电动机保护-毕业论文

1 前言1.1 国内外研究的状况随着微电子技术和单片机应用技术的发展，以微处理器为核心的智能型多功能电动机保护器应运而生。

基于微处理器的电动机保护装置具有优异的保护特性、完善的功能扩展和智能化的监测与控制。

经过多年的发展，国外一些著名的电器公司纷纷推出以微处理器为核心的智能化电机保护器。

如：德国SIEMENS公司的3UBI系列继电器、日本FUJI 公司的QA系列继电器、美国ABB公司的SPEM继电器、英国GEC—ALSHOW公司的GEMSTART智能控制继电器。

国内也有许多单位在进行研制(如上海电器科学研究所，南京自动化研究所等)。

各类产品除基本的保护功能外，一般还具有自检、自诊断、故障参数(如故障值、故障类型等)的记忆、保护参数的整定等多种功能。

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，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。

1.2 以热继电器为主的组合保护中小型电机保护采用熔断器、接触器和断路器及热继电器的组合。

采用熔断器及热继电器的电机保护是较为经济、简单的一种方式。

熔断器与刀开关是使用最早、最简单的保护方式。

熔断器主要是用于短路故障或严重过载时保护供电设备和供电网络的，际上它对电机不起直接保护作用。

当熔体熔断时，又往往会造成电机缺相运行而烧毁。

许多人把熔断器的作用看作是保护电机，是一个概念错误。

现行的熔断器熔体截面选择按电机额定电流1．5～2．5倍来选择是不符合实际的。

电动起动时受到5～7倍大电流冲击，但因时间短，理论上是可以在熔体不熔断的情况下通过熔体，但由于熔体在制造工艺、时效和安装上存在随机“缺陷”，在电机起动时很容易发生部分相首先熔断，而使电机处于缺相运行，造成烧毁事故。

过载热继电器在保护电机过载方面具有结构简单、安装方便等优点，但也有保护时滞和对轻微过载与堵转保护欠佳的缺点，因而容易导致长期轻微过载运行使电机绕组产热累计，而使绕组绝缘老化造成电机损坏。

但是热继电器对起动过程中的电机不起保护作用，且环境温度对热继电器参数影响较大，不稳定。

双金属片整定方法粗糙，因为热继电器安装在电机壳外，一旦发生通风受阻、堵转、长期轻微过载使电机绕组产生热积累等，热继电器就无法保护电机。

原因是热继电器串接在主电路中，与电机绕组温度无直接关系。

另外热继电器本身是一个耗能元件，在动作过程中要消耗较多的电能。

而当热继电器真正起到保护作用动作几次，其本身的电阻丝、绝缘材料会因过热而迅速损坏，不能继续使用，必须全套更换。

1.3 传统的电磁型保护以反映故障发生后电流量的变化为判据的电磁型保护曾得到广泛应用。

目前我国电网中，有一部分电机保护仍采用电磁型继电器为主的保护。

如运行中的保护，大多数为电流速断或定时限过流，另有相当数量的电机采用一次过电流保护。

根据异步电机的起动特性，为了使保护在电机起动时可靠不动作，这些保护的定值都要躲过电机的启动电流来整定，这样定值要比本身额定电流大许多倍，这对电机匝间故障、相间故障、堵转、转子鼠笼断条等故障均不能可靠动作，而只能保护电源电缆和定子入口的部分，这就加重了电机的损坏程度，有不少电机在故障切除后，烧毁的己无法修复。

