这台电机是怎么烧毁的？电气工程师是这样抽丝

转自张白帆：ABB公司的资深电气工程师，在知乎网拥有12万粉丝的电气领域大神Patrick Zhang。北京地铁、首都机场T3航站楼、长江三峡永久船闸、上海磁悬浮列车、大亚湾核电站等数百项目中均留下他的足迹！已出版《低压成套开关设备的原理及其控制技术》第2版、《老帕讲低压电器技术》等图书。

这是一个应用在地铁工程中的实例！

这台电机是怎么烧毁的？电气工程师是这样抽丝

图 某地铁站的低压配电系统和电动机控制主回路

某日，电动扶梯发生了短路，该电动机主回路的断路器未执行保护动作，反而其上级的低压主进线断路器执行保护跳闸。由于低压主进线所接回路众多，低压主进线断路器跳闸造成地铁车站内大量的电气设备因此停止运行，事故被扩大化。事后发现，电动机已完全烧毁，同时低压断路器内A相主触头接触器主触头出现熔焊。

01 参数分析

电力变压器的容量是1250kVA，阻抗电压为6%，系统参数为：

变压器额定电流：1804A，变压器短路电流30kA，变压器的冲击短路电流峰值为62kA。

30kW电动机的额定电流时56A。

由于变压器的短路电流为30kA，因此电动机主回路元器件的配置方案按分断容量为36kA来配置。见下表：

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从表中看出，断路器为T2N160MA80，这是单磁断路器；交流接触器为A63，热继电器为TA75DU80。之所以选择单磁断路器，是因为在ABB的电动机主回路配置方案中，热继电器执行电动机的过载保护，而断路器执行线路的短路保护。

我们来看断路器T2N160MA80的技术数据：

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我们看到，选用T2N160MA80断路器是合理的，它的ICU在380/415V配电网中可达38kA，这个值完全满足极限短路电流ICU＞30kA的要求。然而当电缆末端的电动机发生短路故障时，断路器并未动作，这是为什么呢？

02 分析长电缆对电动机的工况影响

1)长电缆载流量参数

从开关柜电动机回路出口到电动机线盒之间接有截面为35mm的三芯电缆，电缆的长度是120米。35mm三芯电缆（铜芯）的载流量为143A。因为30kW电动机的额定电流是56A，所以35mm电缆的载流量没有问题。

2)电动机接线盒处的电压Ub和电缆压降分析

通常低压成套开关设备的进线、主母线和馈电回路合并的压降U=6V，于是电缆始端A点的电压是

UA=UP-U=400-6=394V

每千米电缆上的电压降系数见下表：

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当30kW电动机正常运行时，35mm电缆的K1000=1；当30kW电动机起动时，35mm电缆的K1000=0.52。于是我们可以计算出电动机运行时的电缆压降UCR和电动机起动时的电缆压降UCS：

式中，L为电缆长度，取值为0.12km；Ie为30kW电动机额定运行电流，取值为56A；KM为电动机起动电流倍率，取值为6，所以电动机起动时其电流为6×56=336A。

当电动机起动时，低压成套开关设备的进线、主母线和馈电回路合并的压降U同样也会变大。假设电动机正常运行时低压进线的电流为IU=1500A，压降UR=6V；当电动机起动时压降US为

于是我们可以计算出电动机运行和起动时在接线盒处的电压值Ub：

我们发现这两个电压值与额定电压380V的正负偏差在2.2%以内，满足电动机正常起动合运行的要求。

再来看UCR和UCS分别与UP的比值，分别是6.722/400≈1.68%和20.97/400≈5.24%，这些值也满足配电技术规范要求。

03 长电缆末端的短路参数和断路器分断能力分析

我们来看120m的3×35mm电缆短路参数，见下表：

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检索上表中的数值后我们发现，当120m的3×35mm电缆始端短路电流为30kA时，其末端短路电流为3.2kA。

