【文章內容簡介】 生變化。根據這一結論論文對發(fā)電機常見故障的保護措施進行了分析。 電動機故障特征分析及保護判據 短路故障特征分析及保護判據 電動機的短路故障是比較嚴重的一種故障，危害性很大．短路故障包括定予繞組的相間短路和一相繞組匝間短路。定子繞組的相間短路是電動機最嚴重的故障，它會引起電動機本身的嚴重損壞，使供電網絡的電壓顯著下降，影響其它用電設備的正常工作。一相匝間短路是較常見的短路故障，該故障初期僅表現(xiàn)為三相 電流不對稱，使故障相的相電流增大，嚴重的情況會導致匝間線圈絕緣全部燒毀，使電動機的一相繞組全部短接．此時，負載星形聯(lián)接的非故障相將承受線電壓，負載三角形聯(lián)接的將產生相間短路，這會使電動機遭受嚴重損壞． 電動機相間短路故障最明顯的特征是三相供電線路的故障相會出現(xiàn)大電流，危害性很大，應進行速斷保護。短路保護的整定值應大于電動機最2021 屆 測控技術與儀器專業(yè) 畢業(yè)設計（論文） 10 大穩(wěn)定啟動電流，一般取電動機額定電流的 8～ lO倍。在進行短路保護時，通過檢測電動機 A， B， C三相線電流來實現(xiàn)，超過整定值后，直接進行斷電保護． 設 maxI 為檢測到電動機三相電流 cba III ， 的最大值，即 （ ） 短路保護的原則是，當在很短的時限內檢測到 eZD kIII ??max （ k 為短路過流倍數，一般取 8～ 10， eI 為電動機額定線電流）時，就認為電動機有短路故障，應進行速斷保護。 堵轉故障特征分析及保護判據 電動機因機械原因、負荷過大等轉子被卡死或低速運轉而進入堵轉狀態(tài)時，會造成過熱而燒壞。電動機堵轉 是最輕的對稱短路故障，也是最嚴重的過載故障。堵轉電流一般可以達到電動機額定電流的 4～ 7倍，這么高的故障電流極易把電動機燒損。因此在檢測到電動機處于堵轉故障時，保護系統(tǒng)應及時動作，保證電動機不因堵轉而燒壞． 堵轉保護信號可取自于電動機線電流，當線電流超過堵轉電流整定值，并達到整定時限時，立即進行斷電保護。堵轉保護的電流整定值一般可取電動機的穩(wěn)定啟動電流，即額定電流的 4～ 7倍。 由于電動機起動電流也能達到額定電流的 4～ 7倍，為區(qū)分電動機的堵轉故障與正常啟動，保護算法上要能夠判別電動機是起動時間內還是在起動時間后 ，一般采用躲過電動機起動時間 (8～ 16秒 )的方法來實現(xiàn)。從而 可有效地躲過電動機的起動電流，以免誤動作，使電動機無法正常啟動。 斷相故障特征分析及保護判據 電動機斷相故障是最常見、最嚴重的一種不對稱故障。電動機對稱運行時，其轉軸所受到的轉矩平穩(wěn)， 沒有振動。當電動機繞組斷相，啟動電動機時就會有嗡嗡聲而不能啟動。 根據對稱分量法，電動機斷相運行時的），（ CIIII bam a x m a x?2021 屆 測控技術與儀器專業(yè) 畢業(yè)設計（論文） 11 三相不對稱電流可分解為正序、負序和零序電流。正 序電流產生正向轉矩，負序電流產生反向制動轉矩，零序電流增加損耗 。帶動同樣負載的正向轉矩要克服負載轉矩和由負序電流 產生的反向制動轉矩，因此電動機負擔加重，電流劇增，引起損耗增加，導致電動機燒損。 根據電動機定子繞組的不同接法，斷相故障電流表現(xiàn)也不同，詳見表 所示， 其中： SI — 電動機正常啟動電流； CBA III , — 電動機線電流； eI — 電動機額定線電流； e。I — 電動機額定相電流； CBA III 。 , — 電動機定予繞組相電流。 表 電動機斷相故障電流表值 由表 ，電動機斷相故障主要有三類情況：①當電動機繞組以 Y形連接時，無論斷相發(fā)生在線路上或者繞組內部，故障相的線電流均為零；②對于△形連接的電動機，發(fā)生外部線路斷相時，故障相的線電流為零；③若△形連接的電動機發(fā)生繞組內部斷相時，電動機故障相的相電流為零，但線電流不為零。 根據以上分析，斷相故障出現(xiàn)后，電動機的線電流不平衡，因此可以通過檢測線電流來作為斷相故障的信號源。由于斷相故障類型不同，線電2021 屆 測控技術與儀器專業(yè) 畢業(yè)設計（論文） 12 流表現(xiàn)也各異，因此保護判據也不一樣。