中國電工技術學會主辦， 2017年6月21-24日在河北省張北縣舉辦， 大會圍繞新能源發展戰略、系統關鍵技術、微電網及儲能等重要議題展開交流。
文章正文開始
福州大學電氣工程與自動化學院的研究人員黃凱、劉向軍， 在2017年第3期《電氣技術》雜誌上撰文， 介紹了三相非同步電動機幾種常見的故障及其故障特徵， 闡述了傳統機械式電動機保護裝置、類比電子式電動機保護裝置、微機型智慧電動機保護裝置的原理、應用及優缺點等。 最後結合實際情況對電動機保護器的發展提出展望。
三相非同步電動機是將電能轉化為機械能的設備， 應用領域廣、性能好、結構簡單、運行可靠、價格便宜， 在不斷發展的工農業生產中佔據著重要的地位[1]。 由於工農業生產的需要， 對三相非同步電動機穩定性、靈敏性、安全性等性能的要求都較高。
而在實際的生產環境中， 由於設備老化、電網波動、外部環境和負載變化等因素的存在， 往往會影響電動機的性能， 造成電機的不正常運行， 這不單單會造成電動機的損壞， 也可能會影響到正常的生產進程， 甚至威脅到人的生命， 造成巨大的損失。
據相關不完全統計， 我國使用的三相電動機至少為6500萬台， 其消耗的電量至少大於全國所消耗電量的75%[2-3]， 而每年燒損的電動機至少為20萬台次， 可想而知， 每年因電動機燒損而造成的損失巨大， 因此， 電動機的保護尤為重要[4]。
電動機保護設備的主要作用是在電動機或線路發生故障時， 可靠動作， 從而將電動機與電源切開， 使電動機停止工作， 以減輕故障帶來的危害，
隨著工農業的快速發展， 電動機的使用量越來越多， 電動機工作的穩定性、安全性、靈敏性等受到越來越多的重視， 因此， 對電動機保護器性能的要求也越來越高。
本文簡要介紹了三相非同步電動機幾種經常發生的故障。 對電動機的傳統機械式保護裝置、類比電子式保護裝置、以及微機型智慧保護裝置的原理、應用及其優缺點進行了介紹。 另外， 對電動機保護裝置的發展前景進行了闡述。
1 三相非同步電動機的常見故障
致使電動機燒損的原因較多， 其中， 大部分是電動機的工作狀態異常引起的。
電動機的故障分為對稱故障和不對稱故障兩大類[7]。 電動機的對稱故障有堵轉、超載、過電壓等故障， 其特點是發生故障時， 電動機三相基本處於對稱狀態， 但故障電流、電壓增大， 使得電動機由於熱效應發生故障， 因此， 可以以電流、電壓的大小作為對稱故障的特徵量。
其中， 超載指電動機實際工作功率超過電機的額定功率， 一般而言， 超載倍數較低時， 電動機仍可以工作一段時間， 其保護特性為反時限保護， 超載保護的方法很多， 有熱繼電器保護法、直接測溫法、利用反時限超載數學模型[8]保護等，
堵轉是指電動機由於機械故障、負載太大等因素， 使得轉子不能正常運轉， 阻礙電動機正常工作， 全電壓情況下出現堵轉時， 電流將快速上升， 造成生產事故[9]。 過電壓指主線路電壓高於規定值， 易使電動機燒毀。
電動機的不對稱故障主要有三相不平衡、斷相等故障。 這類故障發生時， 三相電流不對稱。 三相不平衡的程度用三相電流最大差值與三相平均電流的比值來表徵[10]。 斷相是指電動機任意一相斷電或低於斷相保護設定值[11]。
電動機故障不同， 其故障特徵量的變化情況也不盡相同， 電動機保護器根據不同故障的特徵量進行故障判斷， 對電動機進行保護。當特徵量超出正常工作範圍時，電動機保護裝置做出相應動作，使得主線路斷開，從而使電動機停止運行，防止電動機因發生故障而燒毀，引發生產事故。因此，為了能及時、正確、有效地完成保護功能，保護裝置應符合選擇性、快速性、靈敏性和可靠性四個要求。
