三相异步电动机的故障及其保护

一、引言
电动机根据电磁感应原理将电能转换为机械能，广泛应用于驱动各类机械设备。三相异步电动机由于具有结构简单、价格低廉、工作可靠、坚固耐用、体积较小、使用维护方便等优点，因而被广泛采用。电动机在启动和运行中，由于各种原因，可能发生各种类型的故障，危及人身和设备安全。因此，对电动机的故障进行分析，并采取必要而有效的保护措施，就成为一项相当重要的工作了。
二、三相异步电动机的故障
电动机的故障大致可以分为机械故障与电磁故障两方面，这二者之间互有关联。如轴承损坏，引起电动机的过载，甚至堵转。而风叶损坏，使电动机绕组散热困难，温度提高，绝缘老化。电动机发生故障后，不同的故障类型，有不同的表现形式，主要有：异常声音、异常气味、电动机过热发烫或冒烟、电动机运行时振动过大、电动机轴承发热、绝缘电阻明显降低、电动机不能启动等。
1. 电动机的机械故障
电动机机械方面的故障有：堵转、扫膛、振动、轴承过热、损坏等故障。
(1) 异步电动机定、转子之间气隙很小，容易导致定、转子之间相碰。一般由于轴承严重超差及端盖内孔磨损或端盖止口与机座止口磨损变形，使机座、端盖、转子三者不同轴心引起扫膛。
(2) 振动应先区分是电动机本身引起的，还是传动装置不良所造成的，或者是机械负载端传递过来的，而后针对具体情况进行排除。属于电动机本身引起的振动，多数是由于转子动平衡不好，以及轴承不良，转轴弯曲，或端盖、机座、转子不同轴心，或者电动机安装地基不平，安装不到位，紧固件松动造成的。
(3) 如果轴承工作不正常，可凭经验用听觉及温度来判断。如果在轴承安装时不正确，配合公差太紧或太松，也都会引起轴承发热。
2. 电动机的电磁故障
(1) 电源电压过高或过低。电源电压偏高时，激磁电流增大，电动机会过分发热，过分的高电压会危机电动机的绝缘，使其有被击穿的危险。电源电压过低时，电磁转矩就会大大降低，如果负载转距没有减小，转子转数过低，这时转差率增大造成电动机过载而发热，长时间运行就会影响电动机的寿命。
(2) 三相电压不对称。当三相电压不对称时，即一相电压偏高或偏低时，会导致某相电流过大，电动机发热，同时转距减小会发出“翁嗡”声，时间长会损坏绕组。总之无论电压过高过低或三相电压不对称都会使电流增加，电动机发热而损坏电动机。
(3) 定子绕组单相接地。电动机绕组绝缘受到损坏，及绕组的导体和铁心、机壳之间相碰即为绕组接地。这时会造成该相绕组电流过大，局部受热，严重时会烧毁绕组。出现绕组接地多数是电动机受潮引起，有的是在环境恶劣时金属物或有害粉末粉尘进入电动机绕组内部造成。
(4) 定子绕组相间短路。绕组中相邻两条导线之间的绝缘损坏后，使两导体相碰，就称为绕组短路。发生在两相绕组之间的绕组短路称为相间短路。
(5) 定子绕组匝间短路。发生在同一相绕组中的绕组短路称为匝间短路。无论是匝间短路或相间短路，都会使得某一相或两相电流增加，引起局部发热，使绝缘老化，缩短电动机的使用寿命甚至损坏电动机。
(6) 缺（断）相运行。三相异部电动机在运行过程中，断一相电源线或断一相绕组就会形成缺相运行。如果轴上负载没有改变，则电动机处于严重过载状态，定子电流将达到额定值的1.5倍甚至更高，时间稍长电动机就会烧毁。据统计，在烧毁的电动机中，因缺相运行所占比重最大。电动机缺相大多是由于某相熔断器熔断或负荷线路断线引起的。绕组断路是指电动机的定子或转子绕组碰断或烧断造成的故障。定子绕组端部，各绕组元件的接头处及引出线附近。这些部位都露在电动机座壳外面导线容易碰断，接头处也会因焊接不实长期使用后松脱。
(7) 电动机过载。引起电动机过载的原因有：所带机械负荷过大；供电电压降低引起转速下降；缺（断）相运行；电动机启动时间过长等。电动机过负荷运行时由于电流增大，发热剧增，从而使其绕组绝缘受到损害，缩短了其使用寿命甚至被烧毁。
三、三相异步电动机的保护
1. 电流速断保护
电流速断保护：速断保护动作电流Ids整定值按下列两条计算原则中所得的最大值选定。
a．要求电流速断保护的动作电流Ids必须大于电动机满载启动时的起动电流Ieq
Ids＝KkIeq＝KkKqIe
式中：Ie——电动机的额定电流归算到机端电流互感器二次侧的值；
Kq——电动机起动系数，一般取4～7；