可见电磁型电机速断或定时限电流保护是牺牲保护的灵敏性来提高可靠性的。

1.4 温度保护决定绕组绝缘寿命的基本因素是温度。

因此，任何规定的允许过负荷持续时间，都应以绝缘发热为依据。

而热保护(热继电器)，电流保护(电磁型、电子式的本质)，都是按照电机定子电流的大小规定允许过负荷时间的长短。

然而，往往有这样的情况，即电流尽管没有超过额定值，而电机的温度却达到了危险的数值，需要把电机从电网断开。

由此看来，直接反映电机温度的保护具有一定的优越性。

温度保护是利用安装在电机内部的温度传感器米实现的。

当电机达到一定温度时，继电器动作断开电机的供电电路。

此类保护的关键是在制造电机时，将传感器直接放在电机绕组罩，但究竟将其预埋于电机的哪一部位才能最全面有效地检测电机绕组的温升，从而灵敏地切除故障，是不能确定的。

比如说，温度传感器预埋于A处，而在远离A处的B处发生故障，传感器就有可能监测不到该处温度的变化，从而延误保护动作的时间而使故障扩大。

也就是说它的检测功能是局部的。

况且，由于传感器埋在电机绕组里，对传感器的维护检修就极为不便，必须拆除电机本身才能对传感器进行检修。

因此，温度保护的使用有着相当大的局限性。

1.5 电子式保护随着现代电子工业的发展，一批新型的电子式多功能保护应运而生。

我国电子式保护是由晶体管型发展至集成电路型的。

其原理一般包含两方面：一是检测电流值反映过载、短路及堵转等以过流为特征的故障；二是通过检测电机电压或电流是否缺相来反应断相故障。

随着微电子技术和计算机技术的发展，我国的电机保护技术也从机电式向智能化进行过渡，在电机保护装置中引入了微处理器，加强了信号处理功能和通讯功能。

这种智能保护器是在综合保护器的基础上发展起来的，它可以同时对电机断相、过载、短路、欠压、三相不平衡、堵转、漏电等进行保护。

它还拥有电流电压显示、故障记忆等功能。

另外，智能化电机保护器还可以与各种传感器配合进行在线检测保护。

对电机的各种故障或早期故障进行保护和判断，真正实现了智能检测和控制。

当保护器与远程计算机实现通讯后，它又有了遥控和遥测的功能，并且能够存储大量的数据，保护装置本身的自动化性能也越来越高。

此类保护器节能、动作灵敏、精确度高、保护功能全、重复性好，代表了当前电机保护器的发展方向。

2 三相异步电动机常见故障及分析2.1 短路故障特征分析及保护判据电动机的短路故障是比较严重的一种故障，危害性很大。

短路故障包括定子绕组的相间短路和一相绕组匝间短路。

定子绕组的相间短路是电动机最严重的故障，它会引起电动机本身的严重损坏，使供电网络的电压显著下降，影响其它用电设备的正常工作。

一相匝间短路是较常见的短路故障，该故障初期仅表现为三相电流不对称，使故障相的相电流增大，严重的情况会导致匝间线圈绝缘全部烧毁，使电动机的一相绕组全部短接。

此时，负载星形联接的非故障相将承受线电压，负载三角形联接的将产生相间短路，这会使电动机遭受严重损坏。

电动机相间短路故障最明显的特征是三相供电线路的故障相会出现大电流，危害性很大，应进行速断保护。

短路保护的整定值应大于电动机最大稳定启动电流，一般取电动机额定电流的8～lO倍。

在进行短路保护时，通过检测电动机A，B，C三相线电流来实现，超过整定值后，直接进行断电保护。

短路保护的原则是，当在一定时限(当然很短)内检测到三相最大电流超过电动机额定线电流K倍时（K为短路过流倍数，一般取8～10)，就认为电动机有短路故障，应进行速断保护。

