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三相异步电动机断相保护论文
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三相异步电动机断相保护
（陇东学院电气工程学院甘肃庆阳74500）
摘要：
以单片机C8051F020及其外围器件作为硬件平台，对电动机微机保护进行了研究，主要针对大中型电动机的智能电动机保护器，具有过流保护、零序电流保护、负序电流保护、启动时间过长保护、欠电压保护、过电压保护等功能。
在电动机保护器的过程中，对电动机的各种故障进行了全面的论述。
并根据需要确定了保护方案，论述了保护原理。
在硬件电路设计上，给出了以单片机C8051F020及其简单的外围电路为主体配置的电动机保护器系统。
该电路硬件电路大为简化，除了实现了各种保护功能外，还可显示电动机运行时的电压、电流，同时设置了系统与上位机的连接,为系统功能的扩展创造了条件。
作为一种智能化的解决方案，该系统具有可实现功能多，经济成本低，高的可靠性和稳定性等特点。
Three-phaseAsynchronousMotoPhaseFailureProtection
（LongdongUniversitySchoolofElectricalEngineering,Qingyang74500）
Inmotorprotectionprocess,comprehensiveexpositionofthevariousfailuresofthemotor.Andinaccordancewiththeneedtodeterminetheprotectionprogram,discussestheprincipleofprotection.
Keywords:
three-phaseasynchronousmotors:
C8051F020-offphasemotorprotectionfault
1引言
1.1课题提出的依据和意义
随着社会经济的日益发展，自动化水平的提高，电能的应用和发展越来越具有重要的位置。
作为电能转化为机械能的重要工具，电动机在人们日常生活中也越来越重要。
三相交流电动机正朝着功率与体积之比越来越大的方向发展，一些外形尺寸小、效率高、功率大的电动机陆续出现。
为了安全可靠地运行这些电机，对电动机的保护系统提出了越来越高的要求。
电动机保护系统必须正确无误地保护电动机，使电动机在允许的热极限负载范围内工作，减少电动机损坏事故的发生。
电动机和供电线路的短路必须能迅速检测出来，使得短路影响减小到最小。
对于频繁起动的电动机，要能准确地模拟其发热和散热过程。
在一些大型的自动控制系统中，还要求对电动机组进行集中控制和状态监控。
为了满足这些要求，本设计将开发一种新型的采用微处理器技术的电动机综合保护与监控装置。
本设计所开发的电动机综合保护与监控装置，可实现对电动机的保护与监控的自动化，是电动机保护系统的发展趋势。
由于采用了微处理技术，保护参数可由用户根据电动机型号和环境条件设定，而且还可以提供数字电路接口，为大系统的智能控制提供了条件。
它的制成可对电动机进行准确保护和监控，即可使电动机的过载能力得到充分的利用，还可减少电动机烧毁事故的发生，对国民经济的发展具有重要的意义。
1.2国内外的发展状况和动向
电动机保护系统大致可划分为三代。
第一代是电磁式继电保护系统，第二代是电子式电动机综合保护装置，第三代是以微处理器为核心元件的综合保护系统。
第一代的电磁式继电保护系统存在着很大的弊病。
它的每一种功能都需要相应的继电器来实现。
在正常情况下，热继电器每年需要校正一两次，给用户带来不便。
由于热继电器是由双金属片构成其敏感元件，它是靠双金属片受热弯曲产生的力一发出动作，在动作值附近不能可靠分断。