2 傳統機械式保護裝置
建國早期，電動機的保護一般以熔斷器、雙金屬片熱繼電器、電動機保護用自動開關、電磁型繼電器等機械式保護裝置為主[12-13]。
熔斷器是最古老的保護電器，其工作原理是當電流大於一定值時，熔斷器熔體將因為自身的熱量而熔斷，以此斷開回路，使得電動機停止運行。熔斷器安裝簡便，價格低廉，但其功能少，在電動機發生的超載等故障時，無法起到保護作用。
另外，將熔斷器用於保護三相非同步電動機時，若其中一相的熔斷器因電流過大而斷開，便會導致三相非同步電動機發生斷相，引發一系列事故。
熱繼電器在電動機保護上的應用具有較長的歷史。這種保護產品有JR36系列、T系列及3UA系列熱繼電器保護器。它的工作原理是基於雙金屬片熱效應：雙金屬片由一對金屬片整合而成，二者膨脹係數相異。當電流流過，發生的熱效應會使得雙金屬片向膨脹係數較為小的一邊彎曲，電流值與彎曲程度成正比。當電流大於整定電流值大小一定的倍數時，就會使脫扣裝置動作，繼而將主電路斷開，實現其保護功能。
熱繼電器電動機保護器具有結構簡單、操作方便、價格低廉等優點，並具備反時限特性。因此，它廣泛應用於電動機超載保護。
但是，熱繼電器應用於電動機保護領域仍然具有一定局限性：
首先，熱繼電器的保護特性具有一定程度的分散性，其穩定性較低，易受到周圍環境因素的影響，如對環境溫度、機械振動等有較大的要求。
其次，可重複性較差，對於電動機頻繁起動、重載起動、多次短時超載等情況，起不到較好的保護作用。
再者，其功能較為單一，不能對電機起動過程中的故障、短路故障等進行有效保護。當電動機存在輕微超載時，繞組產生的熱積累導致溫度過高，但其無法直接檢測電機繞組的溫度，故對這種情況也無法進行有效保護[14]。
因此，隨著科學技術的發展，熱繼電器逐漸無法滿足實際生產應用中對繼電保護越來越高的要求。
電動機保護用自動開關可單獨用於電動機的短路等保護，但工農業生產中，常將其與熱繼電器相結合作為電動機保護裝置，熱繼電器用於超載保護，而電動機保護用自動開關用於短路保護。這樣不僅增加了保護性能，也增強了保護的可靠性，不會再因某一相熔斷器的熔斷而導致三相電動機的斷相運行。
電動機保護用自動開關可分為一般型自動開關和暫態分斷型自動開關，一般型自動開關作為低壓電路保護開關，具有延時脫扣功能，但對於容量很小的電動機，一般型自動開關與超載保護繼電器的動作特性曲線往往不會交叉，暫態分斷型自動開關沒有這樣的弊端，但不具有延時脫扣功能，只在發生較大的過電流時才進行分斷。
另外，由於這種保護方案的超載保護仍使用熱繼電器，因此，存在與單獨使用熱繼電器作為超載保護設備相同的一些弊端[15]。
電磁型繼電器利用電磁感應原理工作，當線圈電流增加，使得電磁力大於彈簧力時，繼電器動作。電磁式繼電器多應用於電流保護中[16]，一般與主回路串聯使用，通過判斷電流的大小來對電動機進行保護。
當電動機出現短路等故障時，大電流流過電磁式繼電器線圈，產生很大的電磁力，使得繼電器動作，斷開回路，對電動機進行保護。電磁型繼電器運行較為可靠，但其保護靈敏度較低，若動作值與動作時間未合理匹配，會導致保護誤動作，引發一系列故障。
3類比電子式保護裝置
