【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 。當(dāng)發(fā)生對(duì)稱故障或嚴(yán)重的相間短路故障時(shí)，電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子處于堵轉(zhuǎn)狀態(tài)，繞組電流大，電機(jī)發(fā)熱嚴(yán)重特別容易燒毀電機(jī)。這類故障的主要特征是三相基本對(duì)稱，但同時(shí)出現(xiàn)過電流，故障的嚴(yán)重程度基本反應(yīng)在過電流的程度上，因此檢測(cè)過電流的程度可作為這類故障的判斷依據(jù)。對(duì)稱故障的保護(hù)可通過常規(guī)的過流保護(hù)手段來實(shí)現(xiàn)對(duì)于嚴(yán)重的三相短路的保護(hù)應(yīng)該采用快速跳閘；堵轉(zhuǎn)故障的保護(hù)應(yīng)該采用短時(shí)限跳閘；而對(duì)于對(duì)稱過載應(yīng)采用定時(shí)限跳閘或反時(shí)限跳閘，反時(shí)限特性與電動(dòng)機(jī)的溫升指數(shù)特性相配合。詳細(xì)情況如表 1 所示。 表 21 電動(dòng)機(jī)對(duì)稱故障 故障類型 零序 負(fù)序 過電流 其他特征 保護(hù)特性 對(duì) 稱 故 過載 無 無 （ ～ 6） In CIII ?? ba 反時(shí)限 堵轉(zhuǎn) 無 無 （ 6～ 8） In CIII ?? ba 短時(shí)限 北京化工大學(xué)繼續(xù)教育學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 7 障 短路 無 無 （ 8～ 10） In CIII ?? ba 速斷 當(dāng)電動(dòng)機(jī)內(nèi)部繞組發(fā)生故障如匝問短路，接地短路等，往往在初期并不會(huì)引起顯著的電流增大、電機(jī)過熱，但若不及時(shí)處理就會(huì)導(dǎo)致事故擴(kuò)大，進(jìn)而引起電機(jī)過熱，轉(zhuǎn)自啟動(dòng)力矩降低等一系列問題 ，嚴(yán)重時(shí)可能導(dǎo)致電動(dòng)機(jī)嚴(yán)重?fù)p壞乃至報(bào)廢。因此，必須實(shí)時(shí)檢測(cè)電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行狀況，保證及時(shí)發(fā)現(xiàn)電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行異常，采取全面有效的保護(hù)措施保證電動(dòng)機(jī)的可靠運(yùn)行。 電動(dòng)機(jī)保護(hù)原理分析 電動(dòng)機(jī)保護(hù)原理的研究是保證電動(dòng)機(jī)智能保護(hù)器性能高低的關(guān)鍵，在參閱了國(guó)內(nèi)外大量文獻(xiàn)的基礎(chǔ)上，經(jīng)過認(rèn)真地研究和比對(duì)發(fā)現(xiàn)對(duì) “ 稱分量法 ” 可以對(duì)電動(dòng)機(jī)的三相電流進(jìn)行詳細(xì)的描述，可以為故障的診斷提供準(zhǔn)確的信息。 根據(jù)三相對(duì)稱分量法的理論，三個(gè)不對(duì)稱的向量可以唯一分解成三組對(duì)稱的向量：正序分量，負(fù)序分量和零序分量。 各序分量獨(dú)立存在，在不同 分量的作用下，系統(tǒng)的各個(gè)元件呈現(xiàn)出不同的特性。對(duì)稱分量的計(jì)算公式如下（以 A 相為例）。 () 式中， 1AI ， 2AI ， 0AI 分別是 A 相電流用對(duì)稱分量法分解所得的正序電流、負(fù)序電流、零序電流；算子 J120ea? 。 由式 （ ） 可知，只有當(dāng)三相電流之和不等于零時(shí)才有零序電流分量。如果系統(tǒng)采用三角形接法或是中性點(diǎn)不引出的星型接法，三相電流之和總為零，沒有零序電流分量。 