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三相智能电动机缺相运行危害及防范措施

引言
   2020年5月10日,由于110kV变电站进线B相故障,引发系统谐振,造成站内110kVI段母线B相避雷器发生击穿故障,导致引流线断裂。线路重合闸成功后,110kV进线缺相,故变压器降压后的6(10)V电压缺相运行,造成多台电动机烧毁。
电动机缺相运行原因分析
 
电力系统缺相运行很少发生,具有潜伏期长、危害不明显等特点,处理不及时,经长期积累将造成大面积电气设备烧毁等事故发生。除电源本身缺相的原因外,电动机熔丝断、低压电源线断线、开关接触不良、连接导线的接头松动或断线等原因都会造成电动机缺相运行。
电动机缺相运行危害
电机缺相运行时磁场产生畸变,振动增大,声音异常;电流增大、温度升高、转速下降。缺相时电动机无法启动。
2.1定子缺相运行磁场变化情况
电动机正常运行气隙中产生均匀的圆形磁场,缺相运行后磁场发生畸变,变成三相谐波成分较高的椭圆形旋转磁场。由于定子线圈不会产生旋转磁场只会产生脉动磁场,无法带动电动机旋转,因为惯性电动机缺相后仍能运转,但由于大负荷使电动机旋转逐渐变慢,造成转子切割磁力线增多,定子电流逐渐增大,温升提高,时间长会烧毁电动机。电动机启动时缺相无启动转矩。
2.2定子缺相运行电流变化情况
 
2.2.1星型连接,见图1

1定子星型接法电机缺相运行等效电路
正常星型接法运行的定子,任一相绕组断线或电源断线,都形成另两相绕组反串联接在线电压Be下,每相绕组承担的电压为0.5Ue。
三相正常运行输入功率P e = 3 Be E cos , cos为常数,E为电机额定相电流。两相运行,负载功率有两相承担,若维持功率不变
E = 2 × 0.5Ue Pecos = Quebecois ,得到 E=3Ie 
正常星型接法的电动机缺相运行时电流会增大到三相正常运行的3倍,在短时间内不断电会破坏绝缘而烧毁电动机。
2.2.2三角形接法,见图2
 
三角形接法运行的定子,当一相电源断线时,电机定子形成两相绕组顺串联和第三相绕组并联接在电源单相线电压下。

2定子三角形接法缺相运行等效电路
 
支路2绕组电压不变,支路1两相绕组中每相绕组电压下降为额定线电压的一半。电动机正常进行时额定相电流IP =,额定线电流I1 == 3IP 。缺相后设支路2绕组相电流P, 支 路 1 电 流 为P /2, 额 定 功 率 为PN = ,,线.
根据分析可知在额定负荷下三角形接线的电动机在缺相运行时的线电流为额定线电流的3 倍 ,其中支路2相电流为额定相电流的2倍,更容易烧毁。支路1绕组相电流与正常相电流相等,长期运行将烧毁电动机。 

3 电动机缺相运行防范措施
3.1 低压电机过载保护及控制回路优化改造
3.1.1 过载保护
    加装热继电器进行过载保护, 过载电流通过热元件后,使有不同膨胀系数的双金属片发生形变,当形变达到一定距离时,就推动连杆动作,使控制电路断开,从而使接触器失电,主电路断开,实现电动机的过载保护。
3.1.2 优化电动机控制电路
优化电动机控制回路,见图3。启动时缺L1L2、L3任何一相,有线圈不吸合电机无法启动;运行时U、V、W相,造成主接触器线圈失电电机自动停机,实现永不缺相运行。

3电动机控制回路原理图
3.2高压电机自动保护装置
电动机微机综保装置主要用于10 V及以下电压等级的电动机保护,可以直接安装在高压开关柜上,实现高压电动机的各类保护。
3.2.1 过流保护
 
在微机综保系统投过流保护,按 1.2倍额定电流整定值,达到保护定值时反时限延时跳闸防止误动,保护电动机电流过大而损坏绝缘。
3.2.2 失压或欠压保护
高压电动机投失压和欠压保护,可以有效防止电动机在过低电压下启动或运行时烧毁,并且可以防止电动机在运行中突然断电后又恢复供电时的自启动。在电源电压降低过多(欠压),设置一定延时后,故障信号仍不消失时,保护装置动作,使电动机自动从电源上切除,达到保护电机安全的目的。
3.2.3 负序保护
电机缺相运行时定子旋转磁场严重不平衡,定子绕组会产生负序电流,负序磁场和转子发生电磁感应,会出现100 Hz的电动势,使转子电流剧增引起严重发热。在微机综保装置投负序保护,按照电动机负序过电流保护动作判据和整定计算方法算负序电流动作值和时间整定值,确保电动机在发生缺相时能可靠切除,防止烧毁事件发生。


3.3防范措施
在平时的维护保养中要加强运行中的监视和检查。对电动机定期进行点巡检,发现电动机声音、振动或者温度异常及时上报,尽快将设备停下来查明原因;电动机长期未启动前先遥测绝缘,绝缘合格后再行启动,阴雨天尽量不要启动设备;定期检查接电动机线盒,防止引流线烧断引发短路。
4 安科瑞ARD系列智能电动机保护器介绍与综合选型
4.1产品简介
ARD该系列低压电动机保护器,具有过载、断相、不平衡、欠载、接地/漏电、堵转等保护功能。可与接触器、电动机起动器等电器元件构成电动机控制保护单元,具有远程自动控制、现场直接控制、面板指示、信号报警、现场总线通信等功能。应用范围:可广泛应用于煤矿、石化、冶炼、电力、建筑等行业的配电领域。
4.2产品选型
产品功能



说明:√”表示具备“■”表示可选
5结束语
电动机因缺相运行造成温度升高使绝缘损坏故障发生的比例较大,因此对电动机缺相运行的研究需要加强和重视。根据电动机的实际情况,通过对低压电动机加装热继电器、优化控制回路等方式实现电动机永不缺相启动运行;为高压电动机配备微机综保装置,投入过流、过负荷低压欠压、负序保护,达到设定目标值而可靠动作;同时要加强运行中的监视和检查。
【参考文献】
[1]任士荣. 电动机缺相运行危害及防范措施[J].冶金动力,2021(1):251.
[2]安科瑞企业微电网设计与应用手册.2020.06版.

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