一起三相異步電動(dòng)機(jī)缺相問題的分析

孔凡華，陳小威，尚艷菲，趙旭彤，游藝

（1.福建福清核電有限公司，福建福州 350318；2.濟(jì)南供電公司，山東濟(jì)南 250012）

三相異步電動(dòng)機(jī)被廣泛應(yīng)用在工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、國防及交通運(yùn)輸?shù)葒窠?jīng)濟(jì)的各個(gè)領(lǐng)域，在三相異步電動(dòng)機(jī)運(yùn)行過程中，由于過載、短路、接地、缺相等原因而損壞，因此在電動(dòng)機(jī)的配電回路中加入了各種保護(hù)裝置來保護(hù)電機(jī)[1-3]。如果三相異步電動(dòng)機(jī)在運(yùn)行過程中，由于熔絲燒斷、接觸器故障、端子虛接等，造成其中一相缺失，稱為缺相[4-6]。電動(dòng)機(jī)缺相后，停運(yùn)的電動(dòng)機(jī)將無法正常啟動(dòng)，正在運(yùn)轉(zhuǎn)的電動(dòng)機(jī)會發(fā)出異響，并逐漸減速。若長時(shí)間缺相運(yùn)行則會造成電動(dòng)機(jī)繞組燒毀，影響生產(chǎn)，甚至造成事故[8-9]。

本文通過對我廠一起電機(jī)繞組燒毀事故進(jìn)行深入分析，給出了解決缺相問題的方法。并通過試驗(yàn)驗(yàn)證了該方案的可靠性，對電動(dòng)機(jī)提供有效的缺相保護(hù)。

1 事故起因

我廠運(yùn)行人員在現(xiàn)場進(jìn)行風(fēng)機(jī)啟動(dòng)試驗(yàn)，進(jìn)行電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)操作，由于之前已啟動(dòng)過該電動(dòng)機(jī)，因此未進(jìn)行點(diǎn)動(dòng)試驗(yàn)?，F(xiàn)場發(fā)現(xiàn)電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)一段時(shí)間后轉(zhuǎn)速開始下降，并伴隨嗡嗡聲，發(fā)現(xiàn)此狀況后立即停運(yùn)電動(dòng)機(jī)。由于現(xiàn)場人員缺乏經(jīng)驗(yàn)，對電動(dòng)機(jī)再次啟動(dòng)，發(fā)現(xiàn)電動(dòng)機(jī)已無法啟動(dòng)，且現(xiàn)場聞到一股燒焦的味道。后經(jīng)電機(jī)專業(yè)人員對電動(dòng)機(jī)進(jìn)行解體，發(fā)現(xiàn)電動(dòng)機(jī)內(nèi)部繞組已燒毀。排查原因，確定是由于電動(dòng)機(jī)接線盒內(nèi)的端子松動(dòng)導(dǎo)致電機(jī)缺相，進(jìn)而造成以上事故。

電動(dòng)機(jī)的配電回路中已設(shè)置了保護(hù)裝置，為何一直到電機(jī)燒毀保護(hù)仍未動(dòng)作？本文就從理論方面給出解釋，并對我廠電動(dòng)機(jī)配電回路進(jìn)行改進(jìn)，確定了理論的正確性。

2 缺相運(yùn)行工況電動(dòng)機(jī)電流變化的分析

2.1 Y接法電動(dòng)機(jī)

Y接法電動(dòng)機(jī)示意圖見圖1。Y接法電動(dòng)機(jī)缺相后分析示意圖見圖2。

圖1 Y接法電動(dòng)機(jī)示意圖Fig.1 The Y connection motor

圖2 Y接法電動(dòng)機(jī)缺相后分析示意圖Fig.2 The Y connection open-phase motor

定子繞組一相缺相：假設(shè)缺相繞組為B相。

未發(fā)生缺相事故時(shí)，電動(dòng)機(jī)正常運(yùn)轉(zhuǎn)，各繞組中的電流情況為

各相繞組電源進(jìn)線的電流分別為

式（1），（2）中，IN為電機(jī)穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)的電流，即額定電流；IAN為A相繞組電流；IBN為B相繞組電流；ICN為C相繞組電流。

發(fā)生缺相事故后，A、C兩相繞組串聯(lián)后接在A、C兩相電源之間，其兩端承受的電壓為UAC，每相繞組上分擔(dān)的電壓為0.5UAC，即為0.5UL。根據(jù)三相交流電動(dòng)機(jī)功率計(jì)算公式（3）：