在上個世紀70年代，半導體元件急速發展，產生許多採用電力電子元件和中小規模積體電路組成的類比電子式保護裝置，其保護功能較為齊全，包括缺相、超載、三相不平衡、過電壓等保護功能，如電子式電動機綜合保護裝置、電子式溫度繼電器等。
電子式電動機綜合保護裝置由類比電子器件構成，沒有因機械造成的誤差，動作迅速，靈敏度高，使用時間長，耐振動，易整定。
電子式溫度繼電器使用埋在繞組內的溫度感測器與相應的電子裝置對繞組溫度進行採集。溫度感測器溫度係數大、靈敏度高、體積小，具有明顯的開關特性，可直接根據電動機內部的溫度進行故障判斷與保護，因此保護器性能也得到了一定提高。但由於溫度感測器有一定熱慣性，故存在保護延後現象。
儘管類比電子式電動機保護裝置的性能大大優於傳統機械式電動機保護裝置，但其仍存在一些無法克服的缺陷，這些缺點總結如下[17-19]：
1、精度不高。首先，採用電力電子元器件組成的類比電子線路無法改善電流互感器的非線性度，因此，其採樣精度不高。另外，用於整定的電位器線性度影響著整定的精度、操作者的整定誤差也會對整定精度造成一定影響，因此，其整定精度不高。
2、調試困難、工作可靠性不高。類比電子式保護裝置由許多電子元器件集合而成，其中的每一個元件對保護裝置的性能都有重大影響，而且，各元器件之間具有繁雜的連線，易受到電磁、溫度等干擾。因此，調試困難，工作可靠性也受到影響。
3、功能不夠完善。隨著生產要求的提高，對電動機保護裝置的要求也逐漸提高，單純使用電力電子元器件組成的類比電子線路無法實現諸如線上監測、參數記錄、即時通信等功能。
社會的發展使得工農業生產中對電動機保護器的要求提高，因此，類比電子式電動機保護裝置的許多局限性越發凸顯，常因選用元件不當、線路設計不合理等原因造成保護器的拒動或者誤動，逐漸無法滿足社會發展的需求。
4微機型智慧保護裝置
80年代以來，電動機保護不斷朝著智慧化方向發展，至今，國外許多電器公司推出了多款以微機型智慧保護裝置，如：德國的3UBI系列繼電器、日本的QA系列繼電器、美國ABB公司的SPEM繼電器等。
單片機具有很強的計算、分析、邏輯判斷等能力，智慧電動機保護器以單片機作為核心進行電壓、電流採樣，通過單片機對電壓電流互感器的非線性度進行校正，並對電壓電流有效值進行計算，很大程度上降低了波形畸變對採樣精度的影響，提高了採樣和整定精度。
另外，通過程式編寫，同一硬體電路可以實現不同的保護功能，不易受環境因素影響，具有體積小，價格低等優勢，集保護、遙測、通信和遙控等功能為一體，功能齊、性能好，具有很高的性價比[20-21]。
微機型智慧保護裝置主要有以下幾大類[22]：
1、高性價比電動機保護器。這種保護器滿足電動機基本保護要求，盡可能降低成本，具有很高的性價比。
2、高性能電動機保護器。該類型保護器成本比高性價比電動機保護器高，但具有更完善的故障保護性能。保護特性更為可靠，並且具有反時限超載保護、延時等功能。
3、智能多功能電動機保護器。該類型保護器在上述第二種保護器的基礎上，增加了開關量輸入模組、顯示模組、通信模組等模組[23]，使保護器的功能更加強大，具有良好的人機操作介面、操作簡便、自動化程度高等優點[24]，甚至可以通過互聯網等技術實現遠端監控[25]。
4、電動機全套保護器。這種保護器將多個溫度感測器埋於電動機繞組中，即時對繞組溫度進行直接測量，以溫度判斷電動機的工作狀態。具有很強的適用性，應用範圍廣，可對電動機、發電機、變壓器等進行保護。
