黃 凱 劉向軍

（福州大學(xué)電氣工程與自動(dòng)化學(xué)院，福州 350116）

電動(dòng)機(jī)保護(hù)器的發(fā)展與展望

黃 凱 劉向軍

（福州大學(xué)電氣工程與自動(dòng)化學(xué)院，福州 350116）

本文介紹了三相異步電動(dòng)機(jī)幾種常見(jiàn)的故障及其故障特征，并闡述了傳統(tǒng)機(jī)械式電動(dòng)機(jī)保護(hù)裝置、模擬電子式電動(dòng)機(jī)保護(hù)裝置、以及微機(jī)型智能電動(dòng)機(jī)保護(hù)裝置的原理、應(yīng)用及優(yōu)缺點(diǎn)等。最后結(jié)合實(shí)際情況對(duì)電動(dòng)機(jī)保護(hù)器的發(fā)展提出展望。

三相異步電動(dòng)機(jī)；故障；電動(dòng)機(jī)保護(hù)器

三相異步電動(dòng)機(jī)是將電能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能的設(shè)備，應(yīng)用領(lǐng)域廣、性能好、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、運(yùn)行可靠、價(jià)格便宜，在不斷發(fā)展的工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中占據(jù)著重要的地位[1]。由于工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的需要，對(duì)三相異步電動(dòng)機(jī)穩(wěn)定性、靈敏性、安全性等性能的要求都較高，而在實(shí)際的生產(chǎn)環(huán)境中，由于設(shè)備老化、電網(wǎng)波動(dòng)、外部環(huán)境及負(fù)載變化等因素的存在，通常會(huì)影響電動(dòng)機(jī)的性能，造成電動(dòng)機(jī)的不正常運(yùn)行，這不僅會(huì)造成電動(dòng)機(jī)的損壞，也可能會(huì)影響到正常的生產(chǎn)進(jìn)程，甚至威脅到人的生命，造成巨大的損失。

據(jù)相關(guān)不完全統(tǒng)計(jì)，我國(guó)使用的三相電動(dòng)機(jī)至少為6500萬(wàn)臺(tái)，其消耗的電量至少大于全國(guó)所消耗電量的75%[2-3]，而每年燒損的電動(dòng)機(jī)至少為20萬(wàn)臺(tái)次，可想而知，每年因電動(dòng)機(jī)燒損而造成的損失巨大，因此，電動(dòng)機(jī)的保護(hù)尤為重要[4]。

電動(dòng)機(jī)保護(hù)設(shè)備的主要作用是在電動(dòng)機(jī)或線路發(fā)生故障時(shí)，可靠動(dòng)作，從而將電動(dòng)機(jī)與電源切開(kāi)，使電動(dòng)機(jī)停止工作，以減輕故障帶來(lái)的危害，防止事故繼續(xù)蔓延，保護(hù)電動(dòng)機(jī)及相關(guān)設(shè)備，以便于工作人員進(jìn)行檢修排查，迅速恢復(fù)生產(chǎn)，減輕事故造成的損失。隨著工農(nóng)業(yè)的快速發(fā)展，電動(dòng)機(jī)的使用量越來(lái)越多，電動(dòng)機(jī)工作的穩(wěn)定性、安全性、靈敏性等受到越來(lái)越多的重視，因此，對(duì)電動(dòng)機(jī)保護(hù)器性能的要求也越來(lái)越高。

本文簡(jiǎn)要介紹了三相異步電動(dòng)機(jī)幾種經(jīng)常發(fā)生的故障，對(duì)電動(dòng)機(jī)的傳統(tǒng)機(jī)械式保護(hù)裝置、模擬電子式保護(hù)裝置、以及微機(jī)型智能保護(hù)裝置的原理、應(yīng)用及其優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行了介紹。另外，對(duì)電動(dòng)機(jī)保護(hù)裝置的發(fā)展前景進(jìn)行了闡述。

