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(wǎng)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(wǎng)缺相保護器，是一種通過檢測和分析三相電網(wǎng)內(nèi)部多種電量后確定出更加科學的負載缺相保護參考數(shù)據(jù)的裝置。智能三相電網(wǎng)缺相保護器的研發(fā)背景、工作原理及保護器研制方法的探討。

智能三相電網(wǎng)；缺相保護器；工作原理

10.16621/j.cnki.issn1001-0599.2017.05.44

0 前言

現(xiàn)代化工業(yè)生產(chǎn)過程中，由于工作需要，三相電機的運行環(huán)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(fā)生短路和斷相等各種現(xiàn)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(wǎng)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(chǎn)生缺相情況時達不到保護效果。為解決這一問題，在現(xiàn)有缺相保護系統(tǒng)的基礎上設計出智能三相電網(wǎng)缺相保護器，該保護器工作穩(wěn)定、靈敏度高。

1 智能三相電網(wǎng)缺相保護器研發(fā)背景

三相電網(wǎng)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(nèi)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(tài)時，即意味著電源電壓正常工作，沒有超過使用標準，這時內(nèi)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(xiàn)時，通過反饋作用能使缺相保護器內(nèi)部檢測到電源電壓的異?，F(xiàn)象，再控制內(nèi)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(fā)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(xiàn)，由于電源還在接通狀態(tài)所以電機仍然繼續(xù)運行。電機在運行時在缺相端會有反電動勢產(chǎn)生，經(jīng)過多個環(huán)節(jié)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(shù)據(jù)是電源電壓在電機正常運行時的正常數(shù)據(jù)，因此缺相保護器就會誤判其正常無異，但持續(xù)正常運轉中內(nèi)部電器繼續(xù)輸出，三相電機依舊運轉，這種現(xiàn)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(xù)根據(jù)以往的情況正常輸出，各部分各環(huán)節(jié)都照常進行，在缺相狀態(tài)下電機仍然持續(xù)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(xiàn)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(chǎn)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(jù)這個理論可以進行驗證。使用 50 mm2電源線接入一個空調(diào)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(shù)據(jù)記錄下來，結果如表1所示?？梢钥闯鲈陔娫慈盠1相時電壓值沒有下降，即缺相保護器誤斷正常，內(nèi)部繼電器持續(xù)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(shù)據(jù)

2 智能三相電網(wǎng)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(xiàn)時會對電網(wǎng)正常運行造成影響，突生故障能引起電流的改變，電網(wǎng)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(wǎng)的運行狀況。系統(tǒng)為了對三相電網(wǎng)運行過程中各個參數(shù)進行檢測和保護，將通過電流互感器實時采集三相電網(wǎng)中的各相電流，再通過電網(wǎng)計算法算出電網(wǎng)運行中各項參數(shù)，以此監(jiān)測電網(wǎng)中的功率參數(shù)和不平衡度。

系統(tǒng)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(tǒng)大體可分為控制輸出、信號采集和數(shù)據(jù)處理3大模塊。為了對三相電網(wǎng)運行情況做到實時跟蹤監(jiān)測，系統(tǒng)的控制核心為ARM7芯片，電源也是mA級別的，而不是電網(wǎng)中的強電流信號。因此，系統(tǒng)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(wǎng)上的電流信號，這個過程中產(chǎn)生的電流不但能對整套檢測系統(tǒng)供電，還能進行實時檢測[3]。

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

圖2 系統(tǒng)工作原理

3 智能三相電網(wǎng)缺相保護器研制

3.1 硬件設計

由于本系統(tǒng)在硬件設計方面有特別的要求，ARM7在各方面都適合本系統(tǒng)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(tǒng)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(tǒng)的供電方式是利用開關三極管和二極管整流電路搭建穩(wěn)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(xiàn)。

3.2 電源電路

系統(tǒng)中的交流信號是由電流互感器經(jīng)過一系列轉化成電信號實現(xiàn)的，在電流采集系統(tǒng)之后加上二極管整流系統(tǒng)，再將轉化后的電流并聯(lián)在一起，就提供了整套系統(tǒng)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(tǒng)在電源后方增加了可調(diào)負載，避免了芯片損壞的情況。為了控制整套系統(tǒng)的工作電壓，本系統(tǒng)通過控制額外負載 R12的開啟與關閉，將24 V穩(wěn)壓管三極管與三極管結合起來，實現(xiàn)控制電壓的目的[4]。一旦電壓超過 24 V時，三極管極和發(fā)射極在穩(wěn)壓管導通的情況下發(fā)生壓差，增加系統(tǒng)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(tǒng)在電網(wǎng)運行過程中容易燒損，因此將電網(wǎng)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(tǒng)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(wǎng)工作情況。

3.4 控制電路

為了實現(xiàn)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(wǎng)不平衡度＜2%，這也是重要的判斷依據(jù)?？刂评^電器吸合時，可以控制后續(xù)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(wǎng)線路的運行狀況就能了如指掌。系統(tǒng)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(wǎng)缺相保護系統(tǒng)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(wǎng)的智能化能減少電機檢測和維護電機成本，也可提高電網(wǎng)檢測的便攜能力。系統(tǒng)對于單片機的三相電網(wǎng)缺相通過長時間的穩(wěn)定性測試和壓力測試，在實際應用中都可使用，穩(wěn)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(shù)采集系統(tǒng)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(shù)據(jù)采集系統(tǒng)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.

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〔編輯 利 文〕