根據(jù)前面對(duì)故障的分析，電動(dòng)機(jī)在發(fā)生對(duì)稱故障和不對(duì)稱故障時(shí)，電動(dòng)機(jī)的三相電流都會(huì)發(fā)生變化。根據(jù)這一結(jié)論論文對(duì)發(fā)電機(jī)常見故障的保護(hù)措施進(jìn)行了分析。 北京化工大學(xué)繼續(xù)教育學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 8 電動(dòng)機(jī)故障特征分析 及保護(hù)判據(jù) 短路故障特征分析及保護(hù)判據(jù) 電動(dòng)機(jī)的短路故障是比較嚴(yán)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(dòng)機(jī)最嚴(yán)重的故障，它會(huì)引起電動(dòng)機(jī)本身的嚴(yán)重?fù)p壞，使供電網(wǎng)絡(luò)的電壓顯著下降，影響其它用電設(shè)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(duì)稱，使故障相的相電流增大，嚴(yán)重的情況會(huì)導(dǎo)致匝間線圈絕緣全部燒毀，使電動(dòng)機(jī)的一相繞組全部短接．此時(shí)，負(fù)載星形聯(lián)接的非故障相將承受線電壓，負(fù)載三角形聯(lián)接的將產(chǎn)生相間短路，這會(huì)使電 動(dòng)機(jī)遭受嚴(yán)重?fù)p壞． 電動(dòng)機(jī)相間短路故障最明顯的特征是三相供電線路的故障相會(huì)出現(xiàn)大電流，危害性很大，應(yīng)進(jìn)行速斷保護(hù)。短路保護(hù)的整定值應(yīng)大于電動(dòng)機(jī)最大穩(wěn)定啟動(dòng)電流，一般取電動(dòng)機(jī)額定電流的 8～ lO 倍。在進(jìn)行短路保護(hù)時(shí)，通過檢測(cè)電動(dòng)機(jī) A， B， C 三相線電流來實(shí)現(xiàn)，超過整定值后，直接進(jìn)行斷電保護(hù)． 設(shè) maxI 為檢測(cè)到電動(dòng)機(jī)三相電流 cba III ， 的最大值，即 （ ） 短路保護(hù)的原則是，當(dāng)在很短的時(shí)限內(nèi)檢測(cè) 到 eZD kIII ??max （ k 為短路過流倍數(shù)，一般取 8～ 10， eI 為電動(dòng)機(jī)額定線電流）時(shí)，就認(rèn)為電動(dòng)機(jī)有短路故障，應(yīng)進(jìn)行速斷保護(hù)。 堵轉(zhuǎn)故障特征分析及保護(hù)判 據(jù) 電動(dòng)機(jī)因機(jī)械原因、負(fù)荷過大等轉(zhuǎn)子被卡死或低速運(yùn)轉(zhuǎn)而進(jìn)入堵轉(zhuǎn)狀態(tài)時(shí)，會(huì)造成過熱而燒壞。電動(dòng)機(jī)堵轉(zhuǎn)是最輕的對(duì)稱短路故障，也是最嚴(yán)重的過載故障。堵轉(zhuǎn)電流一般可以達(dá)到電動(dòng)機(jī)額定電流的 4～ 7 倍，這么高的故障電流極易把電動(dòng)機(jī)燒損。因此在檢測(cè)到電動(dòng)機(jī)處于堵轉(zhuǎn)故障時(shí)，保護(hù)系統(tǒng)應(yīng)及時(shí)動(dòng)作，保 證電動(dòng)機(jī)不因堵轉(zhuǎn)而燒壞． 堵轉(zhuǎn)保護(hù)信號(hào)可取自于電動(dòng)機(jī)線電流，當(dāng)線電流超過堵轉(zhuǎn)電流整定值，并達(dá)到整定時(shí)限時(shí)，立即進(jìn)行斷電保護(hù)。堵轉(zhuǎn)保護(hù)的電流整定值一般可取電動(dòng)機(jī)的穩(wěn)定啟動(dòng)電流，即額定電流的 4～ 7 倍。 ），（ CIIII bam a x m a x?