1 三相異步電動(dòng)機(jī)的常見(jiàn)故障

致使電動(dòng)機(jī)燒損的原因較多，其中，大部分是電動(dòng)機(jī)的工作狀態(tài)異常引起的。電動(dòng)機(jī)正常工作時(shí)，其電壓、電流和溫度等參數(shù)都會(huì)在額定的范圍之內(nèi)。若電動(dòng)機(jī)發(fā)生故障，其電壓、電流、溫度等參數(shù)將超出額定值，進(jìn)而燒毀電動(dòng)機(jī)[6]。

電動(dòng)機(jī)的故障分為對(duì)稱故障和不對(duì)稱故障兩大類[7]。電動(dòng)機(jī)的對(duì)稱故障有堵轉(zhuǎn)、過(guò)載、過(guò)電壓等故障，其特點(diǎn)是發(fā)生故障時(shí)，電動(dòng)機(jī)三相基本處于對(duì)稱狀態(tài)，但故障電流、電壓增大，使得電動(dòng)機(jī)由于熱效應(yīng)發(fā)生故障，因此，可以以電流、電壓的大小作為對(duì)稱故障的特征量。其中，過(guò)載指電動(dòng)機(jī)實(shí)際工作功率超過(guò)電動(dòng)機(jī)的額定功率，一般而言，過(guò)載倍數(shù)較低時(shí)，電動(dòng)機(jī)仍可以工作一段時(shí)間，其保護(hù)特性為反時(shí)限保護(hù)，過(guò)載保護(hù)的方法很多，有熱繼電器保護(hù)法、直接測(cè)溫法、利用反時(shí)限過(guò)載數(shù)學(xué)模型[8]保護(hù)等，國(guó)外許多微機(jī)式電動(dòng)機(jī)保護(hù)裝置采用反時(shí)限方式實(shí)現(xiàn)過(guò)載保護(hù)，如ABB、BBC等公司的產(chǎn)品。堵轉(zhuǎn)是指電動(dòng)機(jī)由于機(jī)械故障、負(fù)載太大等因素，使得轉(zhuǎn)子不能正常運(yùn)轉(zhuǎn)，阻礙電動(dòng)機(jī)正常工作，全電壓情況下出現(xiàn)堵轉(zhuǎn)時(shí)，電流將快速上升，造成生產(chǎn)事故[9]。過(guò)電壓指主線路電壓高于規(guī)定值，易使電動(dòng)機(jī)燒毀。電動(dòng)機(jī)的不對(duì)稱故障主要有三相不平衡、斷相等故障。這類故障發(fā)生時(shí)，三相電流不對(duì)稱。三相不平衡的程度用三相電流最大差值與三相平均電流的比值來(lái)表征[10]。斷相是指電動(dòng)機(jī)任意一相斷電或低于斷相保護(hù)設(shè)定值[11]。

電動(dòng)機(jī)故障不同，其故障特征量的變化情況也不盡相同，電動(dòng)機(jī)保護(hù)器根據(jù)不同故障的特征量進(jìn)行故障判斷，對(duì)電動(dòng)機(jī)進(jìn)行保護(hù)。當(dāng)特征量超出正常工作范圍時(shí)，電動(dòng)機(jī)保護(hù)裝置做出相應(yīng)動(dòng)作，使得主線路斷開(kāi)，從而使電動(dòng)機(jī)停止運(yùn)行，防止電動(dòng)機(jī)因發(fā)生故障而燒毀，引發(fā)生產(chǎn)事故。因此，為了能及時(shí)、正確、有效地完成保護(hù)功能，保護(hù)裝置應(yīng)符合選擇性、快速性、靈敏性和可靠性4個(gè)要求。

2 傳統(tǒng)機(jī)械式保護(hù)裝置

建國(guó)早期，電動(dòng)機(jī)的保護(hù)一般以熔斷器、雙金屬片熱繼電器、電動(dòng)機(jī)保護(hù)用自動(dòng)開(kāi)關(guān)、電磁型繼電器等機(jī)械式保護(hù)裝置為主[12-13]。

