三相电机短路保护研究

摘要：随着自动化技术在各个领域的普及，电动机经常工作于环境极为恶劣的环境，如潮湿、高温、多尘、腐蚀等场合。造成了现在的电机比过去更容易损坏，本文从传统保护手段的不足出发探讨减小电动机短路电流危害的保护综合措施，力求得出一个切实有效的电机短路保护方案。

关键词：电机; 短路电流；危害；保护

中图分类号：TV文献标识码： A

1.短路电流

三相电动机在运行中，相与相之间或相与地(或中性线)之间发生非正常连接(短路)时流过的电流称为短路电流。按短路相数的不同，三相系统中的短路电流可分为三相短路、两相短路、接地短路。因三相短路时的三相回路依旧是对称的，也称为对称短路；其他几种短路均使三相电路不对称，称为不对称短路。

2. 对称短路保护原理与设计

目前使用的电动机，启动电流可达额定电流的6--10倍，与电动机发生短路故障时的电流相接近。大多数工厂采用电机过流护器和热继电保护器，在电机启动初期，保护器短时间延时动作，对大电流不作任何检测。此种整定方式虽同时满足过电流保护灵敏度及电动机启动的要求。但如果当启动过程中正好发生短路故障时，就无法对故障线路进行保护，在保护空白时间里容易烧毁故障电机。有的保护装置将短路电流的整定值设定为电动机额定电流的8倍以躲开启动电流，但当启动电流较大时，不能分辨出是发生了三相短路还是电动机正常启动，容易发生误动作。可见，用传统的鉴幅式保护来区分电动机启动电流与短路电流是有困难的。

2.1 相敏保护法

工业用电动机中，其负载通常呈感性。电机全电压启动时，其功率因数远小于1（只有0.3~0.5），即电流与电压相位角相差大于60度。当发生短路故障时，电流可大致认为呈阻性，其功率因数接近1，电流与电压相位角差处于0度到25.8度之间。即使当电流出现峰值或短路电流与启动电流相接近时，其功率因数大小的差异依旧很明显，足以作为判定依据。因此针对对称性短路故障，同时检测电动机的电流与功率因数，可以确保保护装置动作的精确度与灵敏度。[1][2].

相敏保护是针对对称性短路故障的保护方法，图1为短路电流、启动电流和功率因数关系曲线，A线表示电机短路电流与电机额定电流的比值I*与功率因数的关系曲线，B、C两线为不同电机启动电流与电机额定电流的比值I*与功率因数的关系曲线；D是启动电流/额定电流*功率因数所确定的临界动作曲线，即：

I*cos=C 2-1

然而式(2-1)对应的曲线D距离B、C两条线比较近，距离A比较远，如出现特殊情况误判可能性依然比较大。如果将鉴幅、鉴相所得到的值分别与常数C1，C2相乘后再相加，即：

C1I*+C2cos=1 2-2

C1、C2取不同值可得不同的动作直线E、F，可根据具体情况设定C1、C2 取值，从而得到最理想的保护效果。直线E是C1=1和C2=1时的三相短路保护动作直线，直线F是C1=1.25和C2=0.9时的三相短路保护动作直线，采用E、F作为临界判定直线既可以有效避免因特殊情况而导致保护器误动作，又兼具较高的动作灵敏度。

2.2 三相短路保护判定设计

根据公式C1I*+C2cos

3.不对称短路保护原理与设计

由于不对称短路故障具有多样性，无法利用相敏保护法继续进行保护。为了便于分析不对称故障，可将不对称的三相电流和电压分解为三组分别对称的分量，再利用线性电路的叠加原理，对这三组分量分别按对称三相电路进行求解，然后将其结果进行叠加。即对称分量法。[5]

3.1对称分量法

不对称故障可认为由三不对称分量组成，任何不对称的三相相量 A，B，C 可以分解为三组相序不同的对称分量,即：①正序分量a(1)、b(1)、c(1),它们幅值相等a(1)的相位超前b的相位120°，b的相位超前c 的相位120°②负序分量a(2)、b(2)、c(2)，它们的幅值相等，相序和正序分量相反③零序分量a(0)、b(0)、c(0)，它们的幅值和相位均相相同。如图2所示：

a由a(1)、a(2)、a(0)组成，b由b(1)、b(2)、b(0)组成，c由c(1)、c(2)、c(0)组成，可写成表达式：

a=a(1)+a(2)+a(0)

b=b(1)+b(2)+b(0) 2-1

c=c(1)+c(2)+c(0)

