智能三相電網缺相保護器工作原理及研制

陳利波

（中鐵大橋局集團第四工程有限公司，江蘇南京 350217）

智能三相電網缺相保護器工作原理及研制

陳利波

（中鐵大橋局集團第四工程有限公司，江蘇南京 350217）

智能三相電網缺相保護器，是一種通過檢測和分析三相電網內部多種電量后確定出更加科學的負載缺相保護參考數據的裝置。智能三相電網缺相保護器的研發背景、工作原理及保護器研制方法的探討。

智能三相電網；缺相保護器；工作原理

10.16621/j.cnki.issn1001-0599.2017.05.44

0 前言

現代化工業生產過程中，由于工作需要，三相電機的運行環境比較特殊，一般來說工作空間溫度很高，各種雜灰塵土也比較多，對三相電機的正常運作造成影響，極易發生短路和斷相等各種現象。為了能使三相電機正常運行，就需要定時進行檢查進行電機維護并安裝電機保護器。在三相電網缺相保護器實際應用過程中，大部分廠家使用的缺相保護器在產生缺相情況時達不到保護效果。為解決這一問題，在現有缺相保護系統的基礎上設計出智能三相電網缺相保護器，該保護器工作穩定、靈敏度高。

1 智能三相電網缺相保護器研發背景

三相電網缺相保護器正常運行電路見圖1。在缺相保護器A/B/C的3個檢測端子分別接入三相電源，缺相保護器內部的檢測電路會自動判斷電壓情況，當三相電源電壓處于正常狀態時，即意味著電源電壓正常工作，沒有超過使用標準，這時內部繼電器開始運行，為整個回路提供1常開1常閉的輔助接觸點，這個輔助觸點接入控制回路中進行控制，電機開始啟動[2]。若是有任何缺相的情況出現時，通過反饋作用能使缺相保護器內部檢測到電源電壓的異常現象，再控制內部繼電器輔助觸點就能禁止電機的啟動，這在電源電壓有意外狀況發生的情況下起到保護電機的作用。

圖1 缺相保護器正常運行情況

（1）失效案例1。如圖1所示，在三相電機正常運行中，如果某一相有缺相情況出現，由于電源還在接通狀態所以電機仍然繼續運行。電機在運行時在缺相端會有反電動勢產生，經過多個環節后將結果輸出到缺相保護器 A/B/C，在正常情況下電壓維持300 V以上不變。這個數據是電源電壓在電機正常運行時的正常數據，因此缺相保護器就會誤判其正常無異，但持續正常運轉中內部電器繼續輸出，三相電機依舊運轉，這種現象對電機危害非常大，甚至致使電機繞組燒毀。按圖1進行測試，在1.5 kW三相電機正常運行中斷開電源L1相并測缺相保護器A/B/C端電壓，測得結果如表1所示，從表中可以看出，電源雖然缺失了L1相，但各相間的電壓值依舊居高不下，缺相保護器判斷失誤，繼電器繼續根據以往的情況正常輸出，各部分各環節都照常進行，在缺相狀態下電機仍然持續運轉，在這種情況下缺相保護器的并沒有起到任何作用，只是一個多余的存在。

（2）失效案例2。很多時候負載電源線使用的是電纜并行敷設，電纜線芯間平行排列，而且距離比較長，在缺相時會出現這樣的情況，即使線芯沒有帶電，但還是會有相應的感應電壓產生，而且感應電壓的大小和電纜長度與電流有關，電纜越長，電流越大，其感應電壓就會越高，這也就是所謂的電容效應，根據這個理論可以進行驗證。使用 50 mm2電源線接入一個空調負載，對單芯線進行走線，并把它們纏繞起來，纏繞長度為 10 m，在停機時為電源分別接入缺 L1，L2，L3相的缺相保護器，并在負載端分別測量三相電壓的數據記錄下來，結果如表1所示。可以看出在電源缺L1相時電壓值沒有下降，即缺相保護器誤斷正常，內部繼電器持續正常輸出，設備正常啟動，缺相保護器沒有起作用。