熔斷器是最古老的保護(hù)電器，其工作原理是當(dāng)電流大于一定值時(shí)，熔斷器熔體將因?yàn)樽陨淼臒崃慷蹟?，以此斷開(kāi)回路，使得電動(dòng)機(jī)停止運(yùn)行。熔斷器安裝簡(jiǎn)便，價(jià)格低廉，但其功能少，在電動(dòng)機(jī)發(fā)生的過(guò)載等故障時(shí)，無(wú)法起到保護(hù)作用。另外，將熔斷器用于保護(hù)三相異步電動(dòng)機(jī)時(shí)，若其中一相的熔斷器因電流過(guò)大而斷開(kāi)，則會(huì)導(dǎo)致三相異步電動(dòng)機(jī)發(fā)生斷相，引發(fā)一系列事故。

熱繼電器在電動(dòng)機(jī)保護(hù)上的應(yīng)用具有較長(zhǎng)的歷史。這種保護(hù)產(chǎn)品有JR36系列、T系列及3UA系列熱繼電器保護(hù)器。它的工作原理是基于雙金屬片熱效應(yīng)：雙金屬片由一對(duì)金屬片整合而成，二者膨脹系數(shù)相異。當(dāng)電流流過(guò)，發(fā)生的熱效應(yīng)會(huì)使得雙金屬片向膨脹系數(shù)較為小的一邊彎曲，電流值與彎曲程度成正比。當(dāng)電流大于整定電流值大小一定的倍數(shù)時(shí)，就會(huì)使脫扣裝置動(dòng)作，繼而將主電路斷開(kāi)，實(shí)現(xiàn)其保護(hù)功能。熱繼電器電動(dòng)機(jī)保護(hù)器具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、操作方便、價(jià)格低廉等優(yōu)點(diǎn)，并具備反時(shí)限特性。因此，被廣泛應(yīng)用于電動(dòng)機(jī)過(guò)載保護(hù)。但是，熱繼電器應(yīng)用于電動(dòng)機(jī)保護(hù)領(lǐng)域仍然具有一定局限性：①熱繼電器的保護(hù)特性具有一定程度的分散性，其穩(wěn)定性較低，易受到周圍環(huán)境因素的影響，如對(duì)環(huán)境溫度、機(jī)械振動(dòng)等有較大的要求；②可重復(fù)性較差，對(duì)于電動(dòng)機(jī)頻繁起動(dòng)、重載起動(dòng)、多次短時(shí)過(guò)載等情況，起不到較好的保護(hù)作用；③其功能較為單一，不能對(duì)電機(jī)起動(dòng)過(guò)程中的故障、短路故障等進(jìn)行有效保護(hù)。當(dāng)電動(dòng)機(jī)存在輕微過(guò)載時(shí)，繞組產(chǎn)生的熱積累導(dǎo)致溫度過(guò)高，但其無(wú)法直接檢測(cè)電動(dòng)機(jī)繞組的溫度，故對(duì)這種情況也無(wú)法進(jìn)行有效保護(hù)[14]。因此，隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，熱繼電器逐漸無(wú)法滿足實(shí)際生產(chǎn)應(yīng)用中對(duì)繼電保護(hù)越來(lái)越高的要求。

電動(dòng)機(jī)保護(hù)用自動(dòng)開(kāi)關(guān)可單獨(dú)用于電動(dòng)機(jī)的短路等保護(hù)，但在工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中，常將其與熱繼電器相結(jié)合作為電動(dòng)機(jī)保護(hù)裝置，熱繼電器用于過(guò)載保護(hù)，而電動(dòng)機(jī)保護(hù)用自動(dòng)開(kāi)關(guān)用于短路保護(hù)。這樣不僅增加了保護(hù)性能，也增強(qiáng)了保護(hù)的可靠性，不會(huì)再因某一相熔斷器的熔斷而導(dǎo)致三相電動(dòng)機(jī)的斷相運(yùn)行。可將電動(dòng)機(jī)保護(hù)用自動(dòng)開(kāi)關(guān)分為一般型自動(dòng)開(kāi)關(guān)和瞬時(shí)分?jǐn)嘈妥詣?dòng)開(kāi)關(guān)。一般型自動(dòng)開(kāi)關(guān)作為低壓電路保護(hù)開(kāi)關(guān)，具有延時(shí)脫扣功能，但對(duì)于容量很小的電動(dòng)機(jī)，一般型自動(dòng)開(kāi)關(guān)與過(guò)載保護(hù)繼電器的動(dòng)作特性曲線往往不會(huì)交叉，瞬時(shí)分?jǐn)嘈妥詣?dòng)開(kāi)關(guān)沒(méi)有這樣的弊端，但不具有延時(shí)脫扣功能，只在發(fā)生較大的過(guò)電流時(shí)才進(jìn)行分?jǐn)?。另外，由于這種保護(hù)方案的過(guò)載保護(hù)仍使用熱繼電器，因此，存在與單獨(dú)使用熱繼電器作為過(guò)載保護(hù)設(shè)備相同的一些弊端[15]。

