摘要：介紹電動(dòng)機(jī)缺相保護(hù)與補(bǔ)相再運(yùn)行裝置，提出一種利用健全相電壓，根據(jù)磁耦合原理耦合出所缺相電壓補(bǔ)入電動(dòng)機(jī)使電動(dòng)機(jī)繼續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)的方法，對(duì)提高電力系統(tǒng)安全運(yùn)行水平具有重要作用。
　　
　　電力拖動(dòng)設(shè)備在電力系統(tǒng)中已得到廣泛應(yīng)用，且以小型三相異步電動(dòng)機(jī)為主，如斷路器儲(chǔ)能電機(jī)、主變壓器冷卻電機(jī)、隔離開關(guān)操動(dòng)電機(jī)、發(fā)電廠中的傳動(dòng)電機(jī)和伺服電機(jī)等。在現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行中這些電動(dòng)機(jī)損壞率較高，其原因有：（1）電動(dòng)機(jī)缺相運(yùn)行；（2）長(zhǎng)期過負(fù)荷運(yùn)轉(zhuǎn)；（3）運(yùn)行維護(hù)不利；（4）電動(dòng)機(jī)本身性能差。經(jīng)分析：工作電源及電動(dòng)機(jī)控制回路不可靠，造成電動(dòng)機(jī)缺相運(yùn)行是電動(dòng)機(jī)損壞的主要原因。因此，電動(dòng)機(jī)缺相保護(hù)已在相當(dāng)范圍內(nèi)得到運(yùn)用，同時(shí)，一些重要場(chǎng)合還采用雙電源環(huán)供的備用電源方式，有效防止了電動(dòng)機(jī)因某相電源故障而造成的缺相運(yùn)行，保證了電動(dòng)機(jī)在備用電源下繼續(xù)運(yùn)行。但在一些電動(dòng)機(jī)的控制回路中存在較多引起缺相的因素，如熔斷器斷絲、控制回路斷線、接觸器觸點(diǎn)接觸不良等。針對(duì)這些原因，電動(dòng)機(jī)缺相保護(hù)能可靠動(dòng)作，切斷其它2相電源使電動(dòng)機(jī)停止運(yùn)轉(zhuǎn)，使電動(dòng)機(jī)不受損壞。在普通場(chǎng)合電動(dòng)機(jī)缺相保護(hù)已能保護(hù)電動(dòng)機(jī)，但在一些特殊場(chǎng)合電動(dòng)機(jī)的停轉(zhuǎn)將危及系統(tǒng)運(yùn)行安全，如斷路器的儲(chǔ)能電動(dòng)機(jī)停轉(zhuǎn)后將使斷路器失去分合閘能量，事故時(shí)將造成斷路器拒動(dòng)。特別在無(wú)人值班變電站，當(dāng)儲(chǔ)能電動(dòng)機(jī)缺相停轉(zhuǎn)后因無(wú)法立即處理，將使斷路器長(zhǎng)時(shí)間處于閉鎖狀態(tài)，有可能使事故范圍擴(kuò)大甚至導(dǎo)致系統(tǒng)瓦解。本文介紹電動(dòng)機(jī)缺相保護(hù)與補(bǔ)相再運(yùn)行裝置，提出一種利用健全相電壓，根據(jù)磁耦合原理耦合出所缺相電壓補(bǔ)入電動(dòng)機(jī)使電動(dòng)機(jī)繼續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)的方法，對(duì)提高電力系統(tǒng)安全運(yùn)行水平具有重要作用。
　　
　　1基本原理
　　
　　實(shí)現(xiàn)電動(dòng)機(jī)缺相后補(bǔ)相再運(yùn)行可有2種方案：（1）自動(dòng)在電動(dòng)機(jī)輸入端投入備用電源；（2）自動(dòng)由健全的2相電壓耦合出所缺相電壓補(bǔ)入電動(dòng)機(jī)。第1種方案較易實(shí)現(xiàn)，但需要有雙路電源，同時(shí)，對(duì)電動(dòng)機(jī)控制回路引起的缺相無(wú)法正確投入工作，因此有一定的局限性；第2種方案雖然需要裂相裝置，但無(wú)須雙路電源，且能適用于各種原因引起的缺相故障，其原理如圖1所示。


　　
　　1．1工作電源
　　
　　工作電源采用三相整流電容分壓直穩(wěn)式電源，簡(jiǎn)單、可靠、經(jīng)濟(jì)。由于采用三相整流，所以在缺相后工作電源不會(huì)消失仍將在2相電源下繼續(xù)工作。工作電源輸出為+24V和+12V。+24V用于執(zhí)行繼電器驅(qū)動(dòng)，+12V用于邏輯電路。
