起動時間的統(tǒng)計來看，選1.5In為2min，7.2In為2s
二、電動機的短路保護(電動機保護電器瞬時動作電流整定值)電動機在短路情況下的保護，通常選用斷路器，有的地方也使用熔斷器
。一些文獻提到，斷路器的瞬時動作電流整定值應(yīng)能躲過電動機的全起動電流。Isct—斷路器瞬時動作電流整定值A(chǔ)；k—可靠系數(shù)，它考慮了電動機起動電流的誤差和斷路器瞬動電流的誤差，k一般取1.2；I’’st—全起動電流值，也稱尖峰電流A。所謂全起動電流，是包括周期分量和非周期分量兩部分。非周期分量的衰減時間約為30ms左右，而一般的非選擇性斷路器的全分斷時間在20ms之內(nèi)，因此必須把非周期分量考慮進去。I’st為1.7～2倍的電動機起動電流I’st。在諸多文獻中，如《建筑電氣設(shè)計手冊》規(guī)定Isct≥(1.7～2)Ist，而《工業(yè)與民用配電設(shè)計手冊》規(guī)定Isct=1.7Ist，有的手冊則規(guī)定Icst為2～2.5倍的電動機起動電流。低壓電器標準，如JB1284《低壓斷路器》的編制說明中認為，根據(jù)實驗和統(tǒng)計，保護鼠籠型電動機的斷路器，其瞬動電流是整定在8～15倍電動機的額定電流的，而繞線式電動機應(yīng)整定在3～6倍電動機額定電流。8～15倍鼠籠型電動機額定電流是一個范圍，具體的數(shù)值還需要考慮電動機的型號、容量、起動條件等等因素。以下，我們分析一下，鼠籠型電動機起動時的全起動電流(類峰電流)。
1.起動電流的低功率因數(shù)，過渡過程的非周期分量的存在。在這種情況下，周期分量的幅值盡管穩(wěn)定，但受非周期分量的影響，故有尖峰電流流過(功率因數(shù)低，表示電感L大，時間常數(shù)T=L/R大，非周期分量Imsin(Ψ—)e－t/T值大，非周期分量的衰減慢)。當起動電流的COS=0.3時，尖峰電流為起動電流(有效值)的2倍左右；
2.殘余電壓的影響而產(chǎn)生的瞬間再合閘的尖峰電流。電動機切斷電源后再接通時，當切斷電源而電動機尚未停下，就帶有殘余電壓。這種殘余電壓不僅是由于有剩磁而產(chǎn)生，而且還由于次級線圈(轉(zhuǎn)子)有殘余電流而形成，所存在的殘余電壓與再合閘時的電源電壓在某一相位時的疊加，就會產(chǎn)生尖峰電流。其大小與電動機完全停止后再起動相比，要大(殘余電壓＋電源電壓)比電源電壓倍，這種尖峰電流雖然僅出現(xiàn)1－2周波，但足以使斷路器的瞬時脫扣器動作。因為1、2兩個原因，可出現(xiàn)下列情況：
(1)電動機直接起動
由于COS為0.3，尖峰電流為(6In)的2倍，等于In(有效值)故塑殼式斷路器的瞬時脫扣器整定電流值最小值為8.5In，(In為電動機的額定電流)
(2)星—三角(Y－Δ)起動
也假設(shè)為COS0.3，當從Y起動到Δ運轉(zhuǎn)的一瞬間(1～2周波)，尖峰電流(峰值)約為額定電流(有效值)的19倍，則斷路器必須把瞬時動作電流整定到14In?以上。
(3)自耦減壓起動時
COS=0.3，電動機起動電流為6In，由于有尖峰電流的存在，原來按80％抽頭的正常起動電流為3.84In，現(xiàn)提高到7.7In，按65％抽頭的正常起動電流為4.3In，現(xiàn)提高到5In。
(4)瞬時再起動
按COS為0.3，起動電流為6In，考慮到殘余電壓的影響，尖峰電流為最大，是額定電流的24倍(6×2×2)(峰值)，其有效值為=16.97≈17，因而斷路器的瞬時脫扣器的整定電流必須在電動機額定電流的17倍以上。從以上分析可知，正是電動機的型號、結(jié)構(gòu)、起動方式等的不同，導(dǎo)致尖峰電流的出現(xiàn)，由此而推出Isct在8～15倍In之內(nèi)(個別的還可達到17倍In)，對于瞬時動作電流可調(diào)的斷路器，其調(diào)節(jié)范圍按8～15倍In考慮，而大量的塑殼式斷路器(不可調(diào))，取其平均值12In，誤差采用熔斷器保護電動機的瞬動，熔斷器的熔體電流可由下式確定：
Irin≥Ist比α
式中：Ist—電動機的起動電流A；
