孔凡華，陳小威，尚艷菲，趙旭彤，游藝

（1.福建福清核電有限公司，福建福州 350318；2.濟南供電公司，山東濟南 250012）

三相異步電動機被廣泛應用在工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、國防及交通運輸?shù)葒窠?jīng)濟的各個領域，在三相異步電動機運行過程中，由于過載、短路、接地、缺相等原因而損壞，因此在電動機的配電回路中加入了各種保護裝置來保護電機[1-3]。如果三相異步電動機在運行過程中，由于熔絲燒斷、接觸器故障、端子虛接等，造成其中一相缺失，稱為缺相[4-6]。電動機缺相后，停運的電動機將無法正常啟動，正在運轉(zhuǎn)的電動機會發(fā)出異響，并逐漸減速。若長時間缺相運行則會造成電動機繞組燒毀，影響生產(chǎn)，甚至造成事故[8-9]。

本文通過對我廠一起電機繞組燒毀事故進行深入分析，給出了解決缺相問題的方法。并通過試驗驗證了該方案的可靠性，對電動機提供有效的缺相保護。

1 事故起因

我廠運行人員在現(xiàn)場進行風機啟動試驗，進行電動機啟動操作，由于之前已啟動過該電動機，因此未進行點動試驗。現(xiàn)場發(fā)現(xiàn)電動機啟動一段時間后轉(zhuǎn)速開始下降，并伴隨嗡嗡聲，發(fā)現(xiàn)此狀況后立即停運電動機。由于現(xiàn)場人員缺乏經(jīng)驗，對電動機再次啟動，發(fā)現(xiàn)電動機已無法啟動，且現(xiàn)場聞到一股燒焦的味道。后經(jīng)電機專業(yè)人員對電動機進行解體，發(fā)現(xiàn)電動機內(nèi)部繞組已燒毀。排查原因，確定是由于電動機接線盒內(nèi)的端子松動導致電機缺相，進而造成以上事故。

電動機的配電回路中已設置了保護裝置，為何一直到電機燒毀保護仍未動作？本文就從理論方面給出解釋，并對我廠電動機配電回路進行改進，確定了理論的正確性。

2 缺相運行工況電動機電流變化的分析

2.1 Y接法電動機

Y接法電動機示意圖見圖1。Y接法電動機缺相后分析示意圖見圖2。

圖1 Y接法電動機示意圖Fig.1 The Y connection motor

圖2 Y接法電動機缺相后分析示意圖Fig.2 The Y connection open-phase motor

定子繞組一相缺相：假設缺相繞組為B相。

未發(fā)生缺相事故時，電動機正常運轉(zhuǎn)，各繞組中的電流情況為

各相繞組電源進線的電流分別為

式（1），（2）中，IN為電機穩(wěn)定運行時的電流，即額定電流；IAN為A相繞組電流；IBN為B相繞組電流；ICN為C相繞組電流。

發(fā)生缺相事故后，A、C兩相繞組串聯(lián)后接在A、C兩相電源之間，其兩端承受的電壓為UAC，每相繞組上分擔的電壓為0.5UAC，即為0.5UL。根據(jù)三相交流電動機功率計算公式（3）：

假設缺相后，電機仍然持續(xù)運行，且負載不變，功率因數(shù)不變，電動機輸出功率也不變。設缺相后A、C兩相繞組中通過的電流為IAN=ICN=IAC，根據(jù)公式

從而得出：

各繞組中的電流情況為

各相繞組電源進線的電流分別為

式（3）—（6）中，UL為三相交流電源的線電壓；cos φ為電動機功率因數(shù)；UAC為電源A、C相間電壓；IAC為A、C相繞組電流。

帶有某一負載的電動機運行中，突然缺相運行時，轉(zhuǎn)速會稍微下降，軸負載功率由兩相繞組承擔，缺相運行電流增大，此時電機往往工作于過負載狀態(tài)，電流甚至可達倍的額定電流，或者更大，足以導致電機繞組由于過電流發(fā)熱而燒毀。

我們知道，導致電動機燒毀的主要原因是繞組中通過的電流發(fā)熱過大而導致繞組間的絕緣損壞，從而導致電機燒毀，若是能保證電動機的電流不超過額定電流，那么電機即使缺相，也可以保證持續(xù)運行一段時間。