北京化工大學(xué)繼續(xù)教育學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 9 由于電動(dòng)機(jī)起動(dòng)電流也能達(dá)到額定電流的 4～ 7 倍，為區(qū)分電動(dòng)機(jī)的堵轉(zhuǎn)故障與正常啟動(dòng)，保護(hù)算法上要能夠判別電動(dòng)機(jī)是起動(dòng)時(shí)間內(nèi)還是在起動(dòng)時(shí)間后，一般采用躲過電動(dòng)機(jī)起動(dòng)時(shí)間 (8～ 16 秒 )的方法來實(shí)現(xiàn)。從而 可有效地躲過電動(dòng)機(jī)的起動(dòng)電流，以免誤動(dòng)作，使電動(dòng)機(jī)無法正常啟動(dòng)。 斷相故障特征分析及保護(hù)判據(jù) 電動(dòng)機(jī)斷相故 障是最常見、最嚴(yán)重的一種不對(duì)稱故障。電動(dòng)機(jī)對(duì)稱運(yùn)行時(shí)，其轉(zhuǎn)軸所受到的轉(zhuǎn)矩平穩(wěn)， 沒有振動(dòng)。當(dāng)電動(dòng)機(jī)繞組斷相，啟動(dòng)電動(dòng)機(jī)時(shí)就會(huì)有嗡嗡聲而不能啟動(dòng)。 根據(jù)對(duì)稱分量法，電動(dòng)機(jī)斷相運(yùn)行時(shí)的三相不對(duì)稱電流可分解為正序、負(fù)序和零序電流。正 序電流產(chǎn)生正向轉(zhuǎn)矩，負(fù)序電流產(chǎn)生反向制動(dòng)轉(zhuǎn)矩，零序電流增加損耗 。帶動(dòng)同樣負(fù)載的正向轉(zhuǎn)矩要克服負(fù)載轉(zhuǎn)矩和由負(fù)序電流產(chǎn)生的反向制動(dòng)轉(zhuǎn)矩，因此電動(dòng)機(jī)負(fù)擔(dān)加重，電流劇增，引起損耗增加，導(dǎo)致電動(dòng)機(jī)燒損。 根據(jù)電動(dòng)機(jī)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(dòng)機(jī)正常啟動(dòng)電流； CBA III , — 電動(dòng)機(jī)線電流； eI — 電動(dòng)機(jī)額定線電流； e。I — 電動(dòng)機(jī)額定相電流； CBA III 。 , — 電動(dòng)機(jī)定予繞組相電流。 表 22 電動(dòng)機(jī)斷相故障電流表值 北京化工大學(xué)繼續(xù)教育學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 10 由表 分析可以看出，電動(dòng)機(jī)斷相故障主要有三類情況：①當(dāng)電動(dòng)機(jī)繞組以 Y形連接時(shí)，無論斷相發(fā)生在線路上或者繞組內(nèi)部，故障相的線電流均為零；②對(duì)于△形連 接的電動(dòng)機(jī)，發(fā)生外部線路斷相時(shí)，故障相的線電流為零；③若△形連接的電動(dòng)機(jī)發(fā)生繞組內(nèi)部斷相時(shí)，電動(dòng)機(jī)故障相的相電流為零，但線電流不為零。 根據(jù)以上分析，斷相故障出現(xiàn)后，電動(dòng)機(jī)的線電流不平衡，因此可以通過檢測(cè)線電流來作為斷相故障的信號(hào)源。由于斷相故障類型不同，線電流表現(xiàn)也各異，因此保護(hù)判據(jù)也不一樣。通常有以下方法： (1)對(duì)于前兩種情況可以通過在一定時(shí)限內(nèi)檢測(cè)電動(dòng)機(jī)線電流是否為零的方法來實(shí)現(xiàn)，即對(duì)某相電流一個(gè)周波內(nèi)連續(xù)采樣 n 點(diǎn)的瞬時(shí)值均為零，或通過計(jì)算某相電流的有效值為零，則為斷相故障； (2)對(duì)于第③種斷相故 障，可以通過檢測(cè)不對(duì)稱電流計(jì)算出正序、負(fù)序、零序電流。通過負(fù)序電流來反映斷相等不平衡故障。實(shí)際上對(duì)于第③類斷相故障可以通過計(jì)算得出 A 相的正、負(fù)序電流有如下關(guān)系： e2 33231 IIIII CBAA ????? ）（。 ?? （ ） e2 33131 IIIII CBAA ????? ）（。 ?? （ ） 即 2/ ??? AA II 。， 因此可以通過正、負(fù)序電流的這個(gè)比值來判斷電動(dòng)機(jī)的第③類斷相故障。 過載故障特征分析及保護(hù)判據(jù) 電動(dòng)機(jī)過載也稱過負(fù)荷，是指電動(dòng)機(jī)正常運(yùn)行中因負(fù)荷過大所引起的過熱現(xiàn)象。其突出特點(diǎn)是電動(dòng)機(jī)的工作電流大于額定電流，溫升高于額定值，如果電動(dòng)機(jī)長(zhǎng)時(shí)間過載運(yùn)行會(huì)引起電動(dòng)機(jī)繞組過熱而燒損。電動(dòng)機(jī)過載運(yùn)行主要由以下幾種原因造成： (1)負(fù)荷增加： (2)機(jī)械設(shè)備故障或未安裝好； (3)電動(dòng)機(jī)本身機(jī)械故障； (4)電動(dòng)機(jī)容量選擇偏??； (5)電動(dòng)機(jī)修理時(shí)繞組線徑選擇偏?。?(6)雙機(jī)拖動(dòng)負(fù)荷分配不均； (7)電動(dòng)機(jī)端電壓過低等。 （ 1） 電動(dòng)機(jī)溫升特性 電動(dòng)機(jī)定子繞組溫度高出周圍環(huán)境溫度的值稱 為溫升。電動(dòng)機(jī)溫升特性的數(shù)學(xué)模北京化工大學(xué)繼續(xù)教育學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 11 型是推導(dǎo)電動(dòng)機(jī)容許過載特性數(shù)學(xué)模型的基礎(chǔ)性工作，是電動(dòng)機(jī)反時(shí)限過載保護(hù)的理論基礎(chǔ)，有利于分析電動(dòng)機(jī)定子繞組的發(fā)熱特點(diǎn)。 電動(dòng)機(jī)在運(yùn)行過程中能量損耗主要有銅損、鐵損和機(jī)械損耗，它們會(huì)轉(zhuǎn)變?yōu)闊崃浚徊糠滞ㄟ^機(jī)體散失到周圍空氣中，一部分積存在機(jī)體中加熱電動(dòng)機(jī)，使其溫度上升，最終超過環(huán)境溫度。 電動(dòng)機(jī)是由多種材料組成的非均質(zhì)發(fā)熱體，其發(fā)熱情況比較復(fù)雜。但實(shí)際測(cè)定表明，電動(dòng)機(jī)的發(fā)熱曲線與均質(zhì)發(fā)熱體的發(fā)熱曲線只有較小的差別 。為了便于計(jì)算和分析，一般將電動(dòng)機(jī)認(rèn)為是一個(gè)均質(zhì)發(fā)熱體，且忽略電動(dòng)機(jī) 的鐵損和機(jī)械損耗，即電動(dòng)機(jī)的溫升主要取決于其銅損。因此，依據(jù)均質(zhì)固體發(fā)熱理論，異步電動(dòng)機(jī)定子繞組過負(fù)荷運(yùn)行時(shí)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(nèi)所產(chǎn)生的熱量 (W)； I—— 電動(dòng)機(jī)過載狀態(tài)下的定子電流 (A)； eI —— 電動(dòng)機(jī)額定定子電流 (A)； r—— 電動(dòng)機(jī)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 1 C? 所需的熱量 (J/Kg C? )； G—— 定子物體的質(zhì)量 (kg)； ? —— 散熱系數(shù)，即每平方米表面．每度溫差、每秒時(shí)間內(nèi)所散發(fā)的熱量焦耳數(shù)(W／ 2m C? )； S—— 散熱表面積 ( 2m )； ? —— 定子繞組溫升 ( C? )。 式 ()左邊是在時(shí)間間隔 dt 中，定子繞組由于過負(fù)荷而發(fā)出的熱量 Qdt。 右邊CGd? 是電動(dòng)機(jī)溫度升高 d? 度所吸收的熱量， ? S? dt 是 dt 時(shí)間內(nèi)散失在周圍介質(zhì)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(shù)，由初始條件 00 ??t? 