热继电器通过了大的短路电流或经受机械碰撞后，双金属片易产生永久性变形。
而且，热继电器的时间常数比电动机小得多，对电动机上一次的过载历史没有记忆，对于频繁过载、特别是频繁起动的电动机，不能可靠地保护。
热继电器的动作特性还受环境温度的影响。
现在，老型号的热继电器己属淘汰型产品。
新型的热继电器功能也在完善之中。
第二代的电子式电动机综合保护系统对第一代的电磁式继电保护系统有了很大的改进。
它利用电阻电容的充放电来模拟电动机的发热与散热，对电动机的过载历史能有一定的记录，其动作时间也可以通过调节电阻电容的大小来调节，大天提高了对电动机的保护性能。
但是，电子式电动机综合保护器的动作时间调节范围有限，精度也受电阻电容参数的影响，且没有监控、显示等功能。
因而只能用于一些要求不高的场合。
把微处理器技术引入电动机保护系统，大大地提高了对电动机的保护特性，实现了对信息的采集、处理、显示全部自动化，性能稳定可靠，显示直观准确，各项保护参数可根据电动机性能由用户设定，动作前可预警显示，动作后可显示故障原因，实现了对电动机的可靠保护和监控。
这是电动机保护系统的发展趋势。
我国的此类产品还很少，且功能欠缺，本设计研究的智能型电动机综合保护器将弥补以上产品的不足，开发出功能齐全，性能可靠，操作方便，价格合理的产品。
全的优化设计接地与回流接地典型方案进行系统集成和定量评估。
1.3本文主要的工作
本课题的主要任务是实现对电动机的综合保护和状态监控。
对电动机的综合保护包括以下几项功能：
过载保护、过压和欠压保护、漏电保护、堵转和起动超时保护、短路保护、缺相及相不平衡保护。
电动机的过载保护是通过设置电动机的热时间常数建立相应的数学模型模拟电动机的发热和散热过程来实现的。
过压和欠压保护是用一位拨码开关来设置其动作值，当电网电压超出其动作值规定的范围并持续一定时间后，过压和欠压保护动作。
漏电保护是按照漏电电流与漏电保护动作时间的反时限关系设计的。
堵转和起动超时保护是通过拨码开关设置起动电流和起动时间来实现的。
而短路保护是电动机线电流达到短路保护动作值后采取瞬时动作来完成的。
缺相及相不平衡保护是当电动机缺相或线电流不平衡度超过设定值并达到一定时间后切除电动机来实现的。
对电动机的状态监控主要实现以下功能：
（1）电流显示，显示电动机当前线电流有效值；
（2）电压显示，显示电动机当前的相电压有效值。
对电动机的状态监控的选择是通过一个中断按钮来实现的。
本装置在起动运行时显示的是电动机的线电流有效值，按一次中断按钮就显示当前电网电压有效值，再按一次显示电动机绕组运行时温升的最高值，再按一次就又显示电动机的线电流有效值。
这样，用户就可随意监控电动机的运行状态了。
第2章异步电动机的故障分析和解决方案
2.1电动机故障分析
要做好异步电动机的保护，首先要分析保护对象会遇到的各种故障，分析其故障特征，才能提出切实可行的保护方案。
对于异步电动机来说，其故障形式主要分为绕组损坏和轴承损坏两方面。
造成绕组损坏的主要原因有：
（1）由于电源电压太低使得电动机不能顺利启动，或者短时间内重复启动，使得电动机因长时间的大启动电流而过热。
（2）长期受电、热、机械或化学作用，使绕组绝缘老化和损坏，形成相间或对地短路。
（3）因机械故障造成电动机转子堵转。
（4）三相电源电压不平衡或波动太大，或者电动机断相运行。
（5）冷却系统故障或环境温度过高。
造成电动机轴承损坏的原因主要有：
机械负荷太大、润滑剂不合适，或者恶劣的工作环境，如多尘、腐蚀性气体等给轴承带来的损坏。
由于电动机的微机保护主要是通过测量电量（电流、电压以及开关状态等）来监测电动机的运行状况，因此面对的主要是绕组故障。
引起电动机绕组损坏的常见故障可分为对称故障和不对称故障两大类。
对称故障主要有：
三相短路、堵转和对称过载等；不对称故障主要有：
断相、三相不平衡、单相接地或相间短路。