假設(shè)缺相后，電機(jī)仍然持續(xù)運(yùn)行，且負(fù)載不變，功率因數(shù)不變，電動(dòng)機(jī)輸出功率也不變。設(shè)缺相后A、C兩相繞組中通過的電流為IAN=ICN=IAC，根據(jù)公式

從而得出：

各繞組中的電流情況為

各相繞組電源進(jìn)線的電流分別為

式（3）—（6）中，UL為三相交流電源的線電壓；cos φ為電動(dòng)機(jī)功率因數(shù)；UAC為電源A、C相間電壓；IAC為A、C相繞組電流。

帶有某一負(fù)載的電動(dòng)機(jī)運(yùn)行中，突然缺相運(yùn)行時(shí)，轉(zhuǎn)速會稍微下降，軸負(fù)載功率由兩相繞組承擔(dān)，缺相運(yùn)行電流增大，此時(shí)電機(jī)往往工作于過負(fù)載狀態(tài)，電流甚至可達(dá)倍的額定電流，或者更大，足以導(dǎo)致電機(jī)繞組由于過電流發(fā)熱而燒毀。

我們知道，導(dǎo)致電動(dòng)機(jī)燒毀的主要原因是繞組中通過的電流發(fā)熱過大而導(dǎo)致繞組間的絕緣損壞，從而導(dǎo)致電機(jī)燒毀，若是能保證電動(dòng)機(jī)的電流不超過額定電流，那么電機(jī)即使缺相，也可以保證持續(xù)運(yùn)行一段時(shí)間。

如果要保證電動(dòng)機(jī)A、C繞組不至于燒毀，那么要保證電流不超過額定電流，則此時(shí)電動(dòng)機(jī)輸出功率為

2.2 Δ接法電動(dòng)機(jī)

Δ接法電動(dòng)機(jī)的缺相問題，要分為兩種情況進(jìn)行討論：繞組內(nèi)部線圈發(fā)生斷路現(xiàn)象，即繞組內(nèi)部線圈發(fā)生缺相；電動(dòng)機(jī)電源進(jìn)線一相斷路，即電源進(jìn)線缺相。

2.2.1 繞組內(nèi)部線圈發(fā)生缺相

在繞組內(nèi)部線圈發(fā)生斷路前，如圖3所示，電機(jī)正常運(yùn)行，其各繞組電流情況為

式（8）中，IAB為AB繞組電流；IBC為BC繞組電流；IAC為AC繞組電流。

圖3 Δ接法電動(dòng)機(jī)示意圖Fig.3 The Δ connection motor （the inner winding open）

各相繞組電源進(jìn)線的電流分別為

式（9）中，IA為電源A相電流；IB為電源B相電流；IC為電源C相電流。

發(fā)生缺相事故后，如圖4所示，AB繞組、AC繞組兩端承受的電壓分別為UAB、UAC。

圖4 Δ接法電動(dòng)機(jī)內(nèi)部線圈缺相后分析示意圖Fig.4 The Δ connection open-phase motor （the inner winding open）

假設(shè)缺相后，電機(jī)仍然持續(xù)運(yùn)行，且負(fù)載不變，功率因數(shù)不變，電動(dòng)機(jī)輸出功率也不變。根據(jù)公式

式中，UAB為電源A、B相間電壓；IAB前為AB繞組缺相前運(yùn)行電流；IAB后為AB繞組缺相后故障電流；IBC后為BC繞組缺相后故障電流；IAC后為AC繞組缺相后故障電流。

從而得出：

各繞組中的電流情況為：各相繞組電源進(jìn)線的電流分別為

從以上分析中可以看出，發(fā)生缺相事故后，電動(dòng)機(jī)非故障的兩組繞組電流變?yōu)樵瓉淼?.5倍，故障繞組中電流為0。實(shí)際運(yùn)行中，缺相運(yùn)行時(shí)，轉(zhuǎn)速會稍微下降，軸負(fù)載功率由兩相繞組承擔(dān)，此時(shí)電動(dòng)機(jī)往往工作于過負(fù)載狀態(tài)，電流甚至可達(dá)1.5倍的額定電流，或者更大，足以導(dǎo)致電機(jī)繞組由于過電流發(fā)熱而燒毀。