如果要保證電動機A、C繞組不至于燒毀，那么要保證電流不超過額定電流，則此時電動機輸出功率為

2.2 Δ接法電動機

Δ接法電動機的缺相問題，要分為兩種情況進行討論：繞組內(nèi)部線圈發(fā)生斷路現(xiàn)象，即繞組內(nèi)部線圈發(fā)生缺相；電動機電源進線一相斷路，即電源進線缺相。

2.2.1 繞組內(nèi)部線圈發(fā)生缺相

在繞組內(nèi)部線圈發(fā)生斷路前，如圖3所示，電機正常運行，其各繞組電流情況為

式（8）中，IAB為AB繞組電流；IBC為BC繞組電流；IAC為AC繞組電流。

圖3 Δ接法電動機示意圖Fig.3 The Δ connection motor （the inner winding open）

各相繞組電源進線的電流分別為

式（9）中，IA為電源A相電流；IB為電源B相電流；IC為電源C相電流。

發(fā)生缺相事故后，如圖4所示，AB繞組、AC繞組兩端承受的電壓分別為UAB、UAC。

圖4 Δ接法電動機內(nèi)部線圈缺相后分析示意圖Fig.4 The Δ connection open-phase motor （the inner winding open）

假設缺相后，電機仍然持續(xù)運行，且負載不變，功率因數(shù)不變，電動機輸出功率也不變。根據(jù)公式

式中，UAB為電源A、B相間電壓；IAB前為AB繞組缺相前運行電流；IAB后為AB繞組缺相后故障電流；IBC后為BC繞組缺相后故障電流；IAC后為AC繞組缺相后故障電流。

從而得出：

各繞組中的電流情況為：各相繞組電源進線的電流分別為

從以上分析中可以看出，發(fā)生缺相事故后，電動機非故障的兩組繞組電流變?yōu)樵瓉淼?.5倍，故障繞組中電流為0。實際運行中，缺相運行時，轉(zhuǎn)速會稍微下降，軸負載功率由兩相繞組承擔，此時電動機往往工作于過負載狀態(tài)，電流甚至可達1.5倍的額定電流，或者更大，足以導致電機繞組由于過電流發(fā)熱而燒毀。

2.2.2 電動機電源進線缺相

Δ接法電動機示意圖見圖5。電動機正常運行時的情況上面已經(jīng)描述清楚，不再贅述。

圖5 Δ接法電動機示意圖Fig.5 The Δ connection motor （the B phase power loss）

發(fā)生電動機電源進線缺相事故后，如圖6所示，AC繞組兩端承受的電壓為UAC，AB繞組、BC繞組串聯(lián)后接在AC兩端，其每相繞組上分擔的電壓為0.5UAC，即為0.5UL。

假設缺相后，電機仍然持續(xù)運行，且負載不變，功率因數(shù)不變，電動機輸出功率也不變。根據(jù)公式

圖6 Δ接法電動機電源進線缺相后分析示意圖Fig.6 The Δ connection open-phase motor （the B phase power loss）

從而得出：

各繞組中的電流情況為

從以上分析中可以看出，發(fā)生缺相事故后，電動機三相繞組中有一相繞組的電流變?yōu)樵瓉淼?倍，另外兩相電流保持不變。實際運行中，缺相運行時，轉(zhuǎn)速會稍微下降，繞組電流變大的一相肯定會由于過電流而首先燒壞。各相繞組電源進線的電流分別為

3 配電回路保護裝置的動作分析

電動機啟動歷史記錄見表1，電動機技術參數(shù)見表2。由于我廠電機為通風系統(tǒng)風機的配套電機，在調(diào)試階段并未帶額定載荷，因此其運行電流也未達到額定電流。

表1 電動機啟動歷史記錄Tab.1 Record of the motor starting

表2 電動機技術參數(shù)Tab.2 Motor parameters

其配電回路見圖7。

圖7 電動機配電回路圖Fig.7 The power distribution circuit diagram of the motor

發(fā)生缺相后，電動機保護裝置動作情況：

1）熔斷器：熔斷器動作特性見表3。熔斷器設置是為了實現(xiàn)電動機的短路保護，001FU型號:NH00-160A，aM。

表3 熔斷器動作特性Tab.3 Fuser operating characteristics

2）熱繼電器：熱繼電器的設置是為了實現(xiàn)過負載及過電流保護，其選型為主回路電流經(jīng)電流互感器001TI（KORC 145/4S）后送至熱繼電器001XS型號:TA25DU4。

