中小型三相电机故障分析及其保护实现

【摘要】本文分析了三相电机的故障种类，电动机故障形式分为对称和不对称两大类，对称故障包括过载、堵转、短路等；不对称故障包括断相、逆相、相间短路、接地故障。并通过三相对称分量法对断相故障进行分析，分析了三相电机的故障种类和故障产生的原因。利用过电流检测来实现对称三相电机断相故障、短路和过载的分析，给出了三相电机零序电流检测电路，并针对三角形接法和星型接法给出了不同的保护电路。并针对不同情况下电机的工作状态的分析，设计保护电路来实现保护，并根据故障类型实现了电机的继电保护。

【关键词】三相对称分量法；电流检测；等效电路

引言

据不完全统计，全国使用的中型电机大约有2000万台，每年烧毁的电机约占16%，约320万台，平均每台的维修费用1000元，总费用为32亿元左右。三相电机烧毁无怪乎有以下几个原因：电网电压过高、绝缘漆性能变差造成漏电、二相电机单相运行和负载过重。因单相运行而毁坏电机占毁坏电机总数的50%以上，电机过载占30%左右[1]。

1、三相电机故障种类

就电动机的故障种类而言，可分为内部故障与外部故障两种。电动机的常规外部保护，无论从理论上还是从诊断与保护的实现手段上都相对完善。电动机的内部故障可以分为对称故障和不对称故障两种。对称故障包括过载、堵转、短路等；不对称故障包括断相、逆相、相间短路、接地故障、三相不平衡等[2]。根据对称分量原理，当电动机发生对称故障时，会出现明显的过流。因此，可以利用过电流检测来实现对称故障的诊断与保护。当电动机发生不对称故障时，其定子电流可以分解为正序、负序和零序分量，其中负序和零序电流在电动机正常运行时没有或很小，一旦出现必然表示出现了故障。

2、三相异步电动机断相保护

2.1断相运行分析

三相感应电动机的断相运行实际上是电机不对称运行的极端情况，故分析三相感应电动机断相运行时，采用对称分量法对其分析。

（1）三相感应电动机定子绕组为星形接法时当外线中有一线断开时，取外线中断的一相为A相。我们知道无论是断相后启动还是电机满载是断相都会造成Z++Z-减小造成iB过大而使电机处于过电流状态，造成电机的烧毁[5]。（2）三相感应电动机定子绕组为三角形接法时下面以定子绕组“”接法时三相感应电动机一相绕组从电源断开时为例分析其运行情况。由公式我们可以知道当断相后，如果电机不能从电网中断开的话，通过其它相的电流将会急剧增大，大电流将使电机绕组急剧升温，将电机绕组烧毁。

2.2保护电路实现

由于电源不平横或定子绕组阻值不相等而导致其电压不为零，但其不平衡电压通常也只是5―10V。如果电机出现断相故障时，这个电压就会迅速升高，于是可围绕这一点来设计保护电路，画出星型，三角形保护电路。

电路工作原理：闭合闸刀开关QS，按下按钮开关SB2，交流接触器KM的线圈得电吸合铁心，常开触点闭合，三相异步电动机通电启动运行，电动机正常运行时，虽然由于三相电源不完全平衡，定子绕阻不完全相同等原因使中性点有不平衡电压，但不平衡电压一般只5-10V，这时继电器KV不会动作，该电路在星形连接的定子绕组的中性点与地之间接一个灵敏电压继电器，利用该继电器来检测零序电压的变化，达到断相保护的目的.因此适用于小容量星形接法的电动机。

当三相电源或电动机定子绕组发生断相故障时，中性点对地产生偏移电压（零序电压），在零序电压的作用下，电压继电器KV瞬间得电动作，KV的常闭触点断开，交流接触器KM线圈断电释放，KM断开电动机的电源，从而使电动机得到保护。

对三角形连接的电动机断相保护来说，其本身没有中性点，所以我们必须做一个人为中性点。用三个等值的电容C1，C2，C3分别与电动机的三个定子绕组并联，连接成Y形（即星形），在这个Y形的中性点上（U00）接上电阻，继电器。

工作过程，闭合闸刀开关QF，按下按钮SB2，KM的线圈得电吸引铁心，KM的常开触点闭合，电动机通电运行，电动机正常运行时中性点电压U00一般小于10V。电动机负载运行中断相时，中性点电压U00的大小与负载有关，其变化范围为10-50V，且负载愈重，电压愈高，但与电动机的容量关系不大。根据实际情况选择适当的KV，这样当中性点电压U00使KV动作时，即常闭触点断开，KM亦会动作，其主触点断开电动机的电源，从而起到保护的目的。

3、三相异步电动机短路和过载保护

电动机故障形式分为对称和不对称两大类，对称故障包括过载、堵转、短路等；不对称故障包括断相、逆相、相间短路、接地故障。

3.1对称故障分析

对称故障过载、堵转、三相短路等其特征是三相电流主要为正序电流。对称过载时，电流一般在1.2～5倍的额定电流。堵转情况下，电流的大小接近于电动机的起动电流，一般在5～7倍额定电流。三相短路时电流大约为8～12倍的额定电流。因此以过流程度作为故障的判据。对于严重的三相短路的保护应采用速断跳闸，堵转故障保护为短时限跳闸，而对于对称过载应反时限跳闸。

用过电流继电器和时间继电器来设计电动机的过载和短路保护电路。该电路将电流继电器接在电流互感器二次回路中，可避开电流继电器与大电流接触，同时在电动机起动时，利用时间继电器的动断触点短接电流互感器，防止起动电流过大而引起保护误动，从而使电路的可靠性更高。

3.2非对称故障分析及其保护

该式表明滤序器输出电压只与负序电流有关，当电动机正常运行，即只有正序电流时，滤序器的输出电压为零，即Usc=0，当电动机发生不对称故障时，滤序器输出电压Usc≠0，因为只有在故障情况下才有负序分量。检测出负序分量，当电路中负序分量大于某值，使电路中继电器动作，实现跳闸保护。

（2）零序电流检测

接地性不对称故障包括单相接地短路和两相接地短路，发生这类故障时，电路中会出现很强的零序电流分量，当电动机发生故障时，三相电流中包含有正序、负序和零序电流分量，由于正序、负序三相电流分量之和等于0，因此把零序分量作为保护判断依据。即：为零序电流滤序器的匝数比。在不对称故障保护电路实现上，由于不对称故障原理与断相故障保护方式上都是检测非正序电流方式，电路结构上具有相同之处，为节省篇幅，故在此不再画出。

4、结论

由以上分析可知，三相异步电动机无论是什么原因，电机定子绕组接法如何，当出现断相时，三相电动机断相运行，定子绕组中某一相或两相的相电流都会超过额定电流很多倍，电机的绕组将因过热而烧毁。断相运行是造成三相感应电动机烧毁的一个重要原因。实施良好的断相保护十分重要。当电机短路或过载时因电流增大过多也会造成电机发热而使电机烧毁，因此这种情况也必须给予重视。

参考文献

[1]周顺荣.电机学.北京：科学出版社，2002

[2]叶淬.电工电子技术.北京：化学工业出版社，2004

[3]任致程，李卫玲.高级电工实用电路500例.北京：机械工业出版社，2005

[4]陈海波，陈光.新编电动机电路检修161例.北京：中国水利水电出版社，2004

[5]陈振明.常用电动机维护与故障处理.广东：广东科技出版社，2000