近些年，微機型智慧電動機保護裝置發展迅速，其保護的可靠性、靈敏性、安全性得到了大幅度提升，同時，其功能也日益完善，具有廣闊的應用和發展前景。
5電動機保護器的發展前景
隨著科技水準的發展，工農業生產也朝著智慧化發展，電動機的使用更為廣泛。因此，對電動機保護器的性能要求也更為嚴苛。至今，我國市場上大部分電動機保護器存在較多缺陷，比如保護功能少、穩定性和可靠性差、人機界面不友好等。
因此，使用這些電動機保護器不能在電動機發生故障時及時有效地對設備進行保護，造成重大的事故和經濟損失，而國外一些電動機保護裝置雖然具有較高性能，但價格昂貴，難以在中小型工農業生產中得到廣泛推廣，因此，對智慧電動機保護器的研究尤為重要[26]。
今後，智慧電動機保護器依然是我國電動機保護的重要發展方向，主要有以下幾點[26-28]：
1、進一步發展並完善電動機保護的相關理論，分析故障特性，使得保護器有明確的故障保護判據。
2、進一步發展並完善智慧電動機保護裝置的保護功能，使其保護特性與規範的要求相吻合，具有較寬且連續可調的整定範圍、具有高的運行穩定性和可靠性。
3、進一步發展與應用現代電子、通訊等技術，實現電動機保護器線上監測、故障診斷、網路化等功能，向多功能化發展。
4、進一步朝重量輕、體積小、價格便宜、集成化等方向發展優勢。
5、進一步朝接線簡單，安裝、使用及維護方便等方向發展。
6、進一步發展基於頻譜分析的感應電機故障診斷技術。
6 總結
簡要介紹了電動機常見的幾種故障及其故障特徵，對不同時期、不同電動機保護裝置的原理、應用及特點進行闡述，大體介紹了電動機保護裝置的發展。最後，本文結合實際，總結歸納了電動機保護器的發展前景，具有一定參考意義。
對電動機進行保護。當特徵量超出正常工作範圍時，電動機保護裝置做出相應動作，使得主線路斷開，從而使電動機停止運行，防止電動機因發生故障而燒毀，引發生產事故。因此，為了能及時、正確、有效地完成保護功能，保護裝置應符合選擇性、快速性、靈敏性和可靠性四個要求。2 傳統機械式保護裝置
建國早期，電動機的保護一般以熔斷器、雙金屬片熱繼電器、電動機保護用自動開關、電磁型繼電器等機械式保護裝置為主[12-13]。
熔斷器是最古老的保護電器，其工作原理是當電流大於一定值時，熔斷器熔體將因為自身的熱量而熔斷，以此斷開回路，使得電動機停止運行。熔斷器安裝簡便，價格低廉，但其功能少，在電動機發生的超載等故障時，無法起到保護作用。
另外，將熔斷器用於保護三相非同步電動機時，若其中一相的熔斷器因電流過大而斷開，便會導致三相非同步電動機發生斷相，引發一系列事故。
熱繼電器在電動機保護上的應用具有較長的歷史。這種保護產品有JR36系列、T系列及3UA系列熱繼電器保護器。它的工作原理是基於雙金屬片熱效應：雙金屬片由一對金屬片整合而成，二者膨脹係數相異。當電流流過，發生的熱效應會使得雙金屬片向膨脹係數較為小的一邊彎曲，電流值與彎曲程度成正比。當電流大於整定電流值大小一定的倍數時，就會使脫扣裝置動作，繼而將主電路斷開，實現其保護功能。
熱繼電器電動機保護器具有結構簡單、操作方便、價格低廉等優點，並具備反時限特性。因此，它廣泛應用於電動機超載保護。
但是，熱繼電器應用於電動機保護領域仍然具有一定局限性：
首先，熱繼電器的保護特性具有一定程度的分散性，其穩定性較低，易受到周圍環境因素的影響，如對環境溫度、機械振動等有較大的要求。
其次，可重複性較差，對於電動機頻繁起動、重載起動、多次短時超載等情況，起不到較好的保護作用。
