中小型三相電機(jī)故障分析及其保護(hù)實(shí)現(xiàn)

【摘要】本文分析了三相電機(jī)的故障種類，電動(dòng)機(jī)故障形式分為對(duì)稱和不對(duì)稱兩大類，對(duì)稱故障包括過載、堵轉(zhuǎn)、短路等；不對(duì)稱故障包括斷相、逆相、相間短路、接地故障。并通過三相對(duì)稱分量法對(duì)斷相故障進(jìn)行分析，分析了三相電機(jī)的故障種類和故障產(chǎn)生的原因。利用過電流檢測(cè)來實(shí)現(xiàn)對(duì)稱三相電機(jī)斷相故障、短路和過載的分析，給出了三相電機(jī)零序電流檢測(cè)電路，并針對(duì)三角形接法和星型接法給出了不同的保護(hù)電路。并針對(duì)不同情況下電機(jī)的工作狀態(tài)的分析，設(shè)計(jì)保護(hù)電路來實(shí)現(xiàn)保護(hù)，并根據(jù)故障類型實(shí)現(xiàn)了電機(jī)的繼電保護(hù)。

【關(guān)鍵詞】三相對(duì)稱分量法；電流檢測(cè)；等效電路

引言

據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，全國使用的中型電機(jī)大約有2000萬臺(tái)，每年燒毀的電機(jī)約占16%，約320萬臺(tái)，平均每臺(tái)的維修費(fèi)用1000元，總費(fèi)用為32億元左右。三相電機(jī)燒毀無怪乎有以下幾個(gè)原因：電網(wǎng)電壓過高、絕緣漆性能變差造成漏電、二相電機(jī)單相運(yùn)行和負(fù)載過重。因單相運(yùn)行而毀壞電機(jī)占?xì)碾姍C(jī)總數(shù)的50%以上，電機(jī)過載占30%左右[1]。

1、三相電機(jī)故障種類

就電動(dòng)機(jī)的故障種類而言，可分為內(nèi)部故障與外部故障兩種。電動(dòng)機(jī)的常規(guī)外部保護(hù)，無論從理論上還是從診斷與保護(hù)的實(shí)現(xiàn)手段上都相對(duì)完善。電動(dòng)機(jī)的內(nèi)部故障可以分為對(duì)稱故障和不對(duì)稱故障兩種。對(duì)稱故障包括過載、堵轉(zhuǎn)、短路等；不對(duì)稱故障包括斷相、逆相、相間短路、接地故障、三相不平衡等[2]。根據(jù)對(duì)稱分量原理，當(dāng)電動(dòng)機(jī)發(fā)生對(duì)稱故障時(shí)，會(huì)出現(xiàn)明顯的過流。因此，可以利用過電流檢測(cè)來實(shí)現(xiàn)對(duì)稱故障的診斷與保護(hù)。當(dāng)電動(dòng)機(jī)發(fā)生不對(duì)稱故障時(shí)，其定子電流可以分解為正序、負(fù)序和零序分量，其中負(fù)序和零序電流在電動(dòng)機(jī)正常運(yùn)行時(shí)沒有或很小，一旦出現(xiàn)必然表示出現(xiàn)了故障。

2、三相異步電動(dòng)機(jī)斷相保護(hù)

2.1斷相運(yùn)行分析

三相感應(yīng)電動(dòng)機(jī)的斷相運(yùn)行實(shí)際上是電機(jī)不對(duì)稱運(yùn)行的極端情況，故分析三相感應(yīng)電動(dòng)機(jī)斷相運(yùn)行時(shí)，采用對(duì)稱分量法對(duì)其分析。