2.2 堵转故障特征判据电动机因机械原因、负荷过大等转子被卡死或低速运转而进入堵转状态时，会造成过热而烧坏。

电动机堵转是最轻的对称短路故障，也是最严重的过载故障。

堵转电流一般可以达到电动机额定电流的4～7倍，这么高的故障电流极易把电动机烧损。

因此在检测到电动机处于堵转故障时，保护系统应及时动作，保证电动机不因堵转而烧坏。

堵转保护信号可取自于电动机线电流，当线电流超过堵转电流整定值，并达到整定时限时，立即进行断电保护。

堵转保护的电流整定值一般可取电动机的稳定启动电流，即额定电流的4～7倍。

由于电动机起动电流也能达到额定电流的4～7倍，为区分电动机的堵转故障与正常启动，保护算法上要能够判别电动机是起动时间内还是在起动时间后，一般采用躲过电动机起动时间(8～16秒)的方法来实现。

从而可有效地躲过电动机的起动电流以免误动作，使电动机无法正常启动。

2.3 断相故障特征分析及保护判据电动机断相故障是最常见、最严重的一种不对称故障。

电动机对称运行时，其转轴所受到的转矩平稳，没有振动。

当电动机绕组断相，启动电动机时就会有嗡嗡声而不能启动。

根据对称分量法，电动机断相运行时的三相不对称电流可分解为正序、负序和零序电流。

正序电流产生正向转矩，负序电流产生反向制动转矩，零序电流增加损耗。

带动同样负载的正向转矩要克服负载转矩和由负序电流产生的反向制动转矩，因此电动机负担加重，电流剧增，引起损耗增加，导致电动机烧损。

表1 根据电动机定子绕组的不同接法，断相故障电流表现由表分析可以看出，电动机断相故障主要有三类情况：①当电动机绕组以Y形连接时，无论断相发生在线路上或者绕组内部，故障相的线电流均为零；②对于△形连接的电动机，发生外部线路断相时，故障相的线电流为零；③若△形连接的电动机发生绕组内部断相时，电动机故障相的相电流为零，但线电流不为零。

2.4 过载故障特征分析及保护判据电动机过载也称过负荷，是指电动机正常运行中因负荷过大所引起的过热现象。

其突出特点是电动机的工作电流大于额定电流，温升高于额定值，如果电动机长时间过载运行会引起电动机绕组过热而烧损。

电动机过载运行主要由以下几种原因造成：(1)负荷增加；(2)机械设备故障或未安装好；(3)电动机本身机械故障；(4)电动机容量选择偏小；(5)电动机修理时绕组线径选择偏小；(6)双机拖动负荷分配不均；(7)电动机端电压过低等。

a．电动机温升特性电动机定子绕组温度高出周围环境温度的值称为温升。

电动机温升特性的数学模型是推导电动机容许过载特性数学模型的基础性工作，是电动机反时限过载保护的理论基础，有利于分析电动机定子绕组的发热特点。

电动机在运行过程中能量损耗主要有铜损、铁损和机械损耗，它们会转变为热量，一部分通过机体散失到周围空气中，一部分积存在机体中加热电动机，使其温度上升，最终超过环境温度。

于其铜损电动机是由多种材料组成的非均质发热体，其发热情况比较复杂。

但实际测定表明，电动机的发热曲线与均质发热体的发热曲线只有较小的差别。

为了便于计算和分析，一般将电动机认为是一个均质发热体，且忽略电动机的铁损和机械损耗，即电动机的温升主要取决铜损。

图2—1 电动机过负荷运行时温升特性电动机的温升特性曲线可以用如下原理来解释：当时间t=O时，电动机的温度与环境温度相同，两者之间不存在热传导，这时电动机产生的全部损耗都用来提高电机的温度，所以电机温度上升很快。

随着电动机温度上升的增加，它与周围介质的温度差越来越大，散发到周围介质中的热量也逐渐增加，温升增加变慢，直到散热量等于发热量时，电动机的温度就不再升高，它所产生的全部热量散发到周围介质中，即达到稳定温升。

b．电动机反时限过载保护特性图2—2 电动机过载保护特性曲线1—电动机容许过载特性；2—定时限过载保护特性；3—阶段式定时限过载保护特性；4—反时限过载保护特性电动机在设计时往往留有一定余量，因此电动机可以容许有一定的短时过载能力。