当因为各种原因，如机械故障、负荷过大、电压过低等，使电动机的转子处于堵转状态时，由于散热条件差，电流大，特别容易损坏电机。
其它不出现显著过流的不对称故障，如断相、不平衡运行等，过流保护常常不能及时动作。
对于电动机的各类内部绕组故障，如匝间短路、接地短路等，往往是由于运行环境差、长期运行不当引起的，故障最初并不引起显著的电流增大，若不及时处理会导致事故扩大，进而引起电动机机端过热、转子及启动力矩降低等一系列问题，严重损坏电动机。
各种短路故障还会造成供电网络电压的显著波动，因此对电动机形成过压欠压故障。
2.1.1电动机故障基本原理（工作原理分析）
为了研究异步电动机的起动时的电压、电流、转矩等变量的关系，进而分析异步电机起动时的电流、起动转矩和所外加电压的关系。
就要研究电机的数学模采用集中参数等效电路的数学模型时首先需作一些假定，根据电机学知识，可得：
1）忽略空间和时间谐波
2）忽略磁饱和
3）忽略铁损
异步电机的稳态等效电路如下图2一1所示型，对于电机的软起动而言，多采用基于集中参数等效电路的数学模型。
图2－1异步电机稳态等效电路
其中等效电路中元件为定子绕组的电阻，为定子绕组的漏电抗，为归算到定子方面的转子绕组的电阻，为归算到定子方面的转子绕组的漏抗。
为定子铁心损耗所对应的等效电阻，为励磁电抗。
为定子电压向量，为定子感应电动势向量，为定子电流向量，为磁化电流向量。
基于T等效电路的数学模型为：
（2-1）
（2-2）
（2-3）
（2-4）
由等效电路可见，异步电机输入的电功率一部分消耗在定子绕组的电阻而成为定子铜耗；另一部分消耗在定子铁心上而变成铁耗。
剩余的通过气隙传递到转子的功率成为电磁功率。
其中为：
（2-5）
电磁转矩可表示为：
（2-6）
其中，为同步角速度；转子机械角速度；为机械功率。
由式（2－5）和式（2－6）得：
（2-7）
根据T型等效电路 可知：
（2-8）
将式（2－8）代入式（2－7），同时考虑，于是有
（2-9）
刚起动时，转子n=0，转差率s=1，此时起动转矩为：
（2-10）
同时根据上式（2－1）、式（2－2）、式（2－3）、式（2－4）可得：
（2-11）
在异步电动机里，因为，，故可省去和，则上式（2－11）可表示为：
（2-12）
2.1.2电动机的启动故障
异步电动机投入电网，从静止状态转动起来，升速并达到稳定转速的过程，称为启动过程。
刚起动时，转子n=0，转差率s=1，由于激磁电流相对较小近似为1，则起动电流为：
（2-13）
启动时，把电源电压直接加到电动机的定子绕组，显然，这时启动电流会很大，可达额定电流的4～7倍，根据对国产电动机的实际测量，某些笼型异步电机甚至可达8～12倍对于经常启动的电动机，过大的启动电流将会造成电动机发热，影响电动机的寿命：
同时电动机绕组在电动力的作用下，将会发生变形，可能造成短路而烧坏电动机在启动过程中，电动机出现的故障，通常称为启动故障，一般是指启动时间过长故障。
也就是说，在规定的时间内，如果启动电流仍旧维持在一个很大的值，而不是降到额定电流的附近，这就认为电动机发生了启动时间过长的故障。
这种故障通常采用定时限保护。
2.1.3电动机的堵转故障
根据电机学得知识，电动机得机械特性曲线为下图：
图2-2异步电动机机械特性曲线
是异步电动机可能产生的最大转矩，如果负载转矩>，电动机将因承担不了而停转。
电动机是用过载倍数来表示它的过载能力的=。
就异步电机而言，堵转就意味着转子堵住不转，转差率S=1，即在T形等效电路图中的附加电阻为0的状态。
在这种情况下S=1，=0，即电动机电子电流将会出现一个很大的值，因此同样会烧坏电机，如果在规定的时间内电流值，我们就认为出现了堵转故障。
2.1.4过载故障
过载是指电动机的负载很大，转子电流加大，使得电动机定子电流很大。
过载过大了就形成堵转。
其故障原理与堵转相同。
2.1.5三相不平衡及其危害
