一起三相异步电动机缺相问题的分析

孔凡华，陈小威，尚艳菲，赵旭彤，游艺

（1.福建福清核电有限公司，福建福州 350318；2.济南供电公司，山东济南 250012）

三相异步电动机被广泛应用在工农业生产、国防及交通运输等国民经济的各个领域，在三相异步电动机运行过程中，由于过载、短路、接地、缺相等原因而损坏，因此在电动机的配电回路中加入了各种保护装置来保护电机[1-3]。如果三相异步电动机在运行过程中，由于熔丝烧断、接触器故障、端子虚接等，造成其中一相缺失，称为缺相[4-6]。电动机缺相后，停运的电动机将无法正常启动，正在运转的电动机会发出异响，并逐渐减速。若长时间缺相运行则会造成电动机绕组烧毁，影响生产，甚至造成事故[8-9]。

本文通过对我厂一起电机绕组烧毁事故进行深入分析，给出了解决缺相问题的方法。并通过试验验证了该方案的可靠性，对电动机提供有效的缺相保护。

1 事故起因

我厂运行人员在现场进行风机启动试验，进行电动机启动操作，由于之前已启动过该电动机，因此未进行点动试验。现场发现电动机启动一段时间后转速开始下降，并伴随嗡嗡声，发现此状况后立即停运电动机。由于现场人员缺乏经验，对电动机再次启动，发现电动机已无法启动，且现场闻到一股烧焦的味道。后经电机专业人员对电动机进行解体，发现电动机内部绕组已烧毁。排查原因，确定是由于电动机接线盒内的端子松动导致电机缺相，进而造成以上事故。

电动机的配电回路中已设置了保护装置，为何一直到电机烧毁保护仍未动作？本文就从理论方面给出解释，并对我厂电动机配电回路进行改进，确定了理论的正确性。

2 缺相运行工况电动机电流变化的分析

2.1 Y接法电动机

Y接法电动机示意图见图1。Y接法电动机缺相后分析示意图见图2。

图1 Y接法电动机示意图Fig.1 The Y connection motor

图2 Y接法电动机缺相后分析示意图Fig.2 The Y connection open-phase motor

定子绕组一相缺相：假设缺相绕组为B相。

未发生缺相事故时，电动机正常运转，各绕组中的电流情况为

各相绕组电源进线的电流分别为

式（1），（2）中，IN为电机稳定运行时的电流，即额定电流；IAN为A相绕组电流；IBN为B相绕组电流；ICN为C相绕组电流。

发生缺相事故后，A、C两相绕组串联后接在A、C两相电源之间，其两端承受的电压为UAC，每相绕组上分担的电压为0.5UAC，即为0.5UL。根据三相交流电动机功率计算公式（3）：

假设缺相后，电机仍然持续运行，且负载不变，功率因数不变，电动机输出功率也不变。设缺相后A、C两相绕组中通过的电流为IAN=ICN=IAC，根据公式

从而得出：

各绕组中的电流情况为

各相绕组电源进线的电流分别为

式（3）—（6）中，UL为三相交流电源的线电压；cos φ为电动机功率因数；UAC为电源A、C相间电压；IAC为A、C相绕组电流。

带有某一负载的电动机运行中，突然缺相运行时，转速会稍微下降，轴负载功率由两相绕组承担，缺相运行电流增大，此时电机往往工作于过负载状态，电流甚至可达倍的额定电流，或者更大，足以导致电机绕组由于过电流发热而烧毁。

我们知道，导致电动机烧毁的主要原因是绕组中通过的电流发热过大而导致绕组间的绝缘损坏，从而导致电机烧毁，若是能保证电动机的电流不超过额定电流，那么电机即使缺相，也可以保证持续运行一段时间。

如果要保证电动机A、C绕组不至于烧毁，那么要保证电流不超过额定电流，则此时电动机输出功率为

2.2 Δ接法电动机

Δ接法电动机的缺相问题，要分为两种情况进行讨论：绕组内部线圈发生断路现象，即绕组内部线圈发生缺相；电动机电源进线一相断路，即电源进线缺相。

2.2.1 绕组内部线圈发生缺相

在绕组内部线圈发生断路前，如图3所示，电机正常运行，其各绕组电流情况为

式（8）中，IAB为AB绕组电流；IBC为BC绕组电流；IAC为AC绕组电流。

图3 Δ接法电动机示意图Fig.3 The Δ connection motor （the inner winding open）

各相绕组电源进线的电流分别为

式（9）中，IA为电源A相电流；IB为电源B相电流；IC为电源C相电流。

发生缺相事故后，如图4所示，AB绕组、AC绕组两端承受的电压分别为UAB、UAC。

图4 Δ接法电动机内部线圈缺相后分析示意图Fig.4 The Δ connection open-phase motor （the inner winding open）