通常有以下方法： (1)對于前兩種情況 可以通過在一定時限內檢測電動機線電流是否為零的方法來 實現(xiàn)，即對某相電流一個周波內連續(xù)采樣 n點的瞬時值均為零，或通過計算某相電流的有效值為零，則為斷相故障； (2)對于第 ③ 種斷相故障，可以通過檢測不對稱電流計算出正序、負序、零序電流 。 通過負序電流來反映斷相等不平衡故障 。 實際上對于第③類斷相故障可以通 過計算得出 A相的正、負序電流有如下關系： e2 33231 IIIII CBAA ????? ）（。 ?? （ ） e2 33131 IIIII CBAA ????? ）（。 ?? （ ） 即 2/ ??? AA II 。， 因此可以通過正、負序電流的這個比值來判斷電動機的第③類斷相故障。 過載故障特征分析及保護判據 電動機過載也稱過負荷，是指電動機正常運行中因負荷過大所引起的過熱現(xiàn)象 。 其突出特點是電動機的工作電流大于額定電流，溫升高于額定值，如果電動機長時 間 過載運行會引起電動機繞組過熱而燒損。電動機過載運行主要由以下幾種原因造成： (1)負荷增加： (2)機械設備故障或未安裝好； (3)電動機本身機械故障；(4)電動機容量選擇偏??； (5)電動機修理時繞組線徑選擇偏??； (6)雙機拖動負荷分配不均； (7)電動機端電壓過低等 。 a．電動機溫升特性 電動機定子繞組溫度高出周圍環(huán)境溫度的值稱為溫升。電動機溫升特性的數學模型是推導電動機容許過載特性數學模型的基礎性工作，是電動機反時限過載保護的理論基礎，有利于分析電動機定子繞組的發(fā)熱特點 。 電動機在運行過程中能量損耗主要有銅損、鐵損和機械損耗，它們會轉變?yōu)闊崃?，一部分通過機體散失到周圍空氣中，一部分積存在機體中加2021 屆 測控技術與儀器專業(yè) 畢業(yè)設計（論文） 13 熱電動機，使其溫度上升，最終超過環(huán)境溫度。 電動機是由多種材料組 成的非均質發(fā)熱體，其發(fā)熱情況比較復雜。但實際測定表 明，電動機的發(fā)熱曲線與均質發(fā)熱體的發(fā)熱曲線只有較小的差別 。為了便于計算和分析，一般將電動機認為是一個均質發(fā)熱體，且忽略電動機的鐵損和機械損耗，即電動機的溫升主要取決于其銅損。因此，依據均質固體發(fā)熱理論，異步電動機定子繞組過負荷運行時的熱平衡微分方程為： dtdr d tdt 2e2 ??? SCGIIQ ???? ）（ （ ） 式中： Q—— 定子物體每秒鐘內所產生的熱量 (W)； I—— 電動機過載狀態(tài)下的定子電流 (A)； eI —— 電動機額定定子電流 (A)； r—— 電動機定子繞組電阻 (? )； C—— 定子物體材料的比熱，即使 lkg物體溫度升高 1C? 所需的熱量(J/Kg C? )； G—— 定子物體的質量 (kg)； ? —— 散熱系數，即每平方米表面．每度溫差、每秒時間內所散發(fā)的熱量焦耳數 (W／ 2m C? )； S—— 散熱表面積 ( 2m )； ? —— 定子繞組溫升 (C? )。 式 ()左邊是在時間間隔 dt中，定子繞組由于過負荷而發(fā)出的熱量Qdt。 右邊 CGd? 是電動機溫度升高 d? 度所吸收的熱量， ? S? dt是 dt時間內散失在周圍介質中的熱量。式 ()為一階線性微分方程，其通解為 ： tCGSASQ ??? ??? e （ ） 式中 A—— 待定常數，由初始條件 00 ??t? 確定，即認為負荷不變化時，定子繞組溫度與周圍介質的溫度相等，初始溫升為零。將初始條件代入式2021 屆 測控技術與儀器專業(yè) 畢業(yè)設計（論文） 14 ()得出待定常數 A為 : S rIISQA e?? )( 22 ????? 將 A代入式（ ）可得 ）（ tCGSe eS rII ??? ??? 1)( 22 （ ） 這就是異步電動機的溫升數學模型，其特性曲線如圖 。 圖 電動機的溫升特性曲線可以用如下原理來解釋：當時間 t=O時，電動機的溫度與環(huán)境溫度相同，兩者之間不存在熱傳導，這時電動機產生的全部損耗都用來提高電機的溫度，所以電機溫度上升很快。