在三相供电系统中，如果三相的电压或电流幅值或有效值不等，或者三相的电压或电流相位相差不为120°时，则称三相电压或电流不平衡。
不平衡的三相电压或电流，按对称分量法，可分解为正序分量、负序分量、和零序分量。
具体原理如下所述：
在计算电力系统不平衡情况下引用了对称分量法，即任何三相不平衡的电流、电压或阻抗都可以分解成为三个平衡的相量成分即正相序（、、）、负相序（、、）和零相序（、、），即有：
=++，=
++，=++，其正相序的相序（顺时方向）依次为、、，大小相等，互隔120度；负相序的相序（逆时方向）依次为、、，大小相等，互隔120度；零相序大小相等且同相，各相序都是按逆时针方向旋转。
在对称分量法中引用算子a，其定义是单位相量依逆时针方向旋转120度，则有：
注意以上都是以A相为基准，都是矢量计算。
知道了实际也知道了和，同样知道了也就知道了和，知道了也就知道了和而负序电压有没有线电压和相电压之分由于负序电压的存在，就使三相系统中的三相感应电动机（也就是三相异步电动机）在产生正向转矩的同时，还产生一个相反方向的转矩，从而降低电动机的输出转矩，并使电动机绕组电流增大，温度升高，缩短了电动机的实用寿命。
电动机的不对称故障主要有断相、逆向、不平衡负载运行、匝间短路、相间短路、接地短路等引起的除了严重的短路会造成故障相电流明显增大外，大多数的不对称故障一般不会出现明显的过电流。
最明显的特征是电动机中出现负序分量和零序分量电流。
2.1.6缺相及相不平衡故障分析
断相运行是造成电动机烧损的常见事故，当电动机负载不变而发生断相时，剩余两相绕组的电流将增大，造成电动机过热而损坏。
因此必须对电动机进行断相及相不平衡保护。
当电动机绕组以Y形连接时，断相可能发生在引线上或者绕组内部，电动机Y型连接时所断相的线电流都为零，此时以线电流为零的原则可以加以保护。
但当电动机以A形连接，其断相也可能发生在外部引线（a类）或绕组内部（b类），当发生（a）类断相时，所断相的线电流为零，以线电流为零的原则可以保护电动机。
但当发生（b）类断相时，电动机的线电流都不为零，此时再以线电流为零的原则就不能保护电动机。
在这种情况下，对电动机的断相保护应采用线电流不平衡的原则。
当电动机发生（b）类断相时，因此，若把相不平衡保护的动作值规定为线电流最大值与最小值的比小于，就能实现这种断相保护。
考虑到电网电压波动引起的线电流不平衡，本装置以最大线电流不超过最小线电流的1.5倍为动作值，这样，无论电动机以何种方式连接，只要发生断相，在预定的时间内都会准确地动作，而且，对于其它的非断相的相不平衡故障，也能实施保护。
由于本装置采用了单片机作为其核心元件，因此，不用附加任何电路即可实现断相保护。
单片机把采样来的各相电流值进行比较判断，就能准确地发出动作信号。
2.1.7故障综合判定
综上所述电动机的保护可以分为对称故障和不对称故障。
对称故障包括过载、堵转、和三相短路等，这类故障对电动机的损害主要是机械力和电流增大引起的热效应，使得绕组发热甚至烧毁。
其主要的特征是三相仍基本对称，但同时出现过电流，故障的严重程度反应在过电流的大小，因此可以以过电流的判断来作为此类故障的依据。
下面列表（2-1）（2-2）说明。
表2-1对称故障特征
故障类型
零序
负序
过电流
过载
无
无
（1.2-5）In
堵转
无
无
（5-7）In
短路
无
无
（7-10）In
表2-2不对称故障特征
故障类型
零序
负序
过电流
断相
无
Ic
I0
逆向
无
Ia
无
不平衡运行
无
有
无
相间短路
无
有（其值取决与位置）
有（其值取决与位置）
单相接地
13
有
取决与位置
俩相接地
13
有
取决与位置
附：
单相故障时，以A相为故障相；
俩相故障时，设B、C相为故障相；
I0表示故障前电流幅值，In表示额定电流；
由以上表障又可进一步分为非接地和接地故障俩大类。
