【文章內(nèi)容簡介】 電動機的損壞主要是機械應(yīng)力和電流增大引起的熱效應(yīng)使繞組發(fā)熱甚至燒毀。不對稱故障主要有斷相、三相不平衡、單相接地、相問短路等，不對稱故障在故障早期沒有特別明顯的過電流或過熱表現(xiàn)，但若不及時查找故障原因排除故障則可能造成嚴重后果。當(dāng)發(fā)生對稱故障或嚴重的相間短路故障時，電動機的轉(zhuǎn)子處于堵轉(zhuǎn)狀態(tài)，繞組電流大，電機發(fā)熱嚴重特別容易燒毀電機。這類故障的主要特征是三相基本對稱，但同時出現(xiàn)過電流，故障的嚴重程度基本反應(yīng)在過電流的程度 上，因此檢測過電流的程度可作為這類故障的判斷依據(jù)。對稱故障的保護可通過常規(guī)的過流保護手段來實現(xiàn)對于嚴重的三相短路的保護應(yīng)該采用快速跳閘；堵轉(zhuǎn)故障的保護應(yīng)該采用短時限跳閘；而對于對稱過載應(yīng)采用定時限跳閘或反時限跳閘，反時限特性與電動機的溫升指數(shù)特性相配合。詳細情況如表 1 所示。 表 21 電動機對稱故障 故障類型 零序 負序 過電流 其他特征 保護特性 對 稱 故 過載 無 無 （ ～ 6） In CIII ?? ba 反時限 堵轉(zhuǎn) 無 無 （ 6～ 8） In CIII ?? ba 短時限 北京化工大學(xué)繼續(xù)教育學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（論文） 7 障 短路 無 無 （ 8～ 10） In CIII ?? ba 速斷 當(dāng)電動機內(nèi)部繞組發(fā)生故障如匝問短路，接地短路等，往往在初期并不會引起顯著的電流增大、電機過熱，但若不及時處理就會導(dǎo)致事故擴大，進而引起電機過熱，轉(zhuǎn)自啟動力矩降低等一系列問題，嚴重時可能導(dǎo)致電動機嚴重損壞乃至報廢。因此，必須實時檢測電動機的運行狀況，保證及時發(fā)現(xiàn)電動機的運行異常，采取全面有效的保護措施保證電動機的可靠運行。 電動機保護原理分析 電動機保護原理的研究是保證電動機 智能保護器性能高低的關(guān)鍵，在參閱了國內(nèi)外大量文獻的基礎(chǔ)上，經(jīng)過認真地研究和比對發(fā)現(xiàn)對 “ 稱分量法 ” 可以對電動機的三相電流進行詳細的描述，可以為故障的診斷提供準(zhǔn)確的信息。 根據(jù)三相對稱分量法的理論，三個不對稱的向量可以唯一分解成三組對稱的向量：正序分量，負序分量和零序分量。 各序分量獨立存在，在不同分量的作用下，系統(tǒng)的各個元件呈現(xiàn)出不同的特性。對稱分量的計算公式如下（以 A 相為例）。 () 式中， 1AI ， 2AI ， 0AI 分別是 A 相電流用對稱分量法分解所得的正序電流、負序電流、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)前面對故障的分析，電動機在發(fā)生對稱故障和不對稱故障時，電動機的北京化工大學(xué)繼續(xù)教育學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（論文） 8 三相電流都會發(fā)生變化。根據(jù)這一結(jié)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(jù) 短路故障特征分析及保護判據(jù) 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(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)為三相電流不對稱，使故障相的相電流增大，嚴重的情況會導(dǎo)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(chǎn)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(yīng)進行速斷保護。短路保護的整定值應(yīng)大于電動機最大穩(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(shè) 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(dāng)在很短的時限內(nèi)檢測到 eZD kIII ??max （ k 為短路過流倍數(shù)，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(yīng)進行速斷保護。 堵轉(zhuǎn)故障特征分析及保護判 據(jù) 電動機因機械原因、負荷過大等轉(zhuǎn)子被卡死或低速運轉(zhuǎn)而進入堵轉(zhuǎn)狀態(tài)時，會造成過熱而燒壞。電動機堵轉(zhuǎn)是最輕的對稱短路故障，也是最嚴重的過載故障。堵轉(zhuǎn)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(zhuǎn)故障時，保護系統(tǒng)應(yīng)及時動作，保證電動機不因堵轉(zhuǎn)而燒壞． ），（ 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（論文） 9 堵轉(zhuǎn)保護信號可取自于電動機線電流，當(dāng)線電流超過堵轉(zhuǎn)電流整定值，并達到整定時限時，立即進行斷電保護。堵轉(zhuǎn)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(zhuǎn)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(nèi)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(jù) 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(zhuǎn)軸所受到的轉(zhuǎn)矩平穩(wěn)， 沒有振動。當(dāng)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(jù)對稱分量法，電動機斷相運行時的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(chǎn)生正 向轉(zhuǎn)矩，負序電流產(chǎn)生反向制動轉(zhuǎn)矩，零序電流增加損耗 。帶動同樣負載的正向轉(zhuǎn)矩要克服負載轉(zhuǎn)矩和由負序電流產(chǎn)生的反向制動轉(zhuǎn)矩，因此電動機負擔(dān)加重，電流劇增，引起損耗增加，導(dǎo)致電動機燒損。 