三相异步电动保护浅谈--本科论文.doc

函授大专毕业论文论文题目：三相异步电动机保护浅谈专业名称： 学生姓名： 学 号： 指导教师： 年 月 日三相异步电动机保护浅谈摘要电动机因具有结构简单、价格低廉、使用维护方便等优点，在国民经济各方面被广泛采用。然而，由于供电状态和机械负荷的多变性，使得电动机的故障率较高，不仅会损坏电动机本身，而且会影响整个生产，造成较大的经济损失。因此，电动机的安全运行对保证厂矿企业的正常生产是非常重要的。 本文分析了三相异步电动机的常见故障，以对称分量法为依据，采用检测过流幅值、负序电流、零序电流的方法，得出了电动机故障的准确判据，确定了各种故障的保护措施，对电动机实现了短路、堵转、过热、负序电流、零序电流、低电压、过电压、启动时间过长、频繁启动、漏电闭锁等保护功能。 关键词：三相异步电动机，故障分析 ，保护9目录摘要01电动机及其保护器的发展及现状12电动机故障分析23电动机保护原理分析54结束语9参考文献101电动机及其保护器的发展及现状随着当今社会的飞速发展，电动机以广泛应用于纺织、化工、石油、冶金等工业部门之中，但常因断相、过载、堵转、短路等原因被烧毁或殃成事故。随着电动机在各行各业的应用领域不断扩大，对电动机的保护也愈来愈受到人们的关注。作为重要的驱动执行机构的电动机来说，其控制技术也越来越受到人们的重视，尤其异步电动机作为应用最广泛的电动机，约占电动机总数的70，根据统计，通用三相异步电动机每年的耗电量约为全球总发电量的50，其起动电流高达额定电流的510倍，故大中型异步电机在直接起动时会产生很大的冲击电流，不仅对电动机及所拖动的设备造成电气和机械的损伤，而且会造成电网电压下降，影响电网其他电气设备的正常运行。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。从时间上划分，电动机保护器的发展大致可划分为三代：第一代是以传统的机电式继电器为主，包括：熔断器、热继电器、电动机保护用自动开关及双金属片式温度继电器等。熔断器是最古老、最简单、最廉价的保护电器。它的主要缺点在于只适用于电动机的短路保护，而不能用于电动机的过载保护。热继电器是利用电流流过热元件时的热效应引起双金属片弯曲使机构动作的。其优点是结构简单、价格低廉、使用方便、有较好的反时限特性。电动机保护用自动开关是一种具有过载和短路保护等保护功能的电动机保护装置，一定程度上可取代熔断器和热继电器的组合。它最突出的特点是在进行短路保护时不会造成异步电动机的断相运行，并且分断后的停机时间短。双金属片式温度继电器是一种埋置在电动机绕组中，直接反映电动机温度的保护装置。从理论上讲，温度保护是提高电动机可靠性最直接、最有效的方法，对任何原因造成的绕组温度过高均能实现有效的保护。因此，特别适用于由于通风不良、环境温度过高、起动次数过于频繁、变动或冲击性负载等原因引起的电动机过热保护。但是，由于其体积较大，安装工艺比较复杂，动作缓慢、返回时间长，不适合在小型电动机中使用。第二代是采用电子元件和中小规模集成电路的电子式电动机保护器。它包括电子式电动机综合保护器及电子式温度继电器等等。电子式电动机保护装置是随着电子技术的迅速发展应运而生。电子式电动机综合保护装置是由电子元器件组成，基本上无可动部件（故称静止型），不存在机械误差和磨损。因此，动作速度快、精度和灵敏度高，寿命较长，耐冲击和振动，整定简便。但仍存在着扩展功能不够灵活，保护特性不易改变，灵敏度及电流的整定范围受到硬件的限制和电动机运行状态的监控不够完善等一些缺陷。电子式温度继电器是一种将温度传感器埋置于电机绕组内，借助于电子装置对电机绕组温度进行保护的一种电动机保护电器。温度传感器多采用温度系数大、灵敏度高、体积小和具有明显的开关特性正温度系数（PTC）热敏电阻。由于传感器安置在电动机内部温升较高的部位，直接反映电动机内部的温度。因此，从理论上讲，电子式温度继电器可以保护由各种原因引起的绕组温度过高的电机。另外，安装位置的复杂性（至今未见有绕组温度最高点的确切描述）、保护温度选择的不确定性和传感器维护的困难，使得其应用受到一定的限制。第三代是采用微处理器的智能型电动机保护器。进入80年代以来，微电子技术的发展和应用对电动机保护在原理上的概念更新、装置上的结构变革、性能上的完善、功能上的扩展等方面起着强大的推动作用。微处理器技术进入电动机保护领域后，使基于微处理器的电动机保护装置具有了优异的保护特性、完善的功能扩展和智能化的监视与控制。进入20世纪90年代以来，由于微机通讯技术和网络技术的发展，国外一些公司又提出了兼有监控、保护功能的智能化保护器。它能与中央控制系统进行双向通讯，形成监控、保护与信息网络；也能监视电动机各种运行参数，不但能测量当前数据，并能对过去的运行参数及故障情况做出统计，帮助操作人员做出决策定以减少线路和设备的停机和维修时间。大大提高了整个系统的可靠性。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。2电动机故障分析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。根据异步电动机的运行过程，将异步电动机的故障分为三类：1、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，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47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812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、电动机的堵转故障如果负载转矩大于异步电动机可能产生的最大转矩，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,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。3、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。