電磁型繼電器利用電磁感應(yīng)原理工作，當(dāng)線圈電流增加，使得電磁力大于彈簧力時(shí)，繼電器動(dòng)作。電磁式繼電器多應(yīng)用于電流保護(hù)中[16]，一般與主回路串聯(lián)使用，通過(guò)判斷電流的大小來(lái)對(duì)電動(dòng)機(jī)進(jìn)行保護(hù)。當(dāng)電動(dòng)機(jī)出現(xiàn)短路等故障時(shí)，大電流流過(guò)電磁式繼電器線圈，產(chǎn)生很大的電磁力，使得繼電器動(dòng)作，斷開(kāi)回路，對(duì)電動(dòng)機(jī)進(jìn)行保護(hù)。電磁型繼電器運(yùn)行較為可靠，但其保護(hù)靈敏度較低，若動(dòng)作值與動(dòng)作時(shí)間未合理匹配，則會(huì)導(dǎo)致保護(hù)誤動(dòng)作，引發(fā)一系列故障。

3 模擬電子式保護(hù)裝置

在20世紀(jì)70年代，半導(dǎo)體元件急速發(fā)展，產(chǎn)生許多采用電力電子元件和中小規(guī)模集成電路組成的模擬電子式保護(hù)裝置，其保護(hù)功能較為齊全，包括缺相、過(guò)載、三相不平衡、過(guò)電壓等保護(hù)功能，如電子式電動(dòng)機(jī)綜合保護(hù)裝置、電子式溫度繼電器等。

電子式電動(dòng)機(jī)綜合保護(hù)裝置由模擬電子器件構(gòu)成，沒(méi)有因機(jī)械造成的誤差，動(dòng)作迅速，靈敏度高，使用時(shí)間長(zhǎng)，耐振動(dòng)，易整定。

電子式溫度繼電器使用埋在繞組內(nèi)的溫度傳感器與相應(yīng)的電子裝置對(duì)繞組溫度進(jìn)行采集。溫度傳感器溫度系數(shù)大、靈敏度高、體積小，具有明顯的開(kāi)關(guān)特性，可直接根據(jù)電動(dòng)機(jī)內(nèi)部的溫度進(jìn)行故障判斷與保護(hù)，因此保護(hù)器性能也得到了一定提高。但由于溫度傳感器有一定熱慣性，故存在保護(hù)延后現(xiàn)象。

盡管模擬電子式電動(dòng)機(jī)保護(hù)裝置的性能大大優(yōu)于傳統(tǒng)機(jī)械式電動(dòng)機(jī)保護(hù)裝置，但其仍存在一些無(wú)法克服的缺陷，這些缺點(diǎn)總結(jié)如下[17-19]：

1）精度不高。首先，采用電力電子元器件組成的模擬電子線路無(wú)法改善電流互感器的非線性度，因此，其采樣精度不高。另外，用于整定的電位器線性度影響著整定的精度、操作者的整定誤差也會(huì)對(duì)整定精度造成一定影響，因此，其整定精度不高。

2）調(diào)試?yán)щy、工作可靠性不高。模擬電子式保護(hù)裝置由許多電子元器件集合而成，其中的每一個(gè)元件對(duì)保護(hù)裝置的性能都有重大影響，而且，各元器件之間具有繁雜的連線，易受到電磁、溫度等干擾。因此，調(diào)試?yán)щy，工作可靠性也受到影響。

