電動機保護(hù)器的發(fā)展與展望

黃 凱 劉向軍

（福州大學(xué)電氣工程與自動化學(xué)院，福州 350116）

電動機保護(hù)器的發(fā)展與展望

黃 凱 劉向軍

（福州大學(xué)電氣工程與自動化學(xué)院，福州 350116）

本文介紹了三相異步電動機幾種常見的故障及其故障特征，并闡述了傳統(tǒng)機械式電動機保護(hù)裝置、模擬電子式電動機保護(hù)裝置、以及微機型智能電動機保護(hù)裝置的原理、應(yīng)用及優(yōu)缺點等。最后結(jié)合實際情況對電動機保護(hù)器的發(fā)展提出展望。

三相異步電動機；故障；電動機保護(hù)器

三相異步電動機是將電能轉(zhuǎn)化為機械能的設(shè)備，應(yīng)用領(lǐng)域廣、性能好、結(jié)構(gòu)簡單、運行可靠、價格便宜，在不斷發(fā)展的工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中占據(jù)著重要的地位[1]。由于工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的需要，對三相異步電動機穩(wěn)定性、靈敏性、安全性等性能的要求都較高，而在實際的生產(chǎn)環(huán)境中，由于設(shè)備老化、電網(wǎng)波動、外部環(huán)境及負(fù)載變化等因素的存在，通常會影響電動機的性能，造成電動機的不正常運行，這不僅會造成電動機的損壞，也可能會影響到正常的生產(chǎn)進(jìn)程，甚至威脅到人的生命，造成巨大的損失。

據(jù)相關(guān)不完全統(tǒng)計，我國使用的三相電動機至少為6500萬臺，其消耗的電量至少大于全國所消耗電量的75%[2-3]，而每年燒損的電動機至少為20萬臺次，可想而知，每年因電動機燒損而造成的損失巨大，因此，電動機的保護(hù)尤為重要[4]。

電動機保護(hù)設(shè)備的主要作用是在電動機或線路發(fā)生故障時，可靠動作，從而將電動機與電源切開，使電動機停止工作，以減輕故障帶來的危害，防止事故繼續(xù)蔓延，保護(hù)電動機及相關(guān)設(shè)備，以便于工作人員進(jìn)行檢修排查，迅速恢復(fù)生產(chǎn)，減輕事故造成的損失。隨著工農(nóng)業(yè)的快速發(fā)展，電動機的使用量越來越多，電動機工作的穩(wěn)定性、安全性、靈敏性等受到越來越多的重視，因此，對電動機保護(hù)器性能的要求也越來越高。

本文簡要介紹了三相異步電動機幾種經(jīng)常發(fā)生的故障，對電動機的傳統(tǒng)機械式保護(hù)裝置、模擬電子式保護(hù)裝置、以及微機型智能保護(hù)裝置的原理、應(yīng)用及其優(yōu)缺點進(jìn)行了介紹。另外，對電動機保護(hù)裝置的發(fā)展前景進(jìn)行了闡述。

1 三相異步電動機的常見故障

致使電動機燒損的原因較多，其中，大部分是電動機的工作狀態(tài)異常引起的。電動機正常工作時，其電壓、電流和溫度等參數(shù)都會在額定的范圍之內(nèi)。若電動機發(fā)生故障，其電壓、電流、溫度等參數(shù)將超出額定值，進(jìn)而燒毀電動機[6]。

電動機的故障分為對稱故障和不對稱故障兩大類[7]。電動機的對稱故障有堵轉(zhuǎn)、過載、過電壓等故障，其特點是發(fā)生故障時，電動機三相基本處于對稱狀態(tài)，但故障電流、電壓增大，使得電動機由于熱效應(yīng)發(fā)生故障，因此，可以以電流、電壓的大小作為對稱故障的特征量。其中，過載指電動機實際工作功率超過電動機的額定功率，一般而言，過載倍數(shù)較低時，電動機仍可以工作一段時間，其保護(hù)特性為反時限保護(hù)，過載保護(hù)的方法很多，有熱繼電器保護(hù)法、直接測溫法、利用反時限過載數(shù)學(xué)模型[8]保護(hù)等，國外許多微機式電動機保護(hù)裝置采用反時限方式實現(xiàn)過載保護(hù)，如ABB、BBC等公司的產(chǎn)品。堵轉(zhuǎn)是指電動機由于機械故障、負(fù)載太大等因素，使得轉(zhuǎn)子不能正常運轉(zhuǎn)，阻礙電動機正常工作，全電壓情況下出現(xiàn)堵轉(zhuǎn)時，電流將快速上升，造成生產(chǎn)事故[9]。過電壓指主線路電壓高于規(guī)定值，易使電動機燒毀。電動機的不對稱故障主要有三相不平衡、斷相等故障。這類故障發(fā)生時，三相電流不對稱。三相不平衡的程度用三相電流最大差值與三相平均電流的比值來表征[10]。斷相是指電動機任意一相斷電或低于斷相保護(hù)設(shè)定值[11]。