（1）三相感應(yīng)電動(dòng)機(jī)定子繞組為星形接法時(shí)當(dāng)外線中有一線斷開時(shí)，取外線中斷的一相為A相。我們知道無論是斷相后啟動(dòng)還是電機(jī)滿載是斷相都會(huì)造成Z++Z-減小造成iB過大而使電機(jī)處于過電流狀態(tài)，造成電機(jī)的燒毀[5]。（2）三相感應(yīng)電動(dòng)機(jī)定子繞組為三角形接法時(shí)下面以定子繞組“△”接法時(shí)三相感應(yīng)電動(dòng)機(jī)一相繞組從電源斷開時(shí)為例分析其運(yùn)行情況。由公式我們可以知道當(dāng)斷相后，如果電機(jī)不能從電網(wǎng)中斷開的話，通過其它相的電流將會(huì)急劇增大，大電流將使電機(jī)繞組急劇升溫，將電機(jī)繞組燒毀。

2.2保護(hù)電路實(shí)現(xiàn)

由于電源不平橫或定子繞組阻值不相等而導(dǎo)致其電壓不為零，但其不平衡電壓通常也只是5—10V。如果電機(jī)出現(xiàn)斷相故障時(shí)，這個(gè)電壓就會(huì)迅速升高，于是可圍繞這一點(diǎn)來設(shè)計(jì)保護(hù)電路，畫出星型，三角形保護(hù)電路。

電路工作原理：閉合閘刀開關(guān)QS，按下按鈕開關(guān)SB2，交流接觸器KM的線圈得電吸合鐵心，常開觸點(diǎn)閉合，三相異步電動(dòng)機(jī)通電啟動(dòng)運(yùn)行，電動(dòng)機(jī)正常運(yùn)行時(shí)，雖然由于三相電源不完全平衡，定子繞阻不完全相同等原因使中性點(diǎn)有不平衡電壓，但不平衡電壓一般只5-10V，這時(shí)繼電器KV不會(huì)動(dòng)作，該電路在星形連接的定子繞組的中性點(diǎn)與地之間接一個(gè)靈敏電壓繼電器，利用該繼電器來檢測(cè)零序電壓的變化，達(dá)到斷相保護(hù)的目的.因此適用于小容量星形接法的電動(dòng)機(jī)。

當(dāng)三相電源或電動(dòng)機(jī)定子繞組發(fā)生斷相故障時(shí)，中性點(diǎn)對(duì)地產(chǎn)生偏移電壓（零序電壓），在零序電壓的作用下，電壓繼電器KV瞬間得電動(dòng)作，KV的常閉觸點(diǎn)斷開，交流接觸器KM線圈斷電釋放，KM斷開電動(dòng)機(jī)的電源，從而使電動(dòng)機(jī)得到保護(hù)。

對(duì)三角形連接的電動(dòng)機(jī)斷相保護(hù)來說，其本身沒有中性點(diǎn)，所以我們必須做一個(gè)人為中性點(diǎn)。用三個(gè)等值的電容C1，C2，C3分別與電動(dòng)機(jī)的三個(gè)定子繞組并聯(lián)，連接成Y形（即星形），在這個(gè)Y形的中性點(diǎn)上（U00）接上電阻，繼電器。

工作過程，閉合閘刀開關(guān)QF，按下按鈕SB2，KM的線圈得電吸引鐵心，KM的常開觸點(diǎn)閉合，電動(dòng)機(jī)通電運(yùn)行，電動(dòng)機(jī)正常運(yùn)行時(shí)中性點(diǎn)電壓U00一般小于10V。電動(dòng)機(jī)負(fù)載運(yùn)行中斷相時(shí)，中性點(diǎn)電壓U00的大小與負(fù)載有關(guān)，其變化范圍為10-50V，且負(fù)載愈重，電壓愈高，但與電動(dòng)機(jī)的容量關(guān)系不大。根據(jù)實(shí)際情況選擇適當(dāng)?shù)腒V，這樣當(dāng)中性點(diǎn)電壓U00使KV動(dòng)作時(shí)，即常閉觸點(diǎn)斷開，KM亦會(huì)動(dòng)作，其主觸點(diǎn)斷開電動(dòng)機(jī)的電源，從而起到保護(hù)的目的。

3、三相異步電動(dòng)機(jī)短路和過載保護(hù)