4、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。5、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。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1/3有取决与位置两相接地1/3有取决与位置附：单相故障时，以A相为故障相； 两相故障时，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两相接地短路，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。3电动机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。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。（1）电流速断保护原理在过电流保护动作时间超过0.50.7时，应装设瞬动的电流速断保护装置。（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。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，另外还要考虑到接线系数及保证足够的可靠性等。对于动作时限，我们选择不设置动作时限。（2）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。（3） 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。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之后，则动作与出口，实现对电动机的保护。（4） 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。（5） 零序电流保护电动机接地性不对称故障，包括单相接地短路和两相接地短路两类。由对称分量法分析，当发生接地性不对称故障时，定子电流可分解出零序电流分量，这是区别其它任何非接地性故障的最根本特征，可作为接地性故障的主要判据。当发生接地性不对称故障时，故障电流通过定子铁芯，不仅会引起铁芯过热，性能变坏，而且还会使电动机外壳带电，严重威胁着操作人员的生命安全。因此针对接地性不对称故障，有必要设置零序电流保护，作为电动机单相接地短路的主保护，同时可作为两相接地短路的后备保护。接地性不对称故障受供电系统的中性点接地方式的影响。供电系统的中性点接地方式分为变压器中性点接地系统和变压器中性点不接地系统两种。在变压器的中性点直接接地或经电阻接地系统中，如果发生接地性不对称故障，那么就会产生很大的故障电流。对于大电流接地系统，在满足足够的灵敏度的条件下，可由三相电流互感器的电流之和来取得零序电流或装设专用的零序电流互感器。在变压器的中性点不接地或经消弧线圈接地的系统中，如果发生接地性不对称故障，故障电流较小，仅为几安培。对于小电流接地系统，应装设专用的零序电流互感器来取得零序电流。（6） 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。（7）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。（8） 欠压、过压保护异步电动机的转矩、定子电流与电压关系密切。定子电压高或低于额定电压时，会使电磁转矩与定子电流发生显著变化，从而影响电动机的使用寿命。当供电系统出现短路故障，导致电压降低或电压消失时，电动机转矩急剧下降。在电压恢复电动机自启动时，将有数倍于额定电流的大电流流过电动机，使电网电压降低，同时电动机端电压也降低，造成电动机启动困难或根本不能自启动。如果供电电压恢复的较慢，则电动机长期处于启动状态，电动机或配电系统均受相当大的启动电流作用，在这样长时间的启动电流作用下，会导致绝缘过热甚至损坏。另外，电动机运行时也不允许长时间低电压运行，否则，可能引起电动机过电流甚至堵转，也会烧毁电动机。按规程规定，当电源电压短时降低或短时中断后又恢复时，为保证重要电动机自启动而需要断开次要的电动机;电源电压短时降低或短时中断后，根据生产或工艺的要求，不允许或不需要自启动的电动机;需要自启动，但为保证人身和设备的安全，在电源电压长时间消失后，需从电网中自动断开的电动机，属I类负荷并装有自动投入装置的备用机械的电动机，上述电动机均应装设低电压保护。本系统具有低电压保护功能。动作特性为:三个相间电压均小于低电压保护定值，且时间超过整定的时间时，低电压保护动作。一般取0.7Un( Un:额定电压)作为低电压保护整定值，整定的动作时间可取为0.5s至9s 。电动机在过电压状态下运行，容易对电动机的绝缘造成破坏，进而损坏电器设备网，因此系统应具有过电压保护功能。动作特性为:三个相间电压有一相大于过电压保护定值，且时间超过整定的时间时，过电压保护动作。本系统取1.3Un、作为过电压保护整定值，整定的动作时限为ls。4结束语三相异步电动机智能保护器采用的是将单片机实时控制技术引入电动机保护的一种控制理念，它是将电机学、电力系统分析、电力系统继电保护和单片机控制等方面的知识融合在一起的产物。电动机在工农业生产中被广泛应用，但是其高故障率对工农业生产造成巨大的经济损失，因此在分析传统电动机保护装置不尽完善的基础上，研制功能完善、可靠性高的电动机保护装置己经成为必要。参考文献1 周立功等编著.单片机实验与实践M.北京：北京航空航天大学出版社，2003.2 何立民编著.MCS51系列单片机应用系统设计系统配置与接口技术M.北京：北京航空航天大学出版社，1996.3 王幸之、钟爱琴、王雷、王闪.AT89系列单片机原理与接口技术M. 北京航空航天大学出版社2004-5-14 杨振江. 流行单片机实用子程序及应用实例M . 西安：西安电子科技大学出版社，2002.75刘华东. 单片机原理与应用M.电子工业出版社,2003.86 魏刚.电动机智能保护器的设计D.合肥工业大学，2005.5