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电动机故障分析和综合保护配置

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电动机故障分析和综合保护配置

李璇华,黄益庄,唐晓泉,张楠

（清华大学电机系,北京100084）

摘要:

通过对异步电动机各类故障特征的详细分析,提出了以序分量为基本保护判据、结合热积累和热发散

模型,构成微机型电动机综合保护的方案。

并以电动机热过负荷保护为重点,深入探讨了保护方案的具体实

现。

以此方案设计成的保护装置已经通过动模实验,证明了其正确性。

关键词:

电动机故障;保护;序分量;过负荷

中图分类号:

TM772文献标识码:

A文章编号:

1引言

异步电动机作为一种应用非常广泛的电气设

备,在主要由电动机、电源设备和控制装置构成的电

气传动系统中,占有重要的地位。

由于电动机多处

于高温、高湿、多灰尘的工作环境,容易出现堵转、短

路、断相、长期过负载使绝缘受损等故障。

因此,如

何针对各种易发故障建立整套保护,确保电动机的

安全、可靠运行,一直是人们关注、研讨和开发的课

题。

基于单片机的微机智能保护由于其快速的数据

处理能力和逻辑判断能力,能够实时反映电动机的

运行特性,并结合有效的故障判据,实现新型的电动

机综合保护。

使用微机保护还能明显简化装置的硬

件结构,做到小型化和高集成度,而且便于维护,当

要满足用户的不同需要或增加保护功能时,只需对

装置的软件进行修改即可。

使用微机装置,还可以

实现与上位机和调节系统通信,实现遥测、遥控以及

自动调节负载,有利于提高综合自动化水平。

2电动机故障情况分析[1]

要设计一个保护装置,首先要分析保护对象会

遇到的各类故障,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是机械负荷太

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

相不平衡和单相接地或相间短路。

发生对称故障和

严重的相间短路故障时,例如因为各种原因,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,特别容易烧

坏电机。

其它不出现显著过流的不对称故障,例如

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

及起动力矩降低等一系列问题,并严重损坏电动机。

各种短路故障还会造成供电网络电压的显著降低,

破坏其它用电设备的正常工作。

因此,要可靠地保

护电动机,单一的过流保护是不够的,必须配置全面

的保护方案。

3电动机综合保护分析

3.1以序分量为基础的电流保护[2]

根据对称分量法,发生不对称故障时,电动机电

流可分解为正序、负序和零序分量。

当电动机三相

对称时,负序和零序电流为零,而发生不对称故障时

则会显著增加。

因此可以在检测电动机过流程度的

同时,以序分量为基础,检测负序、零序电流的大小。

这样,不但能更好地反应电动机的运行状况,还可以

大大提高保护的灵敏度和可靠性。

异步电动机常见

故障的过流、负序和零序电流的分布情况如表1所

示,表中单相故障设A相为故障相,二相故障设B、C

相为故障相,Ip表示故障前相电流幅值。

表1异步电动机常见故障信息分布表

故障类型过电流负序电流零序电流其它故障特征设置保护类型

对称

故障

三相短路（8~10）Ip无无IaUIbUIc电流速断

堵转（5~7）Ip无无IaUIbUIc过流定时限

过载（1.2~5）Ip无无IaUIbUIc过流反时限

不对称性故障

非接地接地

断相3P2Ip1P2Ip无Ia=0Ib=-Ic

逆相无Ip无IaUIbUIc

不平衡无有无IaXIbXIc

相间短路有1P3Ib无IbUIc>Ia

单相接地有1P3Ia1P3IaIa>IbUIc

二相接地有有（值的大小取决于位置）Ib,Ic>IaUIp

负序定

时限

零序定

时限

从表1中常见故障信息可知,若以过流信息反

映短路和堵转故障,以负序和零序电流反映各类不

对称短路和接地短路等不对称故障,可以实施全面

的电流保护。

具体方案如下:

（1）设置电流速断保护作为电动机的主保护,用

于电动机内部定子绕组以及进线所发生的相间短路

故障。

设置速断保护电流定值时,要保证电动机在

满载启动过程中短路保护可靠地不动作,即躲过电

动机最大启动电流。

（2）设置堵转保护作为电动机运行过程中短路

保护的后备保护。

当保护装置在电机运行过程中检

测到电流超过堵转电流整定值,并达到整定时限时,

堵转保护动作,出口跳闸。

堵转保护在电动机启动

过程中闭锁,启动结束后自动投入。

（3）设置过负荷保护来防止电动机长时间过负

荷运行,定子部分过热而引起的损坏。

过负荷保护

的原理将在2.2节内详细说明。

过负荷保护和速断

保护、堵转保护互相配合,更符合电动机的实际过电

流特性。

三者之间的配合关系如图1所示。

（4）针对电动机的各类非接地性不对称故障（如

断相、逆相、三相不平衡和相间短路等）,设置负序电

流保护。

在整定负序电流定值时,需要注意1%的

电压不平衡会引起6%的电流不平衡。

而实际供电

电源总存在一定的不对称,即使在正常运行时,电动

机也会有一定的负序电流,所以整定时必须躲过这

一不平衡因素。

（5）针对各种接地性短路故障,设置零序电流保

护。

另外,为防止由于各种原因使得电动机不能成

功启动时,大启动电流对绕组的损坏以及启动转矩

对轴承的损坏,可以设置电动机启动过长保护。

图1电动机速断保护、堵转保护、

过负荷保护的配合关系

3.2过负荷保护[4]

