智能三相电网缺相保护器工作原理及研制

2018-01-02陈利波

设备管理与维修 2017年5期

关键词：缺相保护器三相

陈利波

（中铁大桥局集团第四工程有限公司，江苏南京 350217）

智能三相电网缺相保护器工作原理及研制

陈利波

（中铁大桥局集团第四工程有限公司，江苏南京 350217）

智能三相电网缺相保护器，是一种通过检测和分析三相电网内部多种电量后确定出更加科学的负载缺相保护参考数据的装置。智能三相电网缺相保护器的研发背景、工作原理及保护器研制方法的探讨。

智能三相电网；缺相保护器；工作原理

10.16621/j.cnki.issn1001-0599.2017.05.44

0 前言

现代化工业生产过程中，由于工作需要，三相电机的运行环境比较特殊，一般来说工作空间温度很高，各种杂灰尘土也比较多，对三相电机的正常运作造成影响，极易发生短路和断相等各种现象。为了能使三相电机正常运行，就需要定时进行检查进行电机维护并安装电机保护器。在三相电网缺相保护器实际应用过程中，大部分厂家使用的缺相保护器在产生缺相情况时达不到保护效果。为解决这一问题，在现有缺相保护系统的基础上设计出智能三相电网缺相保护器，该保护器工作稳定、灵敏度高。

1 智能三相电网缺相保护器研发背景

三相电网缺相保护器正常运行电路见图1。在缺相保护器A/B/C的3个检测端子分别接入三相电源，缺相保护器内部的检测电路会自动判断电压情况，当三相电源电压处于正常状态时，即意味着电源电压正常工作，没有超过使用标准，这时内部继电器开始运行，为整个回路提供1常开1常闭的辅助接触点，这个辅助触点接入控制回路中进行控制，电机开始启动[2]。若是有任何缺相的情况出现时，通过反馈作用能使缺相保护器内部检测到电源电压的异常现象，再控制内部继电器辅助触点就能禁止电机的启动，这在电源电压有意外状况发生的情况下起到保护电机的作用。

图1 缺相保护器正常运行情况

（1）失效案例1。如图1所示，在三相电机正常运行中，如果某一相有缺相情况出现，由于电源还在接通状态所以电机仍然继续运行。电机在运行时在缺相端会有反电动势产生，经过多个环节后将结果输出到缺相保护器 A/B/C，在正常情况下电压维持300 V以上不变。这个数据是电源电压在电机正常运行时的正常数据，因此缺相保护器就会误判其正常无异，但持续正常运转中内部电器继续输出，三相电机依旧运转，这种现象对电机危害非常大，甚至致使电机绕组烧毁。按图1进行测试，在1.5 kW三相电机正常运行中断开电源L1相并测缺相保护器A/B/C端电压，测得结果如表1所示，从表中可以看出，电源虽然缺失了L1相，但各相间的电压值依旧居高不下，缺相保护器判断失误，继电器继续根据以往的情况正常输出，各部分各环节都照常进行，在缺相状态下电机仍然持续运转，在这种情况下缺相保护器的并没有起到任何作用，只是一个多余的存在。

（2）失效案例2。很多时候负载电源线使用的是电缆并行敷设，电缆线芯间平行排列，而且距离比较长，在缺相时会出现这样的情况，即使线芯没有带电，但还是会有相应的感应电压产生，而且感应电压的大小和电缆长度与电流有关，电缆越长，电流越大，其感应电压就会越高，这也就是所谓的电容效应，根据这个理论可以进行验证。使用 50 mm2电源线接入一个空调负载，对单芯线进行走线，并把它们缠绕起来，缠绕长度为 10 m，在停机时为电源分别接入缺 L1，L2，L3相的缺相保护器，并在负载端分别测量三相电压的数据记录下来，结果如表1所示。可以看出在电源缺L1相时电压值没有下降，即缺相保护器误断正常，内部继电器持续正常输出，设备正常启动，缺相保护器没有起作用。

表1 负载端测量三相电压数据

2 智能三相电网缺相保护器工作原理

多次实验证明在负载运行中一旦有不正常因素出现时会对电网正常运行造成影响，突生故障能引起电流的改变，电网的运行会随之改变，因此只要能正确掌握电流的变化趋势，就能分析出电网的运行状况。系统为了对三相电网运行过程中各个参数进行检测和保护，将通过电流互感器实时采集三相电网中的各相电流，再通过电网计算法算出电网运行中各项参数，以此监测电网中的功率参数和不平衡度。

系统的各个部分都有不同的功能作用，若是按照功能特点进行分类，系统大体可分为控制输出、信号采集和数据处理3大模块。为了对三相电网运行情况做到实时跟踪监测，系统的控制核心为ARM7芯片，电源也是mA级别的，而不是电网中的强电流信号。因此，系统在电流采集模块上选用电流互感器，用电流互感器转换提取电网上的电流信号，这个过程中产生的电流不但能对整套检测系统供电，还能进行实时检测[3]。

在设计电流采集模块时，系统针对电网信号的采集选用LPC2103芯片内部10位A.D采集模块，这在原有的基础中简化了系统结构，也降低了系统本身对电网中各项运行参数的影响。控制模块是提供信号的存在，可以通过单片机小信号的输出，为后续负载动作提供驱动信号，直接控制系统的持续输出和正常运行，具体的工作原理如图2所示。

图2 系统工作原理

3 智能三相电网缺相保护器研制

3.1 硬件设计

由于本系统在硬件设计方面有特别的要求，ARM7在各方面都适合本系统的功能条件，选此作为缺相保护器的控制核心，除此之外，系统芯片的外部电路包括多个单元，主要有电源控制、报警电路和电流转化器等。本系统的供电方式是利用开关三极管和二极管整流电路搭建稳压电路，用开关三极管搭建三极管开关电路，再利用场效应管的放大作用，以及开关三极管对单片机的输出信号进行放大，直至输出24 V，30 mA控制信号的最终实现。

3.2 电源电路

系统中的交流信号是由电流互感器经过一系列转化成电信号实现的，在电流采集系统之后加上二极管整流系统，再将转化后的电流并联在一起，就提供了整套系统的供电需求。输入功率过高的时候容易损坏芯片，因此本系统在电源后方增加了可调负载，避免了芯片损坏的情况。为了控制整套系统的工作电压，本系统通过控制额外负载 R12的开启与关闭，将24 V稳压管三极管与三极管结合起来，实现控制电压的目的[4]。一旦电压超过 24 V时，三极管极和发射极在稳压管导通的情况下发生压差，增加系统的功耗，从而达到输出电压降低的最终目的。

3.3 采集电路

测量系统在电网运行过程中容易烧损，因此将电网中的电流信号转换为微小的可采集的信号，就可以保护系统的安全。在采样时要选取合适的电阻进行采样，对于采集到的交流信号，就可以使用测量信号检测三相电网工作情况。

3.4 控制电路

为了实现小信号控制大信号的要求，可以利用三极管叠加放大原理测量各个测量点的运行情况，控制芯片的信号输出要保证三相电源不缺相与三相电网不平衡度＜2%，这也是重要的判断依据。控制继电器吸合时，可以控制后续三极管与场效应管的动作来控制回路输出电信号，从而分析判断测量端口是否是零，三相电网线路的运行状况就能了如指掌。系统在正常工作时，单片机没有输出，继电器输出也随之断开。