確定，即認(rèn)為負(fù)荷不變化時(shí)，定子繞組溫度與周圍介質(zhì)的溫度相等，初始溫升為零。將初始條件代入式 ()得出待定常數(shù)北京化工大學(xué)繼續(xù)教育學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 12 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(dòng)機(jī)的溫升數(shù)學(xué)模型，其特性曲線如圖 。 圖 電動(dòng)機(jī)的溫升特性曲線可以用如下原理來解釋：當(dāng)時(shí)間 t=O 時(shí)，電動(dòng)機(jī)的溫度與環(huán)境溫度相同，兩者之間不存在熱傳導(dǎo)，這時(shí)電動(dòng)機(jī)產(chǎn)生的全部損耗都用來提高電機(jī)的溫度，所以電機(jī)溫度上升很快。隨著電動(dòng)機(jī)溫度上升的增加，它與周圍介質(zhì)的溫度差越來越大，散發(fā)到周圍介質(zhì)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(shí)，電動(dòng)機(jī)的溫度就不再升高，它所產(chǎn)生的全部熱量散發(fā)到周圍介質(zhì)中，即達(dá)到穩(wěn)定溫升。 （ 2） 電動(dòng)機(jī)反時(shí)限過載保護(hù)特性 對(duì)式 ()中的指數(shù)項(xiàng)進(jìn)行泰勒級(jí)數(shù)展開，取前兩項(xiàng)可得 ： tCGSe tCGS ?? ??1 （ ） 將式（ ）代入式（ ）并整理可得 北京化工大學(xué)繼續(xù)教育學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 13 11)/(t 222e ???? ? TII T () 式中： eII/?? 稱為電動(dòng)機(jī)的過載倍數(shù) rICGT e2??為一常數(shù)，若電 動(dòng)機(jī)的最大容許溫升為 max? ，則式（ ）為 111 22m a x2 ???? ??? rI CGTt e （ ） 式（ ）反應(yīng)了電動(dòng)機(jī)過載倍數(shù) ? 與電動(dòng)機(jī)容許過載時(shí)間 t的關(guān)系，即 ? ??f?t ，我們把這種關(guān)系稱為電動(dòng)機(jī)的容許過載特性，如圖 1所示。從圖中可以看出，電動(dòng)機(jī)過載倍數(shù)越大，其容許過載時(shí)間就越短，即呈現(xiàn)反時(shí)限特性。 圖 1—— 電動(dòng)機(jī)容許過載特性； 2—— 定時(shí)限過載保護(hù)特性； 3—— 階段式定時(shí)限過載保護(hù)特性； 4—— 反時(shí)限過載保護(hù)特性； 電動(dòng)機(jī)在設(shè)計(jì)時(shí)往往留有一定余量，因此電動(dòng)機(jī)可以容許有一定的短時(shí)過載能力。其實(shí)在實(shí)際生產(chǎn)中，電動(dòng)機(jī)負(fù)載往往會(huì)有 一定的波動(dòng)，這也要求電動(dòng)機(jī)具有一定短時(shí)過載能力，不會(huì)因短時(shí)過載而 停機(jī)，影響正常生產(chǎn)。 電動(dòng)機(jī)過載保護(hù)動(dòng)作時(shí)問 t 與過載倍數(shù) ? 的關(guān)系稱為電動(dòng)機(jī)過載保護(hù)特性。設(shè)計(jì)過載保護(hù)特性時(shí)，要充分利用電動(dòng)機(jī)本身的過載能力，不要因?yàn)殡妱?dòng)機(jī) 一過載就立即進(jìn)行保護(hù)，頻繁的斷電保護(hù)將影響正常生產(chǎn)，這樣的保護(hù)也就失去意義了。圖 中北京化工大學(xué)繼續(xù)教育學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 14 可以看出，定時(shí)限過載保護(hù)和階段式定時(shí)限過載保護(hù)都不能像反時(shí)限過載保護(hù)特性那樣充分利用電動(dòng)