非接地不对称故障，主要包括断相、相间短路、匝间短路及不平衡运行等，这类故障由于我国电动机中性点不接地，故定子电流无零序分量，所以就可以采用检测负序分量为判断依据。
接地故障包括单相接地短路和俩相接地短路，发生接地性不对称故障时，会出现零序电流分量，这是区别其它任何形式故障的特征。
2.2保护原理分析
根据以上特征分析，电动机发生对称故障的主要特征是出现电流幅值增大，而发生不对称故障时的主要特征是出现负序和零序电流分量。
根据这一结论，可将电动机的保护分解为过电流保护、断相保护、零序电流保护三个部分，由此可覆盖电动机所有常见故障类型。
2.2.1保护功能设置
根据以上队电动机故障得分析特设置电动机保护如下：
A.投入电流速断保护，用于保护电动机内部定子绕组以及进线所发生的相短路故障
B.投入零序电流保护，用于队电动机产生接地故障时得保护
C.投入反时限过负荷保护
D.低电压保护则根据第9.0.5条中“二、根据生产过程不允许或不需要自动的电动机，应装设低电压保护。
”的规定投入
E.堵转保护用来作为转子堵转或者起动时间过长的保护，同时作为电动机流速断保护失灵的后备保护
F.负序过电流保护对电动机的断相、反相及局部匝间短路等各类非接地性不对称故障提供单独保护。
在这个配置方案中，电流速断作为相间短路的主保护在电机的运行过程中一直投入；堵转保护作为转子堵转或启动时间过长的主保护，同时作为电机相间短路的后备保护；过负荷保护是电动机定子绕组过流发热的主保护，同时又作为相间短路及转子堵转的后备保护。
这样的配合还是很符合电动机过流的实际情况的，同时辅以低电压保护和负序保护，应该说很全面的覆盖了电动机的应有保护范围，也使得保护器的保护功能发挥的较为彻底。
2.2.2电流速断保护原理及其整定值
在过电流保护动作时间超过0.5~0.7时，应装设瞬动的电流速断保护装置。
2.2.3.1电流速断保护的组成及其速断保护的整定
电流速断保护是一种瞬时动作的过电流保护。
其原理相当与定时限过电流保护中抽去时间继电器，即在启动用的电流继电器后面直接接信号继电器和中间继电器，最后由中间继电器触点接通。
其工作逻辑原理图如下：
图2-7电流速断保护逻辑原理图
图中：
S3—电流速断保护软件投切开关，1；保护投入，0：
保护退出；
d3—电流速断保护动作定值；
t3—时间继电器,0~50000可调。
2.2.3.2电流速断整定值计算
动作电流值
在传统电流速断保护整定计算时，动作电流值除了要满足躲过电动机的启动流的要求，还需要保证灵敏度大2，微机保护的特点决定了只要动作电流值于电机的启动电流就行了。
电动机的最大启动电流基本上就相当于其堵转电流，也就是要求I，满足下式lop=kst*In保护装置中的动作电流值并非实际的电流值，另外还要考虑到接线系数及保证足够的可靠性等，我们的计算公式如下：
（2-14）
式中，krel为可靠系数，对DL型电流继电器，取1.2～1.3，Kw为接线系数（俩相俩继电器）取1，ki为变流比。
对于动作时限，我们选择不设置动作时限。
2.2.3定时限堵转电流保护
定时限过电流保护也叫做堵转保护，电动机在正常运转中，由于各种原因使转子处于堵转状态，由于堵转则相当与转子开路，因此电流很大，容易烧毁电机。
因此在检测到电动机处于堵转时，应及时动作，防止烧毁。
电动机在启动完成后，如果因机械原因或负载过重致使转子被卡住，即电动机出现堵转故障，则正序电流将会增大，当正序电流大于堵转定值时，保护器经整定延时后动作。
2.2.4热过载反时限过电流保护
所谓的反时限电流保护的保护装置的动作时限原先是按照10倍的动作电流来整定，而实际的动作时间则与其电流呈反比关系变化，电流越大，动作时间越短。
其保护动作方程如下：
（2-15）
式中：
In为电动机额定电流
S为电动机发热时间常数，表示电动机的过载能力