Kk——可靠系数，取1．2～1．3。
b．在电动机附近速断保护范围之外短路时，要求Ids大于次暂态短路电流。
2. 过电流保护
过电流保护，分为定时限过电流、热过载反时限过电流保护。
(1) 定时限过流保护：延时定值需躲过电机自启动时间。当电机启动时，在T＜Tstart时，启动电流小于保护定值，保护不动作；当T≥Tstart时，时间元件动作，保护的电流定值自动减小，若此时启动电流仍超过保护新定值（为原定值一半），保护动作跳闸。
(2) 热负载反时限过流保护：热过载反时限过流保护的动作方程如下：
T=τ/（Ieq/Ids）-1
式中：Ieq——电动机运行中三相电流中的最大值；
Ids——可整定的保护动作电流；
τ——可整定的发热时间常数（一般由制造厂提供）。 3. 过热保护
过热保护通过获得正序电流和负序电流的等效电流 来模拟电动机的热过程。其中：I1是电动机电流正序分量，I2是电动机电流负序分量，K1为正序分量系数，在电动机开始启动时可以设为0.5，这样可以使过热保护躲过巨大的电动机启动电流，在启动完成后为1。K2为负序电流系数，因负序电流产生的热效应远高于正序电流，所以一般取3～6之间。
4. 失压和欠压（低电压）保护
为了防止电动机在过低电压下起动和运行，以及电动机在运行中突然断电后又恢复供电时的自起动，一般均采用失压和欠压保护。交流接触器的电磁机构、断路器的失压脱扣器、自耦减压起动器的欠压器及电压继电器等都可起失压和欠压保护作用。当电源电压低到额定电压的60～70%，电磁铁会释放，失压脱扣器会动作而切断电源。
5. 缺相（断相）保护
电动机损坏，有很大一部分比例是由于断相运行造成的，而人们对断相运行给电机造成什么样的危害，应采取什么样的保护方式合适，至今尚没有比较一致的意见。很长一段时间比较普遍的观点认为；断相运行将导致电机绕组过热而损坏；认为利用温度传感器监视电动机绕组温升，是直接而且可靠的断相保护万案。
另一种观点认为电动机断相运行将导致断相瞬间在断相绕组两端产生高于额定电压数倍的反电势，极易使电机绕组间击穿而损坏。从电路原理上分析电感线圈断电后产生的反电势，结论是反电势很高。由于对断相运行给电机造成的危害认识不同，因此在对电机实行断相保护时产生了两种不同的意见：认为断相给电机造成过热损坏的观点要对电机实行过热保护或过流反时限特性保护，由此产生了热继电器方案、热敏电阻方案、断相过流延时保护方案以及其他一些方案；认为断相给电机绕组造成高压反电势击穿的观点，对断相采取瞬时动作保护方案，于是一些电子式保护器问世。
笔者认为断相瞬间在断相绕组两端产生高于额定电压数倍的反电势给电机造成的危害远大于过热给电机造成的危害，况且断相故障又不能自动排除，因此对电机的断相保护应瞬时动作保护而不是反时限特性保护和过热保护。电动机保护器应采用动作灵敏的电子式而不是动作缓慢的机电式。至于断相后延时几秒跳闸的做法是没有积极意义的。
6. 堵转保护
通常堵转保护整定值是躲不过电动机的巨大启动电流的，在启动时间Tstart内，堵转保护自动被闭锁。在启动时间Tstart后，因机械原因或过负荷电动机出现堵转故障，正序电流I1大于堵转定值I1tz，经整定延时堵转保护动作，跳开电动机电源回路的断路器 。
7. 不平衡保护
不平衡保护主要针对各种非接地性不对称故障，如：电动机发生某相断相时，负序分量的大小因故障前的负荷率而不同，负荷率大于0.7时，健全相才能引起过电流，因此常规保护不能有效保护不对称故障。在电动机正常运行时，由于供电电源的不对称，总存在一定的负序电流，该电流一般不会超过25%Is，负序保护的整定应能躲过此负序电流，即按0.3Is整定。动作时间特性有两种时限特性可选择，选择定时限和反时限，反时限动作方程为：
t2=T2/（I2/I2dz）
I2dz为整定定值，T2为整定时间
8. 纵联差动保护
《继电保护和安全自动装置技术规程》规定：2MW以上电动机，或2MW以下，但电流速断保护灵敏系数不符合要求的电动机，装设纵联差动保护。保护应动作于跳闸。
为防止电流互感器二次回路断线时引起差动保护的误动，电动机差动保护的动作电流应按照躲过电动机的额定电流整定。即为：
Ids=KkIe/n
式中 Kk——可靠系数，一般取1.2-1.3.