隨著電動機溫度上升的增加，它與周圍介質的溫度差越來越大，散發(fā)到周 圍介質中的熱量也逐漸增加，溫升增加變慢，直到散熱量等于發(fā)熱量時，電動機的溫度就不再升高，它所產生的全部熱量散發(fā)到周圍介質中，即達到穩(wěn)定溫升。 b．電動機反時限過載保護特性 對式 ()中的指數項進行泰勒級數展開，取前兩項可得 ： 2021 屆 測控技術與儀器專業(yè) 畢業(yè)設計（論文） 15 tCGSe tCGS ?? ??1 （ ） 將式（ ）代入式（ ）并整理可得 11)/(t 222e ???? ? TII T () 式中： eII/?? 稱為電動機的過載倍數 rICGT e2??為一常數，若電動機的最大容許溫升為 max? ，則式（ ）為 111 22m a x2 ???? ??? rI CGTt e （ ） 式（ ）反應了電動機過載倍數 ? 與電動機容許過載時間 t的關系，即 ? ??f?t ， 我們把這種關系稱為電動機的容許過載特性，如圖 1所示。從圖中可以看出，電動機過載倍數越大，其容許過載時間就越短，即呈現(xiàn)反時限特性。 圖 1—— 電動機容許過載特性； 2—— 定時限過載保護特性； 3—— 階段式定時限過載保護特性； 4—— 反時限過載保護特性； 2021 屆 測控技術與儀器專業(yè) 畢業(yè)設計（論文） 16 電動機在設計時往往留有一定余量，因此電動機可以容許有一定的短時過載能力。其實在實際生產中，電動機負載往往會有 一定的波動，這也要求電動機具有一定短時過載能力，不會因短時過載而 停機，影響正常生產 。 電動機過載保護動作時問 t與過載倍數 ? 的關系稱為電動機過載保護特性。設計過載保護特性時，要充分利用電動機本身的過載能力，不要因為電動機一過載就立即進行保護，頻繁的斷電保護將影響正常生產，這樣的保護也就失去意義了。圖 ，定時限過載保護和階段式定時限過載保護都不能像反時限過載保護特性那樣充分利用電動機的過載能力，因此在設計過載保護特性時應具有優(yōu)良的反時限特性。 c．電動機反時限過載保護的實現(xiàn) 對于圖 4所表示的連續(xù)的反時限過載保護特性，可以通 過取有限個有代表性的特征點來實現(xiàn)，即對電動機過載區(qū)間劃分為若干個子過載區(qū)間，對于每一個子過載區(qū)間采用定時限的保護方法來實現(xiàn)，如表 示。 表 某電動機反時限過載保護的分段式實現(xiàn) 過 流 反 時 限 保 護 e/II?? 動作時間 t/s（具體可設定為某一列） ? 60 120 180 120 300 ? 48 96 144 192 220 ? 36 72 120 168 200 ? 24 60 96 120 180 ? 8 20 30 40 60 ? 6 10 20 30 40 ? 7 14 20 25 欠壓和過壓故障特征分析及保護判據 根據三相異步電動機的電磁轉矩公式 ： 2021 屆 測控技術與儀器專業(yè) 畢業(yè)設計（論文） 17 22022212)s(s XR URKT ?? 式中 :T—— 電磁轉矩 K—— 常數 1U —— 定子電壓 202 XR， —— 電動機轉子電阻和啟動感抗 s—— 轉差率 電動機的電磁轉矩與電網供電電壓有關。當電網電壓上下波動時，電動機的電磁轉矩相應發(fā)生變化，進而影響到定子電流變化，從而影響到電動機正常運行。 a．欠壓保護 在電動機負載和轉子電阻一定的條件下，電網電壓降低時，電磁轉矩下降，電動機轉速下降，旋轉磁場對轉子的相對轉速增大，磁通切割轉子導條的速度增大，因此 轉子繞組中感應出的電動勢和產生的轉子電流都將增大。和變壓器的原理一樣，轉子電流增大，定子電流必然相應增大乜”，溫升增高。如果電動機長時間在低電壓工作會使電動機過熱甚至燒壞，嚴重時還會造成堵轉。低電壓也會使電動機起動轉矩下降，當電壓降低到能使起動轉矩小于負載轉矩時，電動機就無法啟動。 電動機要不要裝設欠壓保護有一定原則。對電源電壓短時降低或短時中斷后又恢復需要自動起動的重要電動機，不裝設低壓保護。下列電動機一般需裝設欠壓保護： (1) 當電源電壓短時降低或短時中斷后又恢復時，為保證重要電動機自啟動而需要斷開的次 要電動機； (2)電源電壓短時降低或短時中斷后，根據生產或工藝的要求，不允許或不需要自啟動的