再者，其功能較為單一，不能對電機起動過程中的故障、短路故障等進行有效保護。當電動機存在輕微超載時，繞組產生的熱積累導致溫度過高，但其無法直接檢測電機繞組的溫度，故對這種情況也無法進行有效保護[14]。
因此，隨著科學技術的發展，熱繼電器逐漸無法滿足實際生產應用中對繼電保護越來越高的要求。
電動機保護用自動開關可單獨用於電動機的短路等保護，但工農業生產中，常將其與熱繼電器相結合作為電動機保護裝置，熱繼電器用於超載保護，而電動機保護用自動開關用於短路保護。這樣不僅增加了保護性能，也增強了保護的可靠性，不會再因某一相熔斷器的熔斷而導致三相電動機的斷相運行。
電動機保護用自動開關可分為一般型自動開關和暫態分斷型自動開關，一般型自動開關作為低壓電路保護開關，具有延時脫扣功能，但對於容量很小的電動機，一般型自動開關與超載保護繼電器的動作特性曲線往往不會交叉，暫態分斷型自動開關沒有這樣的弊端，但不具有延時脫扣功能，只在發生較大的過電流時才進行分斷。
另外，由於這種保護方案的超載保護仍使用熱繼電器，因此，存在與單獨使用熱繼電器作為超載保護設備相同的一些弊端[15]。
電磁型繼電器利用電磁感應原理工作，當線圈電流增加，使得電磁力大於彈簧力時，繼電器動作。電磁式繼電器多應用於電流保護中[16]，一般與主回路串聯使用，通過判斷電流的大小來對電動機進行保護。
當電動機出現短路等故障時，大電流流過電磁式繼電器線圈，產生很大的電磁力，使得繼電器動作，斷開回路，對電動機進行保護。電磁型繼電器運行較為可靠，但其保護靈敏度較低，若動作值與動作時間未合理匹配，會導致保護誤動作，引發一系列故障。
3類比電子式保護裝置
在上個世紀70年代，半導體元件急速發展，產生許多採用電力電子元件和中小規模積體電路組成的類比電子式保護裝置，其保護功能較為齊全，包括缺相、超載、三相不平衡、過電壓等保護功能，如電子式電動機綜合保護裝置、電子式溫度繼電器等。
電子式電動機綜合保護裝置由類比電子器件構成，沒有因機械造成的誤差，動作迅速，靈敏度高，使用時間長，耐振動，易整定。
電子式溫度繼電器使用埋在繞組內的溫度感測器與相應的電子裝置對繞組溫度進行採集。溫度感測器溫度係數大、靈敏度高、體積小，具有明顯的開關特性，可直接根據電動機內部的溫度進行故障判斷與保護，因此保護器性能也得到了一定提高。但由於溫度感測器有一定熱慣性，故存在保護延後現象。
儘管類比電子式電動機保護裝置的性能大大優於傳統機械式電動機保護裝置，但其仍存在一些無法克服的缺陷，這些缺點總結如下[17-19]：
1、精度不高。首先，採用電力電子元器件組成的類比電子線路無法改善電流互感器的非線性度，因此，其採樣精度不高。另外，用於整定的電位器線性度影響著整定的精度、操作者的整定誤差也會對整定精度造成一定影響，因此，其整定精度不高。
2、調試困難、工作可靠性不高。類比電子式保護裝置由許多電子元器件集合而成，其中的每一個元件對保護裝置的性能都有重大影響，而且，各元器件之間具有繁雜的連線，易受到電磁、溫度等干擾。因此，調試困難，工作可靠性也受到影響。
3、功能不夠完善。隨著生產要求的提高，對電動機保護裝置的要求也逐漸提高，單純使用電力電子元器件組成的類比電子線路無法實現諸如線上監測、參數記錄、即時通信等功能。
社會的發展使得工農業生產中對電動機保護器的要求提高，因此，類比電子式電動機保護裝置的許多局限性越發凸顯，常因選用元件不當、線路設計不合理等原因造成保護器的拒動或者誤動，逐漸無法滿足社會發展的需求。