在对称分量法中引用算子α，其定义是单位相量依逆时针方向旋转120度。正相序的幅值相等，互隔120度；负相序幅值相等，互隔120度；零相序幅值大小相等且相序同相。故有：

b(1)=α2a(1)

c(1)=αa(1)

b(2)=αa(2)2-2

c(2)=α2a(2)

b(0)=a(0)=c(0)

将2-2代入2-1则有：

a=a(1)+a(2)+a(0)

b=α2a(1)+αa(2)+a(0) 2-3

c=αa(1)+α2c(2)+a(0)

2-3可以整理为

a(0)=1/3（a+b+c）

a(1)=1/3（a+ab+a2c）

a(2)=1/3（a+a2b+ac）

以上均以a的三个分量为基准进行的矢量计算。通过a(0)可知道b(0)和c(0)，通过a(1)可知道b(1)和c(1)，通过a(2)可知道b(2)和c(2).即：

b(1)=αa(1)

b(2)=αa(2)

b(0)=a(0)

c(1)=a2a(1)

c(2)=a2a(2)

c(0)=a(0)

3．2负序电流保护原理与设计

现普遍采用的的电磁式速断、过流保护能够在电流超过额定值时动作，但不能具体反应负序电流大小，难以准确判断出是什么原因引起的故障，严重时还会导致故障频繁发生烧毁电机。对于非接地的不对称故障，通常按负序电流值大小把故障分为三种：电压严重不平衡、缺相、两相短路。根据三种故障的特点，通过检测负序电流值采取三种判定方式对电机进行保护。其特性接近于反时限特性。即负序电流较小时保护装置动作时间较长，负序电流较大时保护装置动作时间短。

图3中：（2）是负序电流，dz是负序整定值

3.3两相不对称短路保护

当发生两相不对称短路时，故障电流可分解为正序和负序分量，基本没有零序分量。由于两相短路时的负序电流远大于断相时的负序电流，设定当负序电流(2)>2e判定为两相不对称短路，随后判断短路的两相。方法为：寻找电流为0的相，判定另两相短路。图3第1段表示两相不对称短路，延迟最短，本文设定值为0．05s。

4.零序保护原理与设计

当电动机一点接地时，主要是电机与对地分布电容形成电流回路，故障电流很小，不会反映成各相电流的过流，但很多继电保护装置仅检测到大的相电流才判定为接地故障。很多时候检测到大的相电流时，电动机已被烧毁故障已经被扩大，保护器动作已晚。由此可见保护装置应在故障发生的短期时间内做出反应，才能有效保护设备。

三相电机正常运行时，三相电流中一般只有正序分量，没有零序分量。当出现接地故障时，相电流中出现零序分量，零序分量是区别接地故障和非接地性故障的重要特征，可作为接地性故障的判定依据。本文设计零序电流保护作为电动机接地的主保护。

零序过流保护一般为延时动作，电流互感器采样得到的零序电流大于设定值时，延迟一段时间后动作。整定原则为同一母线的其他用电设备发生接地故障时，保证本电动机的零序电流保护不被其他设备产生的零序电流干扰发生动作。设UN为相电压，C0为三相对地电容之和，nl为电流互感器变化系数，KK为可靠系数(通常取1.5-2)，则定值可以设为为：[5]

2-9

为避免在电动机在特殊情况下产生的较短时间的零序电流引起电动机误动作，将零序保护动作延时(0.1-0.5)s左右。零序电流保护动作特性如下：当零序电流超过设定值I（0）dz时，保护器延时0.5S动作，切断故障电流对电动机进行保护。

小结：

随着生产自动化程度的提高，要求电机经常运行在频繁的启动、制动、正反转以及变负荷等多种方式，致使电动机的发热加剧，频繁受到电动力和热力冲击，长时间使用极易发生短路故障。由此可见抓好电动机保护的研究与推广工作，对国民经济发展有着重要的意义。[6]

参考文献：

1.胡敏强．电机学，中国电力出版社 ，2009

2.贺家李，李永丽，董新洲，李斌 ．电力系统继电保护原理 ．北京：中国电力出版社，2013

3.邰能灵．现代电力系统继电保护原理 ，中国电力出版社，2012

4.宋建成，谢恒垫，王雁欣，李安平．基于功率冈数检测的矿井低压电网相敏保护的研究

[J]．电网技术，1999(2)：384l

5.丁建平．微机保护的发展和运用．江西化工，2013，(2)：15-18

6.郑宇 ．电力系统继电保护的现状与发展．广东科技，2009，(6)：111-112