假设缺相后，电机仍然持续运行，且负载不变，功率因数不变，电动机输出功率也不变。根据公式

式中，UAB为电源A、B相间电压；IAB前为AB绕组缺相前运行电流；IAB后为AB绕组缺相后故障电流；IBC后为BC绕组缺相后故障电流；IAC后为AC绕组缺相后故障电流。

从而得出：

各绕组中的电流情况为：各相绕组电源进线的电流分别为

从以上分析中可以看出，发生缺相事故后，电动机非故障的两组绕组电流变为原来的1.5倍，故障绕组中电流为0。实际运行中，缺相运行时，转速会稍微下降，轴负载功率由两相绕组承担，此时电动机往往工作于过负载状态，电流甚至可达1.5倍的额定电流，或者更大，足以导致电机绕组由于过电流发热而烧毁。

2.2.2 电动机电源进线缺相

Δ接法电动机示意图见图5。电动机正常运行时的情况上面已经描述清楚，不再赘述。

图5 Δ接法电动机示意图Fig.5 The Δ connection motor （the B phase power loss）

发生电动机电源进线缺相事故后，如图6所示，AC绕组两端承受的电压为UAC，AB绕组、BC绕组串联后接在AC两端，其每相绕组上分担的电压为0.5UAC，即为0.5UL。

假设缺相后，电机仍然持续运行，且负载不变，功率因数不变，电动机输出功率也不变。根据公式

图6 Δ接法电动机电源进线缺相后分析示意图Fig.6 The Δ connection open-phase motor （the B phase power loss）

从而得出：

各绕组中的电流情况为

从以上分析中可以看出，发生缺相事故后，电动机三相绕组中有一相绕组的电流变为原来的2倍，另外两相电流保持不变。实际运行中，缺相运行时，转速会稍微下降，绕组电流变大的一相肯定会由于过电流而首先烧坏。各相绕组电源进线的电流分别为

3 配电回路保护装置的动作分析

电动机启动历史记录见表1，电动机技术参数见表2。由于我厂电机为通风系统风机的配套电机，在调试阶段并未带额定载荷，因此其运行电流也未达到额定电流。

表1 电动机启动历史记录Tab.1 Record of the motor starting

表2 电动机技术参数Tab.2 Motor parameters

其配电回路见图7。

图7 电动机配电回路图Fig.7 The power distribution circuit diagram of the motor

发生缺相后，电动机保护装置动作情况：

1）熔断器：熔断器动作特性见表3。熔断器设置是为了实现电动机的短路保护，001FU型号:NH00-160A，aM。

表3 熔断器动作特性Tab.3 Fuser operating characteristics

2）热继电器：热继电器的设置是为了实现过负载及过电流保护，其选型为主回路电流经电流互感器001TI（KORC 145/4S）后送至热继电器001XS型号:TA25DU4。

缺相运行时，电源进线的电流必须达到热继电器的动作值，并经过一定时间的积累，才能使热继电器动作。在本试验中，缺相后电动机约在1.4IN的工况下运行，未等到热继电器动作，电动机已烧毁，之后再停运电动机为时已晚。

表4 热继电器动作特性Tab.4 Thermal relay characteristics

3）剩余电流保护继电器：002XI，剩余电流保护继电器的设置是为了实现电动机漏电情况下的保护。在本试验中，电动机缺相时，未发生漏电情况，只是发生了“过电流”——也就是过载的情况，保护不会动作。

4 电动机缺相问题解决

电动机缺相后，会对电动机造成很大的影响，具体表现在以下方面：

1）启动前缺一相的话：不能启动、有杂音、电流大、发热；

2）电动机电流表指示高出正常值或为零；

3）电动机本体及线圈温度升高；

4）电动机振动增大，声音异常；

5）电动机转速下降；

6）电动机所带负荷出力不足。

因此，必须对电动机装设缺相保护装置，才能在缺相时及时停运电动机，避免造成财产损失，减少安全事故。

针对当前电动机配电回路中的保护未动作的情况，经过讨论，决定使用LM210系列微机电动机保护监控装置对该电动机重新进行试验，以验证加入缺相保护装置后，能否实现对电动机的缺相保护。