3）功能不夠完善。隨著生產(chǎn)要求的提高，對(duì)電動(dòng)機(jī)保護(hù)裝置的要求也逐漸提高，單純使用電力電子元器件組成的模擬電子線路無(wú)法實(shí)現(xiàn)諸如在線監(jiān)測(cè)、參數(shù)記錄、實(shí)時(shí)通信等功能。

社會(huì)的發(fā)展使得工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中對(duì)電動(dòng)機(jī)保護(hù)器的要求提高，因此，模擬電子式電動(dòng)機(jī)保護(hù)裝置的許多局限性越發(fā)凸顯，常因選用元件不當(dāng)、線路設(shè)計(jì)不合理等原因造成保護(hù)器的拒動(dòng)或者誤動(dòng)，逐漸無(wú)法滿足社會(huì)發(fā)展的需求。

4 微機(jī)型智能保護(hù)裝置

20世紀(jì)80年代以來(lái)，電動(dòng)機(jī)保護(hù)不斷朝著智能化方向發(fā)展，至今，國(guó)外許多電器公司推出了多款以微機(jī)型智能保護(hù)裝置，如德國(guó)的3UBI系列繼電器、日本的QA系列繼電器、美國(guó)ABB公司的SPEM繼電器等。單片機(jī)具有很強(qiáng)的計(jì)算、分析、邏輯判斷等能力，智能電動(dòng)機(jī)保護(hù)器以單片機(jī)作為核心進(jìn)行電壓、電流采樣，通過(guò)單片機(jī)對(duì)電壓電流互感器的非線性度進(jìn)行校正，并對(duì)電壓電流有效值進(jìn)行計(jì)算，很大程度上降低了波形畸變對(duì)采樣精度的影響，提高了采樣和整定精度。另外，通過(guò)程序編寫，同一硬件電路可以實(shí)現(xiàn)不同的保護(hù)功能，不易受環(huán)境因素影響，具有體積小、價(jià)格低等優(yōu)勢(shì)，集保護(hù)、遙測(cè)、通信和遙控等功能為一體，功能齊，性能好，具有很高的性價(jià)比[20-21]。

微機(jī)型智能保護(hù)裝置主要有以下幾大類[22]：

1）高性價(jià)比電動(dòng)機(jī)保護(hù)器。這種保護(hù)器滿足電動(dòng)機(jī)基本保護(hù)要求，盡可能降低成本，具有很高的性價(jià)比。

2）高性能電動(dòng)機(jī)保護(hù)器。該類型保護(hù)器成本比高性價(jià)比電動(dòng)機(jī)保護(hù)器高，但具有更完善的故障保護(hù)性能。保護(hù)特性更為可靠，并且具有反時(shí)限過(guò)載保護(hù)、延時(shí)等功能。

3）智能多功能電動(dòng)機(jī)保護(hù)器。該類型保護(hù)器在上述第二種保護(hù)器的基礎(chǔ)上，增加了開(kāi)關(guān)量輸入模塊、顯示模塊、通信模塊等模塊[23]，使保護(hù)器的功能更加強(qiáng)大，具有良好的人機(jī)操作界面、操作簡(jiǎn)便、自動(dòng)化程度高等優(yōu)點(diǎn)[24]，甚至可以通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)等技術(shù)實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控[25]。

4）電動(dòng)機(jī)全套保護(hù)器。這種保護(hù)器將多個(gè)溫度傳感器埋于電動(dòng)機(jī)繞組中，實(shí)時(shí)對(duì)繞組溫度進(jìn)行直接測(cè)量，以溫度判斷電動(dòng)機(jī)的工作狀態(tài)。具有很強(qiáng)的適用性，應(yīng)用范圍廣，可對(duì)電動(dòng)機(jī)、發(fā)電機(jī)、變壓器等進(jìn)行保護(hù)。