電動機故障不同，其故障特征量的變化情況也不盡相同，電動機保護(hù)器根據(jù)不同故障的特征量進(jìn)行故障判斷，對電動機進(jìn)行保護(hù)。當(dāng)特征量超出正常工作范圍時，電動機保護(hù)裝置做出相應(yīng)動作，使得主線路斷開，從而使電動機停止運行，防止電動機因發(fā)生故障而燒毀，引發(fā)生產(chǎn)事故。因此，為了能及時、正確、有效地完成保護(hù)功能，保護(hù)裝置應(yīng)符合選擇性、快速性、靈敏性和可靠性4個要求。

2 傳統(tǒng)機械式保護(hù)裝置

建國早期，電動機的保護(hù)一般以熔斷器、雙金屬片熱繼電器、電動機保護(hù)用自動開關(guān)、電磁型繼電器等機械式保護(hù)裝置為主[12-13]。

熔斷器是最古老的保護(hù)電器，其工作原理是當(dāng)電流大于一定值時，熔斷器熔體將因為自身的熱量而熔斷，以此斷開回路，使得電動機停止運行。熔斷器安裝簡便，價格低廉，但其功能少，在電動機發(fā)生的過載等故障時，無法起到保護(hù)作用。另外，將熔斷器用于保護(hù)三相異步電動機時，若其中一相的熔斷器因電流過大而斷開，則會導(dǎo)致三相異步電動機發(fā)生斷相，引發(fā)一系列事故。

熱繼電器在電動機保護(hù)上的應(yīng)用具有較長的歷史。這種保護(hù)產(chǎn)品有JR36系列、T系列及3UA系列熱繼電器保護(hù)器。它的工作原理是基于雙金屬片熱效應(yīng)：雙金屬片由一對金屬片整合而成，二者膨脹系數(shù)相異。當(dāng)電流流過，發(fā)生的熱效應(yīng)會使得雙金屬片向膨脹系數(shù)較為小的一邊彎曲，電流值與彎曲程度成正比。當(dāng)電流大于整定電流值大小一定的倍數(shù)時，就會使脫扣裝置動作，繼而將主電路斷開，實現(xiàn)其保護(hù)功能。熱繼電器電動機保護(hù)器具有結(jié)構(gòu)簡單、操作方便、價格低廉等優(yōu)點，并具備反時限特性。因此，被廣泛應(yīng)用于電動機過載保護(hù)。但是，熱繼電器應(yīng)用于電動機保護(hù)領(lǐng)域仍然具有一定局限性：①熱繼電器的保護(hù)特性具有一定程度的分散性，其穩(wěn)定性較低，易受到周圍環(huán)境因素的影響，如對環(huán)境溫度、機械振動等有較大的要求；②可重復(fù)性較差，對于電動機頻繁起動、重載起動、多次短時過載等情況，起不到較好的保護(hù)作用；③其功能較為單一，不能對電機起動過程中的故障、短路故障等進(jìn)行有效保護(hù)。當(dāng)電動機存在輕微過載時，繞組產(chǎn)生的熱積累導(dǎo)致溫度過高，但其無法直接檢測電動機繞組的溫度，故對這種情況也無法進(jìn)行有效保護(hù)[14]。因此，隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，熱繼電器逐漸無法滿足實際生產(chǎn)應(yīng)用中對繼電保護(hù)越來越高的要求。

電動機保護(hù)用自動開關(guān)可單獨用于電動機的短路等保護(hù)，但在工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中，常將其與熱繼電器相結(jié)合作為電動機保護(hù)裝置，熱繼電器用于過載保護(hù)，而電動機保護(hù)用自動開關(guān)用于短路保護(hù)。這樣不僅增加了保護(hù)性能，也增強了保護(hù)的可靠性，不會再因某一相熔斷器的熔斷而導(dǎo)致三相電動機的斷相運行。可將電動機保護(hù)用自動開關(guān)分為一般型自動開關(guān)和瞬時分?jǐn)嘈妥詣娱_關(guān)。一般型自動開關(guān)作為低壓電路保護(hù)開關(guān)，具有延時脫扣功能，但對于容量很小的電動機，一般型自動開關(guān)與過載保護(hù)繼電器的動作特性曲線往往不會交叉，瞬時分?jǐn)嘈妥詣娱_關(guān)沒有這樣的弊端，但不具有延時脫扣功能，只在發(fā)生較大的過電流時才進(jìn)行分?jǐn)?。另外，由于這種保護(hù)方案的過載保護(hù)仍使用熱繼電器，因此，存在與單獨使用熱繼電器作為過載保護(hù)設(shè)備相同的一些弊端[15]。