表1 負載端測量三相電壓數據

2 智能三相電網缺相保護器工作原理

多次實驗證明在負載運行中一旦有不正常因素出現時會對電網正常運行造成影響，突生故障能引起電流的改變，電網的運行會隨之改變，因此只要能正確掌握電流的變化趨勢，就能分析出電網的運行狀況。系統為了對三相電網運行過程中各個參數進行檢測和保護，將通過電流互感器實時采集三相電網中的各相電流，再通過電網計算法算出電網運行中各項參數，以此監測電網中的功率參數和不平衡度。

系統的各個部分都有不同的功能作用，若是按照功能特點進行分類，系統大體可分為控制輸出、信號采集和數據處理3大模塊。為了對三相電網運行情況做到實時跟蹤監測，系統的控制核心為ARM7芯片，電源也是mA級別的，而不是電網中的強電流信號。因此，系統在電流采集模塊上選用電流互感器，用電流互感器轉換提取電網上的電流信號，這個過程中產生的電流不但能對整套檢測系統供電，還能進行實時檢測[3]。

在設計電流采集模塊時，系統針對電網信號的采集選用LPC2103芯片內部10位A.D采集模塊，這在原有的基礎中簡化了系統結構，也降低了系統本身對電網中各項運行參數的影響。控制模塊是提供信號的存在，可以通過單片機小信號的輸出，為后續負載動作提供驅動信號，直接控制系統的持續輸出和正常運行，具體的工作原理如圖2所示。

圖2 系統工作原理

3 智能三相電網缺相保護器研制

3.1 硬件設計

由于本系統在硬件設計方面有特別的要求，ARM7在各方面都適合本系統的功能條件，選此作為缺相保護器的控制核心，除此之外，系統芯片的外部電路包括多個單元，主要有電源控制、報警電路和電流轉化器等。本系統的供電方式是利用開關三極管和二極管整流電路搭建穩壓電路，用開關三極管搭建三極管開關電路，再利用場效應管的放大作用，以及開關三極管對單片機的輸出信號進行放大，直至輸出24 V，30 mA控制信號的最終實現。

3.2 電源電路

系統中的交流信號是由電流互感器經過一系列轉化成電信號實現的，在電流采集系統之后加上二極管整流系統，再將轉化后的電流并聯在一起，就提供了整套系統的供電需求。輸入功率過高的時候容易損壞芯片，因此本系統在電源后方增加了可調負載，避免了芯片損壞的情況。為了控制整套系統的工作電壓，本系統通過控制額外負載 R12的開啟與關閉，將24 V穩壓管三極管與三極管結合起來，實現控制電壓的目的[4]。一旦電壓超過 24 V時，三極管極和發射極在穩壓管導通的情況下發生壓差，增加系統的功耗，從而達到輸出電壓降低的最終目的。

3.3 采集電路

測量系統在電網運行過程中容易燒損，因此將電網中的電流信號轉換為微小的可采集的信號，就可以保護系統的安全。在采樣時要選取合適的電阻進行采樣，對于采集到的交流信號，就可以使用測量信號檢測三相電網工作情況。

3.4 控制電路

為了實現小信號控制大信號的要求，可以利用三極管疊加放大原理測量各個測量點的運行情況，控制芯片的信號輸出要保證三相電源不缺相與三相電網不平衡度＜2%，這也是重要的判斷依據。控制繼電器吸合時，可以控制后續三極管與場效應管的動作來控制回路輸出電信號，從而分析判斷測量端口是否是零，三相電網線路的運行狀況就能了如指掌。系統在正常工作時，單片機沒有輸出，繼電器輸出也隨之斷開。

4 結論

三相電網缺相保護系統對電機的使用壽命有重要影響，是研究的重要方向。三相電網的智能化能減少電機檢測和維護電機成本，也可提高電網檢測的便攜能力。系統對于單片機的三相電網缺相通過長時間的穩定性測試和壓力測試，在實際應用中都可使用，穩定性和安全性都有保障，避免了各種不必要的損失。

［1］徐植堅，羅旗舞，羅志坤，黎福海.基于SOPC的三相電參數采集系統設計［J］.計算機工程，2011（19）：224-226.

［2］姜華，王金波.三相電動機缺相保護實用方法［J］.煤礦機械，2006（8）：154-156.

［3］徐園，靳根，王希濤，等.ARM與AD7656-1的多通道數據采集系統設計［J］.核電子學與探測技術，2012（8）：914-917.

［4］強志宏.記憶型缺相指示電路［J］.電氣自動化，1996（6）：55-57.

TM7

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〔編輯 利 文〕