α—決定起動狀況和熔斷器的系數(shù)，一般為2～3之間。
三、關(guān)于鼠籠型電動機的斷相保護電動機的斷相分為兩類，一是電動機外部的電源線斷線；二是電動機內(nèi)部定子繞組的斷線，而電動機內(nèi)部接線又分為星形聯(lián)結(jié)和三角形連接兩種。因此提到斷相必須分清是那一種性質(zhì)，另外，所謂斷相保護，是指正在運行中的電動機。
1.被保護的電動機的定子繞組是星形聯(lián)結(jié)，斷相運行時，一般說未斷的兩相電流會增大。由于電壓的不平衡，至少有一相電流增大。因是星形聯(lián)結(jié)，線電流等于相電流，所以對于星形聯(lián)結(jié)的電動機，選用一般的三極熱繼電器或三極保護電動機型的斷路器，是能夠起到有效保護的。
2.被保護的電動機的定子繞組是三角形聯(lián)結(jié)，當電動機發(fā)生斷相時會有兩種情況產(chǎn)生：
a.電動機外部的電源線斷線(如熔斷器——相熔斷)，I2ph=2Iph，I2=I3=I1ph＋I2ph=1.5I2ph此時線電流與相電流之間已不是的關(guān)系，線電流已經(jīng)不能正確反映相電流的大小，即不能有效地反映電動機繞組是否已處于過載狀態(tài)。當電動機在額定負載下斷相運行時，I1ph=I3ph=0.58In(In為電動機的額定電流)，I2ph=2Iph=1.16In，I2=I3=1.5I2ph=1.5×1.6In=1.73In。此時如果選用一般的三極熱繼電器(或斷路器)，勉強可以起保護作用但是當負載在額定負載的65％下斷線運行時會動作，時間長了可能燒毀電動機。為解決保護問題，應(yīng)采用帶斷相保護的熱繼電器，如JR20、T系列、3UA系列等。
b.電動機的定子繞組為三角形聯(lián)結(jié)，繞組斷了一相，此時就出現(xiàn)：I2=I3=IphI1=Iph 可以看到，有一相線電流與未斷線前是一樣的，因此，可以選用一般的三極熱繼電器來保護。
四、關(guān)于電動機的欠電壓保
當?shù)蛪号潆姾陀秒婋娐芬虬l(fā)生故障而使網(wǎng)絡(luò)電壓大幅度降低時，就會使正常運轉(zhuǎn)的電動機出現(xiàn)疲倒、堵轉(zhuǎn)、使大批電動機產(chǎn)生幾倍的過電流甚至短路。此時必須使用保護電器將故障電壓切斷，以便保護電動機(特別是功率為30kV及以上的電動機)及其線路。
電壓降低到足以使電動機疲倒、堵轉(zhuǎn)的電壓，稱為臨界電壓。在臨界電壓出現(xiàn)時，低壓保護電器恰好會動作就稱為欠電壓保護。
當電網(wǎng)電壓低于電動機的臨界電壓，保護裝置方始動作，稱為失壓保護，失壓保護是欠電壓保護的一種。根據(jù)理論計算，在額定負載(滿負荷)時，
鼠籠型電動機的臨界電壓Uk=0.67Ue；(Ue為電動機的額定電壓)；
繞線型電動機的臨界電壓Uk=0.71Ue。
如果負載率是50％，則
鼠籠型電動機的臨界電壓Uk=0.5Ue；
繞線型電動機的臨界電壓Uk=0.525Ue。
因此從理論值上看(理想的情況)，無論是鼠籠型或繞線型電動機的欠電壓保護值，其上限為0.70Ue，下限值為0.5Ue，而考慮各種誤差因素，GB14048.2《低壓開關(guān)設(shè)備和控制設(shè)備低壓斷路器》標準規(guī)定，欠電壓動作電壓值為(70％～35％)Ue。
我們知道，在電動機的起動瞬間(或在全電壓下電動機運轉(zhuǎn)時的轉(zhuǎn)矩小于負載轉(zhuǎn)矩時)其電流變得很大，此時的電動機電流I2’’(折合到定子的轉(zhuǎn)子電流)，由于剛起動或堵轉(zhuǎn)，n≈0，S≈1，I12很大，一般可達5～7倍的In。如果電路的電壓下降到臨界電壓的上限值造成堵轉(zhuǎn)時,電動機的電流最大可達5In，時間略長就要燒毀電動機。
前者有殘余電壓，故有殘余電磁轉(zhuǎn)矩的作用，這就是電動機達到停機的惰行時間較長。還可能帶來本身的短路，且此時如果電網(wǎng)電壓恢復(fù)正常，再起動時，會產(chǎn)生很大的沖擊電流，擴大故障范圍；而在電壓完全消失時，或者僅有20％～30％額定電壓下，達到停機的時間僅為純機械的較短惰行時間而已，此時(電動機尚未全停下)即使電壓恢復(fù)正常，所造成的沖擊電流也不大。失壓保護的意義在于防止自起動。