2.2.2 電動(dòng)機(jī)電源進(jìn)線缺相

Δ接法電動(dòng)機(jī)示意圖見圖5。電動(dòng)機(jī)正常運(yùn)行時(shí)的情況上面已經(jīng)描述清楚，不再贅述。

圖5 Δ接法電動(dòng)機(jī)示意圖Fig.5 The Δ connection motor （the B phase power loss）

發(fā)生電動(dòng)機(jī)電源進(jìn)線缺相事故后，如圖6所示，AC繞組兩端承受的電壓為UAC，AB繞組、BC繞組串聯(lián)后接在AC兩端，其每相繞組上分擔(dān)的電壓為0.5UAC，即為0.5UL。

假設(shè)缺相后，電機(jī)仍然持續(xù)運(yùn)行，且負(fù)載不變，功率因數(shù)不變，電動(dòng)機(jī)輸出功率也不變。根據(jù)公式

圖6 Δ接法電動(dòng)機(jī)電源進(jìn)線缺相后分析示意圖Fig.6 The Δ connection open-phase motor （the B phase power loss）

從而得出：

各繞組中的電流情況為

從以上分析中可以看出，發(fā)生缺相事故后，電動(dòng)機(jī)三相繞組中有一相繞組的電流變?yōu)樵瓉淼?倍，另外兩相電流保持不變。實(shí)際運(yùn)行中，缺相運(yùn)行時(shí)，轉(zhuǎn)速會稍微下降，繞組電流變大的一相肯定會由于過電流而首先燒壞。各相繞組電源進(jìn)線的電流分別為

3 配電回路保護(hù)裝置的動(dòng)作分析

電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)歷史記錄見表1，電動(dòng)機(jī)技術(shù)參數(shù)見表2。由于我廠電機(jī)為通風(fēng)系統(tǒng)風(fēng)機(jī)的配套電機(jī)，在調(diào)試階段并未帶額定載荷，因此其運(yùn)行電流也未達(dá)到額定電流。

表1 電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)歷史記錄Tab.1 Record of the motor starting

表2 電動(dòng)機(jī)技術(shù)參數(shù)Tab.2 Motor parameters

其配電回路見圖7。

圖7 電動(dòng)機(jī)配電回路圖Fig.7 The power distribution circuit diagram of the motor

發(fā)生缺相后，電動(dòng)機(jī)保護(hù)裝置動(dòng)作情況：

1）熔斷器：熔斷器動(dòng)作特性見表3。熔斷器設(shè)置是為了實(shí)現(xiàn)電動(dòng)機(jī)的短路保護(hù)，001FU型號:NH00-160A，aM。

表3 熔斷器動(dòng)作特性Tab.3 Fuser operating characteristics

2）熱繼電器：熱繼電器的設(shè)置是為了實(shí)現(xiàn)過負(fù)載及過電流保護(hù)，其選型為主回路電流經(jīng)電流互感器001TI（KORC 145/4S）后送至熱繼電器001XS型號:TA25DU4。

缺相運(yùn)行時(shí)，電源進(jìn)線的電流必須達(dá)到熱繼電器的動(dòng)作值，并經(jīng)過一定時(shí)間的積累，才能使熱繼電器動(dòng)作。在本試驗(yàn)中，缺相后電動(dòng)機(jī)約在1.4IN的工況下運(yùn)行，未等到熱繼電器動(dòng)作，電動(dòng)機(jī)已燒毀，之后再停運(yùn)電動(dòng)機(jī)為時(shí)已晚。

表4 熱繼電器動(dòng)作特性Tab.4 Thermal relay characteristics

3）剩余電流保護(hù)繼電器：002XI，剩余電流保護(hù)繼電器的設(shè)置是為了實(shí)現(xiàn)電動(dòng)機(jī)漏電情況下的保護(hù)。在本試驗(yàn)中，電動(dòng)機(jī)缺相時(shí)，未發(fā)生漏電情況，只是發(fā)生了“過電流”——也就是過載的情況，保護(hù)不會動(dòng)作。