近些年，微機(jī)型智能電動(dòng)機(jī)保護(hù)裝置發(fā)展迅速，其保護(hù)的可靠性、靈敏性、安全性得到了大幅度提升，同時(shí)，其功能也日益完善，具有廣闊的應(yīng)用和發(fā)展前景。

5 電動(dòng)機(jī)保護(hù)器的發(fā)展前景

隨著科技水平的發(fā)展，工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)也朝著智能化發(fā)展，電動(dòng)機(jī)的使用更為廣泛。因此，對(duì)電動(dòng)機(jī)保護(hù)器的性能要求也更為嚴(yán)苛。至今，我國(guó)市場(chǎng)上大部分電動(dòng)機(jī)保護(hù)器存在較多缺陷，比如保護(hù)功能少、穩(wěn)定性和可靠性差、人機(jī)界面不友好等，因此，使用這些電動(dòng)機(jī)保護(hù)器不能在電動(dòng)機(jī)發(fā)生故障時(shí)及時(shí)有效地對(duì)設(shè)備進(jìn)行保護(hù)，造成重大的事故和經(jīng)濟(jì)損失，而國(guó)外一些電動(dòng)機(jī)保護(hù)裝置雖然具有較高性能，但價(jià)格昂貴，難以在中小型工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中得到廣泛推廣，因此，對(duì)智能電動(dòng)機(jī)保護(hù)器的研究尤為重要[26]。今后，智能電動(dòng)機(jī)保護(hù)器依然是我國(guó)電動(dòng)機(jī)保護(hù)的重要發(fā)展方向，主要有以下幾點(diǎn)[26-28]：

1）進(jìn)一步發(fā)展并完善電動(dòng)機(jī)保護(hù)的相關(guān)理論，分析故障特性，使得保護(hù)器有明確的故障保護(hù)判據(jù)。

2）進(jìn)一步發(fā)展并完善智能電動(dòng)機(jī)保護(hù)裝置的保護(hù)功能，使其保護(hù)特性與規(guī)范的要求相吻合，具有較寬且連續(xù)可調(diào)的整定范圍、具有高的運(yùn)行穩(wěn)定性和可靠性。

3）進(jìn)一步發(fā)展與應(yīng)用現(xiàn)代電子、通信等技術(shù)，實(shí)現(xiàn)電動(dòng)機(jī)保護(hù)器在線監(jiān)測(cè)、故障診斷、網(wǎng)絡(luò)化等功能，向多功能化發(fā)展。

4）進(jìn)一步朝重量輕、體積小、價(jià)格便宜、集成化等方向發(fā)展優(yōu)勢(shì)。

5）進(jìn)一步朝接線簡(jiǎn)單、安裝、使用及維護(hù)方便等方向發(fā)展。

6）進(jìn)一步發(fā)展基于頻譜分析的感應(yīng)電動(dòng)機(jī)故障診斷技術(shù)。

6 結(jié)論

本文簡(jiǎn)要介紹了電動(dòng)機(jī)常見(jiàn)的幾種故障及其故障特征，對(duì)不同時(shí)期、不同電動(dòng)機(jī)保護(hù)裝置的原理、應(yīng)用及特點(diǎn)進(jìn)行闡述，大體介紹了電動(dòng)機(jī)保護(hù)裝置的發(fā)展。最后，本文結(jié)合實(shí)際，總結(jié)歸納了電動(dòng)機(jī)保護(hù)器的發(fā)展前景，具有一定參考意義。

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The Development and Prospect of Motor Protector

Huang Kai Liu Xiangjun
(Electrical Engineering and Automation Institute of Fuzhou University, Fuzhou 350116)

Described the common fault of three-phase asynchronous motor, summarized the principles, applications, advantages and disadvantages of the traditional mechanical motor protection devices, analog electronic motor protection devices, microprocessor-based intelligent motor protection device. Finally, combined with the actual situation, prospected the development of motor protector.

three-phase asynchronous motor; fault; motor protector

黃 凱（1991-），男，福建省福鼎市人，在讀研究生，主要研究方向?yàn)橹悄茈娖骷捌湓诰€監(jiān)測(cè)。