过载保护一般都采用反时限来计算保护时间，当电动机运行在电流超过整定值时，过载保护投入，开始利用反时限公式计算时间，一旦故障时间超过了计算时间t之后，则动作与出口，实现对电动机的保护。
2.2.5速断、堵转、过载保护之间的配合
速断保护、堵转保护和过载保护需要相互配合，以使保护装置的工作更符合电动机运行过程中的实际电流特性。
三者之间的配合关系如下：
图2-8速断、堵转、过载保护之间的配合关系
2.2.6零序电流保护
零序电流保护，即接地保护，当大于保护的动作电流10时，经短延时t保护出口动作依据用户要求发出接地信号或跳闸。
（1）变压器中性点不接地系统中电动机的零序电流保护整定计算
我国3KV，6KV，10KV电网大多数是变压器中性点不接地或经消弧圈接地的系统，当单相接地故障时，接地点的电流小，不是短路电流，因此这种系统中电动机零序电流保护需发出接地信号，不跳闸。
变压器中性点不接地系统中电动机零序电流保护的动作电流lo.dz的整定原则是：
当本电动机外部（指机端电流互感器以外）电网中任一地点单相接地时，本电动机的零序电流保护应可靠地不动作，为此
（2-16）
式中：
U本国电机所在电网的相电压（V）；Cod：
本电动机每相对地电容（F）；
：
角频率；nL本电动机机端电流互感器变化：
可靠系数，取1.25再校验灵敏度。
本电动机定子绕组单相接地故障时，本电动机零序电流保护应可靠地动作。
零序电流保护的短延时t可整定为0.1~0.5s
2.2.7负序电流保护
电力系统在正常运行时负序电流分量很小（接近于零），而在系统出现不对称故障时，就会产生很大的负序分量电流，从而通过测量负序电流的大小可以判别是否发生故障。
设置负序电流保护，作为电动机断相、逆相。
定子绕组或引出线不对称相间短路、定子绕组闸间短路、电源电压严重不平衡等的保护。
本装置采用两段式定时限负序电流保护，作为电动机断相、定子绕组或引出线不对称相间短路、定子绕组匝间短路的主保护。
第一段具有高定值，短延时t1，第二段具有低定值，长延时t2。
（1）第一段的整定
在系统最小运行方式下电动机机端两相短路时，最小的短路电流负序分量应使负序电流保护第一段可靠地动作，其灵敏KI=1.25，按此原则得：
（2-17）
同时，还必须校验的值大于按公式计算的值，以确保在电动机起动过程式中负序电流保护第一段可靠地不动作。
用户可根据上述算法确定、本装置负序电流保护第一段的延时t1默认为Is，以短延时躲开断路器合闸及其他暂态干扰所出现的短时间负序电流的影响。
（2）第二段的整定
在电动机正常运行及起动过程中，允许三相电压之间有持续性的5%以内的误差，此时会出现较长时间的负序电流I2，应保证负序电流保护第二段可靠地不动作，为此：
（2-18）
按上式公式整定的躲不开断路器断路器跳合闸或其他暂态干扰所出现的短时间数值较大的负序电流I2，但因为有t2长延时，则能保证第二段不误跳，t2由用户整定，一般可整定为3s。
2.2.8启动时间过长保护
正常启动过程结束后电动机的运行电流低于额定值或者在额定值附近，而启动时间过长则是在启动时间过后电动机的运行电流仍保持较大值（一般为机械原因）。
启动时间过长保护是由启动时间和堵转时间保护整定值来配合实现的。
当正序电流大于，一般认为电动机开始启动。
经过启动时间后，电动机的电流如果仍然大于堵转电路的整定值，则启动时间过长保护开始动作，发出跳闸命令：
若电动机运行电流小于堵转电流的整定值，则认为电动机已加入正常运行状态。
启动时间过长保护可作电动机启动过程中短路保护的后备保护。
而且启动时间过长保护只针对与电动机的启动过程加以保护，如果电动机正常启动后，此保护应该自动退出，而且只要电动机不停，此保护应一直不能进入保护。
2.2.9欠压、过压保护
当电网电压降低或出现短时中断，一些不允许或不需要自启动的电动机须从电
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