電磁型繼電器利用電磁感應(yīng)原理工作，當(dāng)線圈電流增加，使得電磁力大于彈簧力時，繼電器動作。電磁式繼電器多應(yīng)用于電流保護(hù)中[16]，一般與主回路串聯(lián)使用，通過判斷電流的大小來對電動機進(jìn)行保護(hù)。當(dāng)電動機出現(xiàn)短路等故障時，大電流流過電磁式繼電器線圈，產(chǎn)生很大的電磁力，使得繼電器動作，斷開回路，對電動機進(jìn)行保護(hù)。電磁型繼電器運行較為可靠，但其保護(hù)靈敏度較低，若動作值與動作時間未合理匹配，則會導(dǎo)致保護(hù)誤動作，引發(fā)一系列故障。

3 模擬電子式保護(hù)裝置

在20世紀(jì)70年代，半導(dǎo)體元件急速發(fā)展，產(chǎn)生許多采用電力電子元件和中小規(guī)模集成電路組成的模擬電子式保護(hù)裝置，其保護(hù)功能較為齊全，包括缺相、過載、三相不平衡、過電壓等保護(hù)功能，如電子式電動機綜合保護(hù)裝置、電子式溫度繼電器等。

電子式電動機綜合保護(hù)裝置由模擬電子器件構(gòu)成，沒有因機械造成的誤差，動作迅速，靈敏度高，使用時間長，耐振動，易整定。

電子式溫度繼電器使用埋在繞組內(nèi)的溫度傳感器與相應(yīng)的電子裝置對繞組溫度進(jìn)行采集。溫度傳感器溫度系數(shù)大、靈敏度高、體積小，具有明顯的開關(guān)特性，可直接根據(jù)電動機內(nèi)部的溫度進(jìn)行故障判斷與保護(hù)，因此保護(hù)器性能也得到了一定提高。但由于溫度傳感器有一定熱慣性，故存在保護(hù)延后現(xiàn)象。

盡管模擬電子式電動機保護(hù)裝置的性能大大優(yōu)于傳統(tǒng)機械式電動機保護(hù)裝置，但其仍存在一些無法克服的缺陷，這些缺點總結(jié)如下[17-19]：

1）精度不高。首先，采用電力電子元器件組成的模擬電子線路無法改善電流互感器的非線性度，因此，其采樣精度不高。另外，用于整定的電位器線性度影響著整定的精度、操作者的整定誤差也會對整定精度造成一定影響，因此，其整定精度不高。

2）調(diào)試?yán)щy、工作可靠性不高。模擬電子式保護(hù)裝置由許多電子元器件集合而成，其中的每一個元件對保護(hù)裝置的性能都有重大影響，而且，各元器件之間具有繁雜的連線，易受到電磁、溫度等干擾。因此，調(diào)試?yán)щy，工作可靠性也受到影響。

3）功能不夠完善。隨著生產(chǎn)要求的提高，對電動機保護(hù)裝置的要求也逐漸提高，單純使用電力電子元器件組成的模擬電子線路無法實現(xiàn)諸如在線監(jiān)測、參數(shù)記錄、實時通信等功能。

社會的發(fā)展使得工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中對電動機保護(hù)器的要求提高，因此，模擬電子式電動機保護(hù)裝置的許多局限性越發(fā)凸顯，常因選用元件不當(dāng)、線路設(shè)計不合理等原因造成保護(hù)器的拒動或者誤動，逐漸無法滿足社會發(fā)展的需求。

4 微機型智能保護(hù)裝置

20世紀(jì)80年代以來，電動機保護(hù)不斷朝著智能化方向發(fā)展，至今，國外許多電器公司推出了多款以微機型智能保護(hù)裝置，如德國的3UBI系列繼電器、日本的QA系列繼電器、美國ABB公司的SPEM繼電器等。單片機具有很強的計算、分析、邏輯判斷等能力，智能電動機保護(hù)器以單片機作為核心進(jìn)行電壓、電流采樣，通過單片機對電壓電流互感器的非線性度進(jìn)行校正，并對電壓電流有效值進(jìn)行計算，很大程度上降低了波形畸變對采樣精度的影響，提高了采樣和整定精度。另外，通過程序編寫，同一硬件電路可以實現(xiàn)不同的保護(hù)功能，不易受環(huán)境因素影響，具有體積小、價格低等優(yōu)勢，集保護(hù)、遙測、通信和遙控等功能為一體，功能齊，性能好，具有很高的性價比[20-21]。

