三相异步电机缺相保护研究

吴承杰

（大庆钻探工程公司钻井三公司，黑龙江大庆 163413）

0 引言

交流异步电机在石油钻井平台上面发挥十分重要的作用，实际应用时也常会发生故障，比如短路、欠压过载或是断相等。断相也是最为严重与常见的故障之一，因为出现断相不容易被工作人员发现，后果是烧毁电机，因此，电机安装断相保护装置具有十分重要的意义。

1 交流电机缺相故障的具体分析

导致电机烧毁事故发生的关键是定子模块瞬间流过过大的电流。出现较大电流的因素比较多，对于异步电机来说，定子绕组具有2种连接方式，即星形接法与三角形接法，不管是采用何种方式的接法，从分布上看，三相定子绕组模块应是对称的。电机通常都是借助三相对称电源，产生较大旋转磁场，进而能够使转子有效运转。星形接法在启动电机过程中，若是将一相电源断开，并向两相电源进行连接，那么便不会有旋转磁场产生，此时仅存在脉冲磁场，旋转力矩下降为0，那么电机转子便只能够振动而不会转动，工作人员就会立即察觉到。如果运行后出现断开一相电源的状况，转子在惯性力作用下，电机还会低速运行，不过转矩已大大降低，如果负载恒定不变，电机转速将明显降低，转差率升高，由此加大了定子电流，进而烧毁串联的两相绕组。

就三角形接法电机看，当缺少一相电源时，类似于星形接法，区别在于两相绕组进行串联后会并联于另一组绕组，在电源线电压中进行连接，所以对一相绕组进行并联产生的电流是比两相绕组进行串联的电流更大，这就会立刻烧毁一组绕组，接着便会将两相串联的绕组也烧毁。在电机运行工况下，有一项绕组突然缺失，电机的运行是能够继续的，如果该种状况没能被及时有效发现和处理，则会出现旋转磁场不均匀，转差率提高、电磁转矩和转速出现大幅降低，并且定子电流增大且每个线的电流不一样，如果经较长时间的运行，则会烧毁2个定子绕组。

2 电机断相的常见保护方法分析

（1）保险丝保护。提升保险丝容量，应用的熔丝熔断电流通常是在4倍额定电流上下，这就实现了处于非短路状况下，熔丝不会出现熔断现象。该法仅可以避免因为保险丝熔断导致的断相问题，无法避免断相运行或是其他故障造成的线路断相问题。

（2）零电流保护，对电机的电流开展实际分析，如果其中的一相电流是零时，判断其是电机断相运行，利用实时切断电源的方法进行保护。这种模式虽然有效但也有缺陷，如果电机采用的是三角形接法，这种保护策略的效果不大。

（3）温度保护。将温度传感器设置到电机绕组内，对于电机内部温度进行实时测量和分析，如果其内部的温度超过规定数值，则将电源切断，以此来对电源进行保护。该方法可靠性和安全性较高，并且能够有效保护绕组绝缘和过载，但其不足在于要将温度检测装置安装在电机内部。

3 缺相保护的新方法研究

电机烧毁的主要因素是定子绕组的电流过大，引起电流过大的主要因素为缺相运行。虽然缺相保护的方法较多，但都具有自身的不足，为此产生一种新的设计。对于优异的电机保护装置首先需要具有可靠的操作，同时安装与维护简单。新的设计是根据缺相时绕组中性点电压位移的特征，来对控制装置给以有效保护，缺相保护控制电路见图1。

图1 缺相保护控制电路

N′，N中性线内存在整流控制模式，使其存在三相四线控制的一种控制结构，如果系统正常运行，N′，N侧具备的电压是0，整流模块没有电压输出。如果三相异步电机电源缺相、触头接触不良、绕组一相或两相断开，N′位置的电压出现大幅度增加，继电器出现闭合状态，KV控制电路断开，同时电机停止运转。

在整流控制模块内部存在电阻R，调节继电器KV在动作之后的电压，因为定子三相绕组以及三相电源是无法实现堆成的，在整流装置 N′N中，因为电压是比较小，对R进行调节，则能够让继电器KV只是在有缺相出现后才能够工作，以此来保证系统工作的正常。若是电机具备较低的电压，或是具备过大的负载，则会造成定子出现过大的电流，热继电器KH开始运行，并且打开控制电路KH，此时接触器KM则失电，主触头KM断开，进而使电机运行停止。在运行过程中，电机若是出现突然断相，继电器KV则会将电机电源迅速切断，这就使得由于热继电器KH动作较为缓慢而造成的易烧毁问题得到解决。所以继电器KV，具备双重保护电机的功能，就多种电机连接模式，还可以选择不同的控制线路接线方式。如果固定好了电机连接模式，在接线盒处仅能够进行3个出线端口的引出，可以通过3个等容的电容连接成为Y形，固定到接线盒内部得到一个电容的中性点N′，如图2所示。

图2 接线盒出线端连接

利用整流装置来进行三相四线控制电路的构建，若是出现绕组断开或是电源断开情况，电容中性点就会发生偏移，N′N内部产生电压，继电器KV就会动作，电机停止运行，进而达到保护电机的目标。

4 结束语

现在很多的钻井平台运行的三相电机缺少断相保护设备，如果断相时间长的话容易造成电机毁坏，影响正常的生产活动，有必要对于异步电机加装保护装置。

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