LM210系列微机电动机保护监控装置是适用于交流50 Hz、380 V系统电动机馈线终端的智能化综合保护装置，对电动机在启动和运行中发生的过载、启动超时、缺相、电流不平衡、堵转、单相接地、欠电流、反相序、TE时间等予以保护，广泛用于石化、钢铁、电力、纺织、机械等企事业单位。

试验中使用三个单相断路器来代替原来的三相断路器，试验电路如图8所示。

试验中，在电动机启动后一段时间，使用断路器的跳闸按钮“TRIP”使其中一相缺相，缺相后电动机立即停止运行。LM210可以实现对电动机的缺相保护，原有电动机配电线路无法实现缺相保护功能。

为了实现电动机的缺相保护，目前常用以下3种方法实现，在实际使用中，可以根据需求选择其中一种进行保护：

图8 增加缺相保护电动机试验图Fig.8 Motor testing diagram with the phase protection

1）增设监视三相电压的继电器，继电器的触点接入电动机的配电回路中，当缺相后，监测缺相电压的继电器触点动作，从而切断电源，使电动机停运。

2）使用专门的缺相保护继电器，原理与第一种差不多，可以简化接线，减少占用控制柜的空间。

3）使用电动机智能保护器：体积小、功能多，不只有缺相保护，还可以有速断保护、过流保护、启动时间过长保护、不平衡电流保护等。

5 结论

电动机发生缺相时，配电回路中出现了过电流的情况，但这种过电流并不能引起保护装置的动作。电动机长时间过电流运行，最终导致电机内部绕组线圈由于发热过大而烧毁。仅仅依靠熔断器、热继电器、剩余电流保护继电器难以满足缺相工况下对电机的保护，因此必须在电动机的配电回路中配置专门的缺相保护装置，才能在出现缺相情况时，提供保护，防止电动机的损坏。我厂电动机在增加了缺相保护装置后，电动机再未发生由于缺相而烧毁，达到了很好的效果。

[1] 邱关源.电路第五版[M].北京:高等教育出版社，2006.

[2] 张广溢，郭前岗.电机学[M].重庆:重庆大学出版社，2004.

[3] 朱奇山.浅析三相异步电动机的缺相保护[J].科技信息，2012（9）:121-122.ZHU Qishan.Analysis on the protection of defect running for the three phase motor[J].Science&Technology Information，2012（9）:121-122.

[4] 曲晓晖，郭欣平.三相交流电动机缺相运行及相关保护配置分析[J].科技视界，2012（30）:275-276.QU Xiaohui，GUO Xinping.Lack of phase operation and protection of three-phase AC motor configuration analysis[J].Science&Technology Vision，2012（30）:275-276.

[5] 王涛.一般三相异步电动机驱动离心式水泵系统调速节能的调速范围探讨[J].西北水电，1997（2）:34-35，45.WANG Tao.Investigation of the three-phase asynchronous motor speed control system of centrifugal pump[J].Northwest Water Power，1997（2）:34-35，45.

[6] 王楠，郭德生，史培甫.三相异步电动机负载率测试技术研究与探讨[J].节能，2012，31（2）:26-29.WANG Nan，GUO Desheng，SHI Peifu.Research and discussion of the three-phase asynchronous motor load rate testing technology[J].Energy Conservation，2012，31（2）:26-29.

[7] 陈启秀，范建兴.智能电机节电系统的原理和实现[J].能源工程，2000（6）:38-40.CHEN Qixiu，FAN Jianxing.Principles and implementation methods of smart motor saving system[J].Energy Engineering，2000（6）:38-40.

[8] 赵亮，张应亮，杨国清，等.基于DSP的电机磁控式智能软起动研究[J].电网与清洁能源，2009，25（1）:78-81.ZHAO Liang，ZHANG Yingliang，YANG Guoqing，et al.Research on magnetically controllable reactor soft-start for motor based on DSP[J].Power System and Clean Energy，2009，25（1）:78-81.

[9] 曹勇.电动机轴承故障分析及改进[J].西北电力技术，2004（5）:78-79.CAO Yong.Analysis and improvement of motor bearing failures[J].Northwest China Electric Power，2004（5）:78-79.