Ie—— 电动机的额定电流
n—— 差动保护电流互感器的变比。
四、对电动机保护的几点认识与体会
1. 对电动机的保护配置，应根据其容量、重要程度、电压等级、负载类型、使用环境等因素综合考虑。对于大容量电动机，由于其价格昂贵，维修所花费的资金比较多，其损坏后对正常的生产生活影响也比较大。因此在保护配置上，应力求保证电动机的安全。故对其的保护一般比较全面和复杂，通常由能够反应多种故障类型的保护装置互相配合而组成。对于中、小容量电动机，由于其价格不太贵，维修也比较简单容易，其损坏后对正常的生产生活影响也比较小。因此在保护配置上，主要考虑应简单、可靠、成本低廉。
2. 采用电流取样。 这样既可兼顾过流和断相保护的不同特点，又可充分反映不管哪里断相都要在供电线路电流上反映出来的事实；避免了其它取样方案的缺点和局限性。采用电压取样虽造价低廉，但只能保护电源到取样接入处之间的断相，保护不了取样接入处到电机之间的断相。采用中性点或人造中性点对零线电流或电压取样，由于单相负载的投入或切除，必然会使中性点电压或零线电流变化，这将使保护整定值难以确定。
3. 选用成熟可靠的电子式电动机保护器。在条件允许时，应考虑装设微机型电动机保护器。微机型保护器优点很多，是今后电动机保护器发展的必然方向。当前应逐步淘汰由热继电器、熔断器、电磁式电流继电器构成的电动机保护装置。因为其使用受环境温度影响大，稳定性差，并且定值整定粗糙，因而可靠性差，很难对电动机起到良好的保护作用。
4. 电动机保护器应具有较宽的电流适应范围。电动机空载电流约为额定电流的0．3倍，起动电流约为额定电流4—7倍。对于综合电动机保护 5. 电动机保护器对断相和过流应分别保护和控制，以免互相牵连，造成拒动或误动。确保断相起动时拒绝合问，运行断相时瞬时跳闸。虽然电动机断相运行时一般也伴随有过电流现象，但与一般的过电流又有很大的不同，而且断相运行对电动机的威胁也更大，因此对断相和过流应分别进行保护和控制。
6. 电动机保护器不使用供电电源。不使用供电电源，可使其通用于各类场合，并可防止电动机保护器一旦本身电源故障，将导致保护器处于失电状态，起不到保护作用
7. 对特殊应用场合的电动机，应根据具体情况合理配置其保护。规范规定，突然断电将导致比过载损失更大的电动机不拟配置过载保护。例如，消防类负荷，如果装设过载保护，一旦发生火灾，由于过载保护动作而使电动机停止运转，会使火灾不能及时扑灭，损失将更加惨重。如果消防类负荷不装设过载保护，可能会缩短电动机的使用寿命，甚至烧坏电动机，但却换来了人民群众的生命和财产安全。
五、结束语
电动机的保护是一个老话题，但是烧毁电动机情况的却并不少见，电动机无法启动及异常运行等情况就更为常见了。综上所述，做好电动机的日常检查和维护工作，根据其具体情况确定合理的保护配置方案，并选取稳定、成熟、可靠的电动机继电保护产品，是确保电动机安全运行的几个重要环节。 器应有从低到高至少20倍或30倍的电流容许范围，对于单一断相保护器，电流适应范围应更大。