4微機型智慧保護裝置
80年代以來，電動機保護不斷朝著智慧化方向發展，至今，國外許多電器公司推出了多款以微機型智慧保護裝置，如：德國的3UBI系列繼電器、日本的QA系列繼電器、美國ABB公司的SPEM繼電器等。
單片機具有很強的計算、分析、邏輯判斷等能力，智慧電動機保護器以單片機作為核心進行電壓、電流採樣，通過單片機對電壓電流互感器的非線性度進行校正，並對電壓電流有效值進行計算，很大程度上降低了波形畸變對採樣精度的影響，提高了採樣和整定精度。
另外，通過程式編寫，同一硬體電路可以實現不同的保護功能，不易受環境因素影響，具有體積小，價格低等優勢，集保護、遙測、通信和遙控等功能為一體，功能齊、性能好，具有很高的性價比[20-21]。
微機型智慧保護裝置主要有以下幾大類[22]：
1、高性價比電動機保護器。這種保護器滿足電動機基本保護要求，盡可能降低成本，具有很高的性價比。
2、高性能電動機保護器。該類型保護器成本比高性價比電動機保護器高，但具有更完善的故障保護性能。保護特性更為可靠，並且具有反時限超載保護、延時等功能。
3、智能多功能電動機保護器。該類型保護器在上述第二種保護器的基礎上，增加了開關量輸入模組、顯示模組、通信模組等模組[23]，使保護器的功能更加強大，具有良好的人機操作介面、操作簡便、自動化程度高等優點[24]，甚至可以通過互聯網等技術實現遠端監控[25]。
4、電動機全套保護器。這種保護器將多個溫度感測器埋於電動機繞組中，即時對繞組溫度進行直接測量，以溫度判斷電動機的工作狀態。具有很強的適用性，應用範圍廣，可對電動機、發電機、變壓器等進行保護。
近些年，微機型智慧電動機保護裝置發展迅速，其保護的可靠性、靈敏性、安全性得到了大幅度提升，同時，其功能也日益完善，具有廣闊的應用和發展前景。
5電動機保護器的發展前景
隨著科技水準的發展，工農業生產也朝著智慧化發展，電動機的使用更為廣泛。因此，對電動機保護器的性能要求也更為嚴苛。至今，我國市場上大部分電動機保護器存在較多缺陷，比如保護功能少、穩定性和可靠性差、人機界面不友好等。
因此，使用這些電動機保護器不能在電動機發生故障時及時有效地對設備進行保護，造成重大的事故和經濟損失，而國外一些電動機保護裝置雖然具有較高性能，但價格昂貴，難以在中小型工農業生產中得到廣泛推廣，因此，對智慧電動機保護器的研究尤為重要[26]。
今後，智慧電動機保護器依然是我國電動機保護的重要發展方向，主要有以下幾點[26-28]：
1、進一步發展並完善電動機保護的相關理論，分析故障特性，使得保護器有明確的故障保護判據。
2、進一步發展並完善智慧電動機保護裝置的保護功能，使其保護特性與規範的要求相吻合，具有較寬且連續可調的整定範圍、具有高的運行穩定性和可靠性。
3、進一步發展與應用現代電子、通訊等技術，實現電動機保護器線上監測、故障診斷、網路化等功能，向多功能化發展。
4、進一步朝重量輕、體積小、價格便宜、集成化等方向發展優勢。
5、進一步朝接線簡單，安裝、使用及維護方便等方向發展。
6、進一步發展基於頻譜分析的感應電機故障診斷技術。
6 總結
簡要介紹了電動機常見的幾種故障及其故障特徵，對不同時期、不同電動機保護裝置的原理、應用及特點進行闡述，大體介紹了電動機保護裝置的發展。最後，本文結合實際，總結歸納了電動機保護器的發展前景，具有一定參考意義。