微機型智能保護(hù)裝置主要有以下幾大類[22]：

1）高性價比電動機保護(hù)器。這種保護(hù)器滿足電動機基本保護(hù)要求，盡可能降低成本，具有很高的性價比。

2）高性能電動機保護(hù)器。該類型保護(hù)器成本比高性價比電動機保護(hù)器高，但具有更完善的故障保護(hù)性能。保護(hù)特性更為可靠，并且具有反時限過載保護(hù)、延時等功能。

3）智能多功能電動機保護(hù)器。該類型保護(hù)器在上述第二種保護(hù)器的基礎(chǔ)上，增加了開關(guān)量輸入模塊、顯示模塊、通信模塊等模塊[23]，使保護(hù)器的功能更加強大，具有良好的人機操作界面、操作簡便、自動化程度高等優(yōu)點[24]，甚至可以通過互聯(lián)網(wǎng)等技術(shù)實現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控[25]。

4）電動機全套保護(hù)器。這種保護(hù)器將多個溫度傳感器埋于電動機繞組中，實時對繞組溫度進(jìn)行直接測量，以溫度判斷電動機的工作狀態(tài)。具有很強的適用性，應(yīng)用范圍廣，可對電動機、發(fā)電機、變壓器等進(jìn)行保護(hù)。

近些年，微機型智能電動機保護(hù)裝置發(fā)展迅速，其保護(hù)的可靠性、靈敏性、安全性得到了大幅度提升，同時，其功能也日益完善，具有廣闊的應(yīng)用和發(fā)展前景。

5 電動機保護(hù)器的發(fā)展前景

隨著科技水平的發(fā)展，工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)也朝著智能化發(fā)展，電動機的使用更為廣泛。因此，對電動機保護(hù)器的性能要求也更為嚴(yán)苛。至今，我國市場上大部分電動機保護(hù)器存在較多缺陷，比如保護(hù)功能少、穩(wěn)定性和可靠性差、人機界面不友好等，因此，使用這些電動機保護(hù)器不能在電動機發(fā)生故障時及時有效地對設(shè)備進(jìn)行保護(hù)，造成重大的事故和經(jīng)濟損失，而國外一些電動機保護(hù)裝置雖然具有較高性能，但價格昂貴，難以在中小型工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中得到廣泛推廣，因此，對智能電動機保護(hù)器的研究尤為重要[26]。今后，智能電動機保護(hù)器依然是我國電動機保護(hù)的重要發(fā)展方向，主要有以下幾點[26-28]：

1）進(jìn)一步發(fā)展并完善電動機保護(hù)的相關(guān)理論，分析故障特性，使得保護(hù)器有明確的故障保護(hù)判據(jù)。

2）進(jìn)一步發(fā)展并完善智能電動機保護(hù)裝置的保護(hù)功能，使其保護(hù)特性與規(guī)范的要求相吻合，具有較寬且連續(xù)可調(diào)的整定范圍、具有高的運行穩(wěn)定性和可靠性。

3）進(jìn)一步發(fā)展與應(yīng)用現(xiàn)代電子、通信等技術(shù)，實現(xiàn)電動機保護(hù)器在線監(jiān)測、故障診斷、網(wǎng)絡(luò)化等功能，向多功能化發(fā)展。

4）進(jìn)一步朝重量輕、體積小、價格便宜、集成化等方向發(fā)展優(yōu)勢。

5）進(jìn)一步朝接線簡單、安裝、使用及維護(hù)方便等方向發(fā)展。

6）進(jìn)一步發(fā)展基于頻譜分析的感應(yīng)電動機故障診斷技術(shù)。

6 結(jié)論

本文簡要介紹了電動機常見的幾種故障及其故障特征，對不同時期、不同電動機保護(hù)裝置的原理、應(yīng)用及特點進(jìn)行闡述，大體介紹了電動機保護(hù)裝置的發(fā)展。最后，本文結(jié)合實際，總結(jié)歸納了電動機保護(hù)器的發(fā)展前景，具有一定參考意義。

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The Development and Prospect of Motor Protector

Huang Kai Liu Xiangjun
(Electrical Engineering and Automation Institute of Fuzhou University, Fuzhou 350116)

Described the common fault of three-phase asynchronous motor, summarized the principles, applications, advantages and disadvantages of the traditional mechanical motor protection devices, analog electronic motor protection devices, microprocessor-based intelligent motor protection device. Finally, combined with the actual situation, prospected the development of motor protector.

three-phase asynchronous motor; fault; motor protector

黃 凱（1991-），男，福建省福鼎市人，在讀研究生，主要研究方向為智能電器及其在線監(jiān)測。