缺相運行時，電源進線的電流必須達到熱繼電器的動作值，并經(jīng)過一定時間的積累，才能使熱繼電器動作。在本試驗中，缺相后電動機約在1.4IN的工況下運行，未等到熱繼電器動作，電動機已燒毀，之后再停運電動機為時已晚。

表4 熱繼電器動作特性Tab.4 Thermal relay characteristics

3）剩余電流保護繼電器：002XI，剩余電流保護繼電器的設置是為了實現(xiàn)電動機漏電情況下的保護。在本試驗中，電動機缺相時，未發(fā)生漏電情況，只是發(fā)生了“過電流”——也就是過載的情況，保護不會動作。

4 電動機缺相問題解決

電動機缺相后，會對電動機造成很大的影響，具體表現(xiàn)在以下方面：

1）啟動前缺一相的話：不能啟動、有雜音、電流大、發(fā)熱；

2）電動機電流表指示高出正常值或為零；

3）電動機本體及線圈溫度升高；

4）電動機振動增大，聲音異常；

5）電動機轉(zhuǎn)速下降；

6）電動機所帶負荷出力不足。

因此，必須對電動機裝設缺相保護裝置，才能在缺相時及時停運電動機，避免造成財產(chǎn)損失，減少安全事故。

針對當前電動機配電回路中的保護未動作的情況，經(jīng)過討論，決定使用LM210系列微機電動機保護監(jiān)控裝置對該電動機重新進行試驗，以驗證加入缺相保護裝置后，能否實現(xiàn)對電動機的缺相保護。

LM210系列微機電動機保護監(jiān)控裝置是適用于交流50 Hz、380 V系統(tǒng)電動機饋線終端的智能化綜合保護裝置，對電動機在啟動和運行中發(fā)生的過載、啟動超時、缺相、電流不平衡、堵轉(zhuǎn)、單相接地、欠電流、反相序、TE時間等予以保護，廣泛用于石化、鋼鐵、電力、紡織、機械等企事業(yè)單位。

試驗中使用三個單相斷路器來代替原來的三相斷路器，試驗電路如圖8所示。

試驗中，在電動機啟動后一段時間，使用斷路器的跳閘按鈕“TRIP”使其中一相缺相，缺相后電動機立即停止運行。LM210可以實現(xiàn)對電動機的缺相保護，原有電動機配電線路無法實現(xiàn)缺相保護功能。

為了實現(xiàn)電動機的缺相保護，目前常用以下3種方法實現(xiàn)，在實際使用中，可以根據(jù)需求選擇其中一種進行保護：

圖8 增加缺相保護電動機試驗圖Fig.8 Motor testing diagram with the phase protection

1）增設監(jiān)視三相電壓的繼電器，繼電器的觸點接入電動機的配電回路中，當缺相后，監(jiān)測缺相電壓的繼電器觸點動作，從而切斷電源，使電動機停運。

2）使用專門的缺相保護繼電器，原理與第一種差不多，可以簡化接線，減少占用控制柜的空間。

3）使用電動機智能保護器：體積小、功能多，不只有缺相保護，還可以有速斷保護、過流保護、啟動時間過長保護、不平衡電流保護等。

5 結論

電動機發(fā)生缺相時，配電回路中出現(xiàn)了過電流的情況，但這種過電流并不能引起保護裝置的動作。電動機長時間過電流運行，最終導致電機內(nèi)部繞組線圈由于發(fā)熱過大而燒毀。僅僅依靠熔斷器、熱繼電器、剩余電流保護繼電器難以滿足缺相工況下對電機的保護，因此必須在電動機的配電回路中配置專門的缺相保護裝置，才能在出現(xiàn)缺相情況時，提供保護，防止電動機的損壞。我廠電動機在增加了缺相保護裝置后，電動機再未發(fā)生由于缺相而燒毀，達到了很好的效果。

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