根據(jù)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 22 電動機斷相故障電流表值 北京化工大學(xué)繼續(xù)教育學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（論文） 10 由表 分析可以看出，電動機斷相故障主要有三類情況：①當(dāng)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(nèi)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(nèi)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(jù)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，線電流表現(xiàn)也各異，因此保護判據(jù)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(nèi)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(nèi)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(guān)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類斷相北京化工大學(xué)繼續(xù)教育學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（論文） 11 故障。 過載故障特征分析及保護判據(jù) 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(shè)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。 （ 1） 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(shù)學(xué)模型是推導(dǎo)電動機容許過載特性數(shù)學(xué)模型的基礎(chǔ)性工作，是電動機反時限過載保護的理論基礎(chǔ)，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(zhuǎn)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(zhì)發(fā)熱體，其發(fā)熱情況比較復(fù)雜。但實際測定表明，電動機的發(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 。為了便于計算和分析，一般將電動機認為是一個均質(zhì)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(jù)均質(zhì)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(nèi)所產(chǎn)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 1 C? 所需的熱量 (J/Kg C? )； G—— 定子物體的質(zhì)量 (kg)； 北京化工大學(xué)繼續(xù)教育學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（論文） 12 ? —— 散熱系數(shù)，即每平方米表面． 每度溫差、每秒時間內(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(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，即認為負荷不變化時，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)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(shù)學(xué)模型，其特性曲線如圖 。 圖 北京化工大學(xué)繼續(xù)教育學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（論文） 13 電動機的溫升特性曲線可以用如下原理來解釋：當(dāng)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(dǎo)，這時電動機產(chǎn)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(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，電動機的溫度就不再升高，它所產(chǎn)生的全部熱量散發(fā)到周圍介質(zhì)中，即達到穩(wěn)定溫升。 （ 2） 電動機反時限過載保護特性 對式 ()中的指數(shù)項進行泰勒級數(shù)展開，取前兩項可得 ： 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(shù) rICGT e2??為一常數(shù)，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(yīng)了電動機過載倍數(shù) ? 與電動機容許過載時 間 t的關(guān)系，即 ? ??f?t ，我們把這種關(guān)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(shù)越大，其容許過載時間就越短，即呈現(xiàn)反時限特性。 北京化工大學(xué)繼續(xù)教育學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（論文） 14 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； 電動機在設(shè)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(chǎn)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(chǎn)。 電動機過載保護動作時問 t 與過載倍數(shù) ? 的關(guān)系稱為電動機過載保護特性。設(shè)計過載保護特性時