影响电动机使用寿命的主要问题之一就是发

热。

电动机长时间过负载,或短时间连续启动而造

成电动机过热,绝缘老化,是损坏电动机的常见原

因,在电动机故障总数中占相当大的比例。

由于电

动机过负荷会导致过热,而低倍过负荷又允许一定

时限,所以电动机的过负荷特性是反时限特性。

在

电动机出厂时,生产厂家会提供电动机的热容限曲

线或一组过负荷能力的数字,这些是进行热过负荷

保护的重要依据。

3.2.1电动机热积累模型

电动机的三种不同工况,即堵转或停止、加速、

运行,对应不同的热容限特性。

但大多数电动机的

热容限特性都可以用一条平滑的反时限曲线表示。

热容限曲线上的点表示电动机在该工况下运行相应

的电流,转子将在对应的时间后达到热容限。

实施

保护时,使用的保护曲线应接近但处于厂家给定的

热容限曲线的下方,以便最大限度地利用电动机的

过负荷容量。

在进行热过负荷保护时,要考虑到电动机运行

（即工作于额定转速）时,负序电流会引起转子损耗

显著增加这一现象。

当负序电流流过定子绕组时,

将产生逆转子旋转方向的旋转磁场,在电动机额定

转速下,其速度近似为转子转速的2倍,即转子感生

电流的频流电阻Rac,而正序电流的旋转磁场相对于转子转

速近似为0,其感应电流频率很低,转子电阻表现为

直流电阻Rdc。

对于鼠笼式异步电动机,转子对负

序电流和正序电流表现的电阻之比Kc=RacPRdc=

1.25~6。

由于转子发热损耗与其电阻成正比,所以

数值相同的负序电流产生的损耗近于正序电流损耗

的Kc倍。

因此,计算时采用计及正序、负序电流的

等效电流Ieq进行过负荷判定。

Ieq的表达式如

（1）式

所示:

Ieq=（I1Is）2+k（I2Is）2

（1）

式中I1为电动机正序电流分量,I2为负序电流

分量;k为负序电流系数,模拟负序电流的增强热效

应,一般取6。

电动机启动后,使用一寄存器实时记录电动机

的热容量（TC）,TC的容限为100%。

每过一热积累

计算的时间间隔$t就计算当时的等效电流Ieq,如

果大于额定负载电流,则判定电动机处于热积累过

程,否则为热发散。

进行热积累时,从热容限保护曲

线上查出相应的保护出口时间（time_to_trip）,也即电

动机会在time_to_trip的时间内达到热容限,由于Ieq

产生的热效应将持续$t,因此相应的热容量就将增

加$t与time_to_trip的比值所表示的百分比。

计算

式如

（2）式所示:

如果Ieq的值比额定负载电流还小,则电动机处

于散热状态,TC值按设定的散热时间常数减少。

当热容量TC值累加至100%时,电动机达到热

容限,保护出口。

3.2.2电动机热发散模型

当电动机的过负载消除,即Ieq小于额定负载电

流时,电动机进入冷却状态,所积累的热量按指数规

律衰减,如（3）式所示:

TCused=TCused-start#e-tPS（3）

式中TCused-start为电动机过负载消除时的热容

量积累值,S为热衰减时间常数,TCused为经t时间

衰减后的热容量值。

将上式写成离散形式:

TCused=TCused-$t#e-$tPS（4）

上式中$t为相邻两次热发散计算的时间间

隔,TCused-$t和TCused-start分别为过负载消除后,每次

热发散计算前后的电动机热容量值。

$t可以预先

设定,S则由用户选择。

例如$t取1min,S取

即1min内电动机热容量将减少6.4%。

3.3其它保护功能[1,5]

系统电源电压是很难保证恒定、不出现波动或

其它异常情况的。

如果电动机在系统电压低于额定

电压一定程度时启动,则难以提升到额定转速。

当

电源电压降低或短时中断时,一些不允许或不需要

自起动的电动机,须从电力网中断开。

在另一方面,

如果电动机带负载运行时电源电压升高,则电动机

电流降低,但铁损和铜损变大,引起电动机温度上

升。

因此,针对电源电压的变化,可以分别配置低电

压和过电压保护。

当三相相间电压均小于低电压保护定值时,低

电压保护动作。

低电压保护在电动机三相均无电流

的情况下应能自动退出,其定值的设置要躲过电动

机启动时的最低电压。

当三相相间电压均高于过电

压保护定值时,过电压保护动作。

过电压保护定值

要按电网电压允许波动的最大范围进行整定。

另外,当电动机近处系统发生短路故障时,会引

起母线电压瞬间大幅度下降,此时电动机转子的转

速一时降不下来,电动机将转为发电制动状态,向短

路点送出逆功率,从而对系统造成危害。

可采用逆

功率保护,当检测到送往电动机的功率方向与正常

情况相反时,保护起作用。

由以上分析,电流保护、电压保护和逆功率保护

一起,构成了微机综合保护方案。

1:

速断电流保护2:

堵转电流保护3:

过负荷反时限保护

4:

负序电流保护5:

零序电流保护6:

逆功率保护

7:

低电压保护8:

过电压保护9:

电动机启动时间过长保护

图2电动机综合保护配置图

4结论

按图2保护配置设计成的TH21-4M电动机综率近似为100Hz,这时转子