4 電動(dòng)機(jī)缺相問題解決

電動(dòng)機(jī)缺相后，會對電動(dòng)機(jī)造成很大的影響，具體表現(xiàn)在以下方面：

1）啟動(dòng)前缺一相的話：不能啟動(dòng)、有雜音、電流大、發(fā)熱；

2）電動(dòng)機(jī)電流表指示高出正常值或?yàn)榱悖?/p>

3）電動(dòng)機(jī)本體及線圈溫度升高；

4）電動(dòng)機(jī)振動(dòng)增大，聲音異常；

5）電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速下降；

6）電動(dòng)機(jī)所帶負(fù)荷出力不足。

因此，必須對電動(dòng)機(jī)裝設(shè)缺相保護(hù)裝置，才能在缺相時(shí)及時(shí)停運(yùn)電動(dòng)機(jī)，避免造成財(cái)產(chǎn)損失，減少安全事故。

針對當(dāng)前電動(dòng)機(jī)配電回路中的保護(hù)未動(dòng)作的情況，經(jīng)過討論，決定使用LM210系列微機(jī)電動(dòng)機(jī)保護(hù)監(jiān)控裝置對該電動(dòng)機(jī)重新進(jìn)行試驗(yàn)，以驗(yàn)證加入缺相保護(hù)裝置后，能否實(shí)現(xiàn)對電動(dòng)機(jī)的缺相保護(hù)。

LM210系列微機(jī)電動(dòng)機(jī)保護(hù)監(jiān)控裝置是適用于交流50 Hz、380 V系統(tǒng)電動(dòng)機(jī)饋線終端的智能化綜合保護(hù)裝置，對電動(dòng)機(jī)在啟動(dòng)和運(yùn)行中發(fā)生的過載、啟動(dòng)超時(shí)、缺相、電流不平衡、堵轉(zhuǎn)、單相接地、欠電流、反相序、TE時(shí)間等予以保護(hù)，廣泛用于石化、鋼鐵、電力、紡織、機(jī)械等企事業(yè)單位。

試驗(yàn)中使用三個(gè)單相斷路器來代替原來的三相斷路器，試驗(yàn)電路如圖8所示。

試驗(yàn)中，在電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)后一段時(shí)間，使用斷路器的跳閘按鈕“TRIP”使其中一相缺相，缺相后電動(dòng)機(jī)立即停止運(yùn)行。LM210可以實(shí)現(xiàn)對電動(dòng)機(jī)的缺相保護(hù)，原有電動(dòng)機(jī)配電線路無法實(shí)現(xiàn)缺相保護(hù)功能。

為了實(shí)現(xiàn)電動(dòng)機(jī)的缺相保護(hù)，目前常用以下3種方法實(shí)現(xiàn)，在實(shí)際使用中，可以根據(jù)需求選擇其中一種進(jìn)行保護(hù)：

圖8 增加缺相保護(hù)電動(dòng)機(jī)試驗(yàn)圖Fig.8 Motor testing diagram with the phase protection

1）增設(shè)監(jiān)視三相電壓的繼電器，繼電器的觸點(diǎn)接入電動(dòng)機(jī)的配電回路中，當(dāng)缺相后，監(jiān)測缺相電壓的繼電器觸點(diǎn)動(dòng)作，從而切斷電源，使電動(dòng)機(jī)停運(yùn)。

2）使用專門的缺相保護(hù)繼電器，原理與第一種差不多，可以簡化接線，減少占用控制柜的空間。

3）使用電動(dòng)機(jī)智能保護(hù)器：體積小、功能多，不只有缺相保護(hù)，還可以有速斷保護(hù)、過流保護(hù)、啟動(dòng)時(shí)間過長保護(hù)、不平衡電流保護(hù)等。

5 結(jié)論

電動(dòng)機(jī)發(fā)生缺相時(shí)，配電回路中出現(xiàn)了過電流的情況，但這種過電流并不能引起保護(hù)裝置的動(dòng)作。電動(dòng)機(jī)長時(shí)間過電流運(yùn)行，最終導(dǎo)致電機(jī)內(nèi)部繞組線圈由于發(fā)熱過大而燒毀。僅僅依靠熔斷器、熱繼電器、剩余電流保護(hù)繼電器難以滿足缺相工況下對電機(jī)的保護(hù)，因此必須在電動(dòng)機(jī)的配電回路中配置專門的缺相保護(hù)裝置，才能在出現(xiàn)缺相情況時(shí)，提供保護(hù)，防止電動(dòng)機(jī)的損壞。我廠電動(dòng)機(jī)在增加了缺相保護(hù)裝置后，電動(dòng)機(jī)再未發(fā)生由于缺相而燒毀，達(dá)到了很好的效果。

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