　　
　　1．2缺相保護(hù)
　　
　　該部分由采樣、整形編碼、譯碼、延時(shí)、報(bào)警自鎖、執(zhí)行自保持6個(gè)單元組成；
　　
　　1．2．1采樣單元
　　
　　缺相保護(hù)通常采用不平衡電壓采樣原理，電壓采樣較易實(shí)現(xiàn)。但電壓采樣原理構(gòu)成的缺相保護(hù)對(duì)電動(dòng)機(jī)內(nèi)部的繞組斷線無(wú)法反映。同時(shí)，由于大多數(shù)電動(dòng)機(jī)缺相后仍在運(yùn)轉(zhuǎn)，缺相的繞組將繼續(xù)切割磁力線產(chǎn)生感應(yīng)電勢(shì)，該感應(yīng)電勢(shì)和所缺的電源相相位基本相同且幅值約為80％Ue。，使得三相不平衡電壓不明顯，因此，電壓采樣原理構(gòu)成的缺相保護(hù)靈敏度低，容易造成拒動(dòng)。為得到較可靠的缺相保護(hù)，采用電流采樣原理。雖然電流采樣實(shí)現(xiàn)復(fù)雜，需要電流互感器，但由于其不受所缺相感應(yīng)電勢(shì)影響，且能反映電動(dòng)機(jī)內(nèi)部斷線，因此靈敏度高，不易誤動(dòng)。
　　
　　1．2．2整形編碼單元
　　
　　經(jīng)電流互感器三相采樣輸出后，分別通過整流、電阻限幅、電容濾波后，送入三極管整形電路，整形輸出3個(gè)直流電位。若某一電位為高電平“1”，表示相對(duì)應(yīng)的相別缺相，低電平“0”表示該相別正常；若3個(gè)電位都為高電平“1”，則表示電動(dòng)機(jī)正常停轉(zhuǎn)；若3個(gè)電位都為低電平“0”，則表示電動(dòng)機(jī)正常運(yùn)轉(zhuǎn)。
　　
　　1．2．3譯碼單元
　　
　　將整形后的電位送人由集成電路構(gòu)成的譯碼單元，譯碼單元根據(jù)輸入電位的高低組合譯出缺相相別，如圖2所示。a、b、c為譯碼器輸入端，Y1、Y2、Y3為譯碼　　
　　器輸出端。Y1高電平表示缺相相別為A相，Y2高電平表示缺B相，Y3高電平表示缺C相。譯碼器真值見表1。　　1．2．4延時(shí)單元
　　
　　延時(shí)單元采用阻容充放電方式，簡(jiǎn)單易行。延時(shí)1是為防止電動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)接觸器觸點(diǎn)三相不同步及其它干擾而造成的誤動(dòng)作；延時(shí)2是為保證補(bǔ)相元件先于保護(hù)元件動(dòng)作，即在延時(shí)2的時(shí)間范圍內(nèi)，若補(bǔ)相成功則譯碼單元無(wú)輸出，延時(shí)1返回后延時(shí)2也返回，保護(hù)不動(dòng)作，若補(bǔ)相不成功則延時(shí)2時(shí)間到，保護(hù)動(dòng)作斷開接觸器。
　　
　　1．2．5報(bào)警自鎖單元
　　
　　該單元采用集成電路雙穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器，觸發(fā)電位來自延時(shí)單元的延時(shí)1，即無(wú)論補(bǔ)相是否成功都將發(fā)出缺相告警信息，同時(shí)就地顯示缺相相別。
　　
　　1．2．6執(zhí)行自保單元
　　
　　由于可控硅具有良好的自保持性能，所以執(zhí)行自保元件采用可控硅驅(qū)動(dòng)高內(nèi)阻小密封繼電器。采用高內(nèi)阻繼電器是為降低功耗，簡(jiǎn)化工作電源構(gòu)成。
　　
　　1.3自動(dòng)補(bǔ)相部分
　　
　　該部分由選相固定、補(bǔ)相邏輯、補(bǔ)相器3個(gè)單元組成，如圖3所示。
　　
　　1．3．1選相固定單元
　　
　　選相單元根據(jù)譯碼后延時(shí)1的輸出，選出缺相的相別，送入補(bǔ)相邏輯單元，并固定延時(shí)1的輸出結(jié)果直至整套裝置復(fù)歸。
　　
　　1．3．2補(bǔ)相邏輯單元
　　
　　該單元根據(jù)選相單元輸出的故障相別進(jìn)行邏輯判斷，得出應(yīng)輸入補(bǔ)相裝置的健全相電壓相別和應(yīng)斷開的故障相相別。自動(dòng)補(bǔ)相部分的動(dòng)作過程如下：若電動(dòng)機(jī)缺A相電壓，來自選相固定單元的觸點(diǎn)J1閉合，補(bǔ)相出口繼電器Ja動(dòng)作，常閉觸點(diǎn)Ja-5將故障的A相斷開，防止補(bǔ)相電源投入故障相后發(fā)生短路或出現(xiàn)過載現(xiàn)象。常閉觸點(diǎn)Ja-1、Ja-4分別閉鎖繼電器Jc，Jb，防止任意2繼電器同時(shí)動(dòng)作而造成短路。