電動(dòng)機(jī)故障形式分為對(duì)稱和不對(duì)稱兩大類，對(duì)稱故障包括過載、堵轉(zhuǎn)、短路等；不對(duì)稱故障包括斷相、逆相、相間短路、接地故障。

3.1對(duì)稱故障分析

對(duì)稱故障過載、堵轉(zhuǎn)、三相短路等其特征是三相電流主要為正序電流。對(duì)稱過載時(shí)，電流一般在1.2～5倍的額定電流。堵轉(zhuǎn)情況下，電流的大小接近于電動(dòng)機(jī)的起動(dòng)電流，一般在5～7倍額定電流。三相短路時(shí)電流大約為8～12倍的額定電流。因此以過流程度作為故障的判據(jù)。對(duì)于嚴(yán)重的三相短路的保護(hù)應(yīng)采用速斷跳閘，堵轉(zhuǎn)故障保護(hù)為短時(shí)限跳閘，而對(duì)于對(duì)稱過載應(yīng)反時(shí)限跳閘。

用過電流繼電器和時(shí)間繼電器來設(shè)計(jì)電動(dòng)機(jī)的過載和短路保護(hù)電路。該電路將電流繼電器接在電流互感器二次回路中，可避開電流繼電器與大電流接觸，同時(shí)在電動(dòng)機(jī)起動(dòng)時(shí)，利用時(shí)間繼電器的動(dòng)斷觸點(diǎn)短接電流互感器，防止起動(dòng)電流過大而引起保護(hù)誤動(dòng)，從而使電路的可靠性更高。

3.2非對(duì)稱故障分析及其保護(hù)

該式表明濾序器輸出電壓只與負(fù)序電流有關(guān)，當(dāng)電動(dòng)機(jī)正常運(yùn)行，即只有正序電流時(shí)，濾序器的輸出電壓為零，即Usc=0，當(dāng)電動(dòng)機(jī)發(fā)生不對(duì)稱故障時(shí)，濾序器輸出電壓Usc≠0，因?yàn)橹挥性诠收锨闆r下才有負(fù)序分量。檢測(cè)出負(fù)序分量，當(dāng)電路中負(fù)序分量大于某值，使電路中繼電器動(dòng)作，實(shí)現(xiàn)跳閘保護(hù)。

（2）零序電流檢測(cè)

接地性不對(duì)稱故障包括單相接地短路和兩相接地短路，發(fā)生這類故障時(shí)，電路中會(huì)出現(xiàn)很強(qiáng)的零序電流分量，當(dāng)電動(dòng)機(jī)發(fā)生故障時(shí)，三相電流中包含有正序、負(fù)序和零序電流分量，由于正序、負(fù)序三相電流分量之和等于0，因此把零序分量作為保護(hù)判斷依據(jù)。即：為零序電流濾序器的匝數(shù)比。在不對(duì)稱故障保護(hù)電路實(shí)現(xiàn)上，由于不對(duì)稱故障原理與斷相故障保護(hù)方式上都是檢測(cè)非正序電流方式，電路結(jié)構(gòu)上具有相同之處，為節(jié)省篇幅，故在此不再畫出。

4、結(jié)論

由以上分析可知，三相異步電動(dòng)機(jī)無論是什么原因，電機(jī)定子繞組接法如何，當(dāng)出現(xiàn)斷相時(shí)，三相電動(dòng)機(jī)斷相運(yùn)行，定子繞組中某一相或兩相的相電流都會(huì)超過額定電流很多倍，電機(jī)的繞組將因過熱而燒毀。斷相運(yùn)行是造成三相感應(yīng)電動(dòng)機(jī)燒毀的一個(gè)重要原因。實(shí)施良好的斷相保護(hù)十分重要。當(dāng)電機(jī)短路或過載時(shí)因電流增大過多也會(huì)造成電機(jī)發(fā)熱而使電機(jī)燒毀，因此這種情況也必須給予重視。

參考文獻(xiàn)

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