瞬時動作—對于不重要的，不影響生產(chǎn)工藝流程的電動機，一旦有低于臨界電壓者立即動作；一般短延時0.5s左右，短延時動作主要針對欠電壓對象，用瞬時動作甩掉一批次要的電動機，而用短延時動作來保住一些主要的電動機。長延時動作—適用于重要的，起動條件不困難的繞線型電動機；可以自起動但技術(shù)保安條例不允許自起動的鼠籠型電動機，延時大約5～10s，通常它的整定時間大于5s而小于電動機的全部惰行時間。長延時動作主要針對失壓保護，其目的是爭取一部分比較重要，而其起動條件又不困難的電動機盡可能不退出運轉(zhuǎn)。
五、電動機保護線路及其保護電器的選擇
電動機保護的線路大致有以下四種
1.由熱繼電器FR，接觸器kM和僅有瞬動保護的斷路器QF組成，如圖4所示。接觸器用來起動、停止電動機，熱繼電器用來保護電動機的過載，而僅有瞬動保護的斷路器是保護電動機的短路。
2.由熱繼電器FR，接觸器kM和熔斷器FS組成。熱繼電器保護電動機的過載，接觸器起動和停止電動機，熔斷器作電動機的短路故障保護。
3.由一臺接觸器kM和一臺電動機保護型的斷路器QF組成。接觸器作為電動機的起動和停止之用，電動機保護型斷路器作電動機的過載和短路故障的保護。
4.由一臺電動機保護型斷路器組成，電動機保護型斷路器，既做電動機的起動和停止，又作電動機的過載和短路故障的保護。以上四種中，1、2兩種適合于比較頻繁的起動——停止電動機，第3種適合一般頻繁起動，而第4種只能適用于不頻繁起動和停止。
從投資來看，1、2種最不經(jīng)濟，第4種最經(jīng)濟，因為它可少用一臺起動、停止用的接觸器(和熱繼電器)。
但是采用電動機保護型的斷路器作電動機的過載保護和短路保護(如圖7所示)，也存在一個很難克服的困難。這就是額定電流的匹配問題，例如Y型電動機同是15kW功率，因為極數(shù)等原因，額定電流就有29、30、31、34安培等規(guī)格。而斷路器的額定電流是嚴格按照國家標準，以優(yōu)選系數(shù)=1.25的增減來選擇的，如10、13、16、20、25、32、40、50、63、80、100A……這樣，15kW電動機選用的斷路器額定電流只能往上靠32A，它大于29A、30A、31A、規(guī)格而小于34A規(guī)格的電動機
。對于現(xiàn)在大量應(yīng)市的塑殼式斷路，盡管有電動機保護型，但是它的整定電流(額定電流)是不可調(diào)的，往往起不到保護作用，因此采用斷路器作過載保護是不理想的，建議采用過載長延時整定電流可調(diào)的熱繼電器來充任。雖然這種可調(diào)是不精細的，目前我廠正在開發(fā)智能型塑殼式斷路器，如果研制成功，則其整定電流可以基本上做到無級調(diào)整。
上述第1種電動機保護線路的斷路器QF是僅有瞬時保護性能的。一般的瞬動電流整定值為12In，而本文第二部分提到的星—三角轉(zhuǎn)換和和瞬時再起動，以及一些特殊使用場所，如電力機車的上坡等，瞬動電流整定值可能要求14In甚至更大，這就需要向制造廠作特殊訂貨。電動機作為一種設(shè)備，通常它使用于支路，或主回路和中未端，功率為22kW及以下的大量小型電動機，它的短路電流是不大的，在10kA以內(nèi)，但是，現(xiàn)在的一些大型企業(yè)為了減少電能傳輸過程的損耗，往往將變壓器放在進線柜(即動力中心PC)中，而電動機置于電動機控制中心(MotorControlCentre簡稱MCC)，MCC離PC很近，用于電動機保護的
斷路器與變壓器二次出線端之間的阻抗很小，盡管電動機的功率只有10幾個kW，可是一旦斷路器的負載端出現(xiàn)短路，其短路電流也是很大的，例如圖8所示，M1為15kWY型電動機，當E點發(fā)生短路時，如變壓器B的容量達1600kVA，E處的短路電流可達24.82kA(周期分量有效值)，QF2的短路分斷能力應(yīng)選用380V，25kA(或35kA)的電動機保護型塑殼式斷路器(In為32A)。