　　
　　此時(shí)B相、C相的健全電壓通過常開觸點(diǎn)Ja-2、Ja-3，輸入補(bǔ)相器，補(bǔ)相器的輸出電壓通過常開觸點(diǎn)Ja-6加至電動(dòng)機(jī)的A相，自動(dòng)完成補(bǔ)相過程。觸點(diǎn)J2閉合表示缺B相電壓，觸點(diǎn)J3閉合表示缺C相電壓，補(bǔ)相過程同上。
　　
　　1．3．3補(bǔ)相器單元
　　
　　補(bǔ)相采用磁耦合原理，健全的2相電源借助電源中性線耦合出所缺相電壓。其原理接線如圖4所示。
　　
　　補(bǔ)相器由2個(gè)磁路完全獨(dú)立且大小相同的鐵心構(gòu)成一個(gè)特殊的變壓器，繞組L1，L2，L3匝數(shù)相同．繞向相同，L3跨繞2個(gè)鐵心。L1產(chǎn)生的磁通為Φ1，L2產(chǎn)生的磁通為Φ2，則穿過繞組L3的磁通和為Φl+Φ2。若在補(bǔ)相器l端子和2端子輸入的電壓幅值相同，相位相差120°，則Ll和L2產(chǎn)生的磁通Ф1和Ф2也幅值相同，相位相差120°。因此Ф1+Ф2的合成磁通應(yīng)該是Φl、Φ2的矢量和，如圖5（a）所示。假設(shè)電動(dòng)機(jī)發(fā)生缺相，缺相相別為A相，電壓向量圖如圖5（b）所示。　　在補(bǔ)相裝置1、2端子輸入U(xiǎn)b、Uc健全相電壓，Ub、Uc幅值相等，相位相差120°。因L1、L2匝數(shù)相等，所以Φl、Φ2大小相等，相位也相差120°。根據(jù)平行四邊形法則Ф1+Ф2的合成磁通的大小與Ф1，Ф2都相等，相位如圖5（a）所示。因L3與L1、L2的匝數(shù)相等，所以合成磁通在L3中產(chǎn)生的感應(yīng)電勢(shì)幅值應(yīng)與1、2端子輸入的Ub、Uc電壓幅值相等，相位與合成磁通方向相同，即如圖5（c）U3所示。
　　
　　如圖4所示，因?yàn)長(zhǎng)3繞組與L1、L2繞組反極性輸出，所以4端子輸出的電壓相位與U3反相即為-U3，向量圖如圖5（c）所示，可得出-U3與所缺相電壓Ua幅值相等，相位相同。—U3、Ub、Uc幅值相等，相位互差120°構(gòu)成三相對(duì)稱電源，可使電動(dòng)機(jī)繼續(xù)正常運(yùn)轉(zhuǎn)。
　　
　　1．3．4補(bǔ)相器的輸出容量
　　
　　鐵心的大小、繞組的匝數(shù)及線徑粗細(xì)與補(bǔ)相器的負(fù)載有關(guān)，即補(bǔ)相器的輸出容量與電動(dòng)機(jī)的功率有關(guān)，應(yīng)根據(jù)電動(dòng)機(jī)功率的大小選擇鐵心和線徑。
　　
　　由于補(bǔ)相器采用磁耦合原理，L3中的合成磁通是L1與L2產(chǎn)生磁通的矢量和，因此合成磁通的大小與單個(gè)鐵心中磁通相同，所以單個(gè)鐵心的工作效率是50％。若給功率為1.5kW的三相電動(dòng)機(jī)補(bǔ)相，按其所缺1／3功率應(yīng)補(bǔ)入0．5kW，則理想狀態(tài)下補(bǔ)相器應(yīng)由2個(gè)容量為0．5kW的鐵心構(gòu)成?？紤]到鐵心的損耗和補(bǔ)相器過載能力，應(yīng)適當(dāng)增加單個(gè)鐵心的容量。　　通過實(shí)驗(yàn)表明：?jiǎn)蝹€(gè)鐵心容量應(yīng)增加20％，即由2個(gè)容量為0．6kW的鐵心構(gòu)成補(bǔ)相器，給1．5kW的三相電動(dòng)機(jī)補(bǔ)相方能滿足輸出要求；若仍采用2個(gè)0．5kW的鐵心，則可通過適當(dāng)增加L3繞組的線徑降低輸出內(nèi)阻，增加L3組的匝數(shù)適當(dāng)提高輸出電壓，這樣也能滿足輸出要求。
　　
　　2現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用
　　
　　該裝置在斷路器儲(chǔ)能電動(dòng)機(jī)上的實(shí)際運(yùn)行情況表明，該自動(dòng)補(bǔ)相系統(tǒng)能正確與缺相保護(hù)配合，在各種缺相情況下都能正確、可靠地工作。該裝置不僅可在電力系統(tǒng)中廣泛運(yùn)用，而且也可廣泛應(yīng)用于民用工業(yè)領(lǐng)域。