小功率交流电动机综合保护器设计 - - 毕业论文(4)

北京化工大学继续教育学院毕业设计（论文）

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。

2.4.3 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。

根据电动机定子绕组的不同接法，断相故障电流表现也不同，详见表2.2所示，其中：

IS—电动机正常启动电流；IA,IB,IC—电动机线电流； Ie—电动机额定线电流；Ie—电动机额定相电流；

IA,IB,IC—电动机定予绕组相电流。

表2-2 电动机断相故障电流表值

。。。。

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由表2.2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。

根据以上分析，断相故障出现后，电动机的线电流不平衡，因此可以通过检测线电流来作为断相故障的信号源。由于断相故障类型不同，线电流表现也各异，因此保护判据也不一样。通常有以下方法：

(1)对于前两种情况可以通过在一定时限内检测电动机线电流是否为零的方法来实现，即对某相电流一个周波内连续采样n点的瞬时值均为零，或通过计算某相电流的有效值为零，则为断相故障；

(2)对于第③种断相故障，可以通过检测不对称电流计算出正序、负序、零序电流。通过负序电流来反映断相等不平衡故障。实际上对于第③类断相故障可以通过计算得出A相的正、负序电流有如下关系：

IA?。。。。1。22?（IA??IB??IC）?3Ie （2.3） 33。。1。12?（IA??IB??IC）?3Ie （2.4） 33 IA?。。即IA?/IA??2，因此可以通过正、负序电流的这个比值来判断电动机的第③类断相故障。

2.4.4 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。

（1）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

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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。

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于其铜损。因此，依据均质固体发热理论，异步电动机定子绕组过负荷运行时的热平衡微分方程为：

Qdt?（I2?Ie2）rdt?CGd???S?dt （2.5） 式中：

Q——定子物体每秒钟内所产生的热量(W)； I——电动机过载状态下的定子电流(A)；

Ie——电动机额定定子电流(A)； r——电动机定子绕组电阻(?)；

C——定子物体材料的比热，即使lkg物体温度升高1?C所需的热量(J/Kg·?C)； G——定子物体的质量(kg)；

?——散热系数，即每平方米表面．每度温差、每秒时间内所散发的热量焦耳数

(W／m2·?C)；

S——散热表面积(m2)；

?——定子绕组温升(?C)。

式(2.5)左边是在时间间隔dt中，定子绕组由于过负荷而发出的热量Qdt。右边CGd?是电动机温度升高d?度所吸收的热量，?S?dt是dt时间内散失在周围介质中的热量。式(2.5)为一阶线性微分方程，其通解为：

?tQCG?Ae ?? （2.6） ?S?S式中A——待定常数，由初始条件?t?0?0确定，即认为负荷不变化时，定子绕

组温度与周围介质的温度相等，初始温升为零。将初始条件代入式(2.6)得出待定常数

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A为:

(I2?Ie2)rQA????

?S?S将A代入式（2.6）可得

t(I2?Ie2)rCG ?? （2.7） （1?e）?S?S这就是异步电动机的温升数学模型，其特性曲线如图2.2所示。

图2.2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。

（2）电动机反时限过载保护特性

对式(2.7)中的指数项进行泰勒级数展开，取前两项可得：

?S eCG?1?t?SCGt （2.8）

将式（2.8）代入式（2.7）并整理可得

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t?TT (2.9) ?222(I/Ie)?1??1式中：??I/Ie称为电动机的过载倍数

T??CGIr2e为一常数，若电动机的最大容许温升为?max，则式（2.9）为

t??maxCG1T （2.10） ?·?2?1Ie2r?2?1式（2.10）反应了电动机过载倍数?与电动机容许过载时间t的关系，即t?f???，我们把这种关系称为电动机的容许过载特性，如图2.3曲线1所示。从图中可以看出，电动机过载倍数越大，其容许过载时间就越短，即呈现反时限特性。

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。其实在实际生产中，电动机负载往往会有一定的波动，这也要求电动机具有一定短时过载能力，不会因短时过载而停机，影响正常生产。

电动机过载保护动作时问t与过载倍数?的关系称为电动机过载保护特性。设计过载保护特性时，要充分利用电动机本身的过载能力，不要因为电动机一过载就立即进行保护，频繁的断电保护将影响正常生产，这样的保护也就失去意义了。图2.2中

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