当电动机侧发生短路事故时，流过电动机主回路的短路电流最大值就是3.2kA。我们看单磁断路器T2N160MA80的时间-电流特性曲线。如下图所示。

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图T2N160MA80的时间-电流特性曲线

可见T2N160MA80的磁脱扣整定范围是（6~12）In，即0.48~0.96kA。当电缆末端电动机处发生3.2kA的短路故障时，断路器完全能在20ms内实现保护脱扣。

但电机直到烧毁，断路器T2N160MA80直到最后才执行保护跳闸操作，且其A相主触头还出现熔焊。可见断路器的未动作不是故障主因。

04 电动机烧毁的原因分析

我们把原图重新绘制，如下图所示。我们看到，配电系统的接地形式是TN-S。

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注意：从第一张图和上图中我们看到，从低压开关柜电动机回路出线端引至地铁电动扶梯电动机的电缆是三芯的！也就是说，这条电缆中仅仅只引了三条相线，没有把PE线引过去。因此，30kW电动机的外壳一定是就地接地。

从上图中可以看出，当电动机的外壳即外露导电部分直接就地接地后，它的接地系统事实上就是TT。

TT接地形式属于小电流接地系统，当负载处发生单相接地故障后，因为接地电流必须流经地网返回到变压器，接地电流小，所以IEC要求在TT系统中必须配套漏电开关来切断故障线路。

一般地，电机首先由于绝缘破坏而引起定子单相击穿漏电，也即单相接地故障或者碰壳故障。如果是TN-S接地系统，因为系统的PE线直接接到电机外壳，所以接地电阻在0.5Ω以下。将相电压220V除以0.2Ω，可以计算出接地故障电流为1.1kA，此电流足以驱动前接断路器T2N160MA80的短路保护动作。

对于TT系统，设其接地电阻为30Ω，地网电阻为4Ω，将相电压220V除以接地电阻与地网电阻之和，得到接地电流为6.47A，这个电流时无法让前接断路器T2N160MA80动作的。

由此我们可以推测：

当电机定子绕组中的单相接地故障随着时间的延续不断恶化，由于故障主因是TT系统下的单相接地故障，其故障电流较小，无法让120m的3×35mm电缆的前接断路器保护跳闸。

随着单相接地故障的继续发展和恶化，最终出现了三相短路。这时电流已经足以让电动机回路的前接断路器T2N160MA80动作了。但这时又出现了一个问题，也即SCPD短路配合问题。

在GB14048.4《低压开关设备和控制设备 第4-1部分 接触器和电动机起动器 机电式接触器和电动机起动器（含电动机保护器）》中，把断路器与接触器之间的保护配合类型定义为两种。类型1是指断路器执行保护动作后接触器的主触头被熔焊，类型2是指断路器执行保护动作后接触器的主触头未出现熔焊。断路器与接触器保护配合关系的型式试验被称为SCPD，如下图所示。

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图 断路器与接触器之间的保护配合关系SCPD

我们看到的配置方案满足短路电流为36kA的系统。

我们已经知道在长电缆的限制作用下回路中出现的实际短路电流只有3.2kA，因此断路器执行短路保护的灵敏度大为降低。

可以推测在电动机内部的单相接地故障电流持续的作用下，故障电流不断增加。在故障电流尚小于断路器短路动作电流前，断路器与接触器的主触头已经被故障电流加热到接近损毁，甚至已经熔焊；当故障电流大于断路器的磁脱扣保护门限后，断路器动作，但此时断路器和接触器的主触头必然出现严重粘连。

05 结论

因为电动机回路采用了三芯电缆，所以电动机的接地形式是TT，此时断路器的单相接地故障保护灵敏度大为降低，甚至失效。

用户应当采用四芯电缆，使得三相和PE线均送到电动机接线盒中，使得全系统均为TN-S接地系统保护方式。

当实际接地系统变成TT后，用户应当在电动机回路中配套漏电开关RCD，以实现漏电保护，而不能依赖于电动机回路断路器来执行保护跳闸。

此工程中电动机回路断路器T2N160MA80出现了单相接地故障保护灵敏度降低现象，其主因就是电动机的实际接地系统为TT。这一点是应当引以为戒的。