专利名称：异步电动机故障诊断综合保护装置的制作方法
技术领域：
本实用新型是一种对工业用大中容量的低压(380v)异步电动机，高压(6kv)异步电动机运行中出现的各种故障进行保护的综合装置。目前异步电动机保护主要分为二类以检测温度信号的直接保护型，相应产品有双金属片温度继电器、热敏电阻式温度继电器、双金属片式热过载继电器等。这类保护价格低、结构简单，用于小容量的电动机简单保护。
以检测电流信号的直接保护型。这类保护要有二大类常规的感应式电流继电器和近年来发展起来的电子式多功能综合保护器。
目前，我国较重要的大中型电动机一般配备了以感应式过流继电器为主的过流保护和短路速断保护。个别特大型电动机还配备了接地保护和二相差动保护。由于过流保护原理主要针对的是对称性故障，而对于大多数不对称故障不能正确反映，因此实际运行中普遍存在着因保护不完善烧损电动机的情况。
近年来，各类电子式多功能电动机保护器不断出现，但一般都没有摆脱常规的以检测电动机电流幅值为原理的保护方法，因此同样存在着以上问题。
本实用新型的目的是提供一种工业用大中型三相异步电动机的故障诊断综合保护装置，根据对称分量分析理论，提出了基于检测电动机电流序分量判别电动机故障类型，程度的保护新方法。该方法通过检测电动机故障时才出现的故障电流分量来判别故障类型及程度，因此具有很高的灵敏度和可靠性，并且可以给出故障类型的信息，从而可实现智能化的电动机故障诊断及保护。
本实用新型的技术方案是根据对称分量分析理论通过正序电流的检测反映过载、堵转及大电流短路等对称故障；通过负序电流的检测反映断相、匝间短路、三相不平衡运行等非接地性故障；通过零序电流的检测反映接地故障，根据各序电流分布的分析结果，进行电动机的故障诊断和保护。其方案按功能可分为七个电路单元A 故障电流检测电路单元小型电流互感器TB2，TB2A和TB3构成负序电流滤过器，完成电流幅值的检测。TB2原边绕组通过IA和IC电流，副边绕组接电阻R20；TB3原边绕组通过电流IA和IC，副边绕组接电容C7，负序滤过器输出U2＝UA-UC。由相量图分析负序滤过器通过正序电流时，输出U2等于零。负序滤过器通过负序电流时，输出U2＝2UR。因此，负序滤过器只能通过负序电流分量。当电动机正常运行时，三相基本对称，负序电流分量基本为零，负序滤过器没有输出；当电动机发生不对称故障时，电动机电流中出现很大的负序电流分量，负序滤过器因此产生很大的输出。
我国大中型电动机一般只能提供A、C二相电流互感器；本装置的负序滤过器只需要二个电流互感器，适应了现场安装条件的要求。
电动机电流幅值的检测是在负序滤过器的TB2的副边整加了一个开路绕组N5，因为N5开路，所以不影响负序滤过器的特性。而该绕组的输出电压U1正比于原边电流IA+IC＝-IB。
电动机零序电流采用贯穿式零序电流互感器TB4检测。该互感器不同于常规零序电流互感器的封闭式结构，采用可灵活拆卸的对接式结构，该零序电流互感器的特点是便于现场安装，不要求拆动现有电缆接线，可节省大量人力物力。
由以上检测的各序电流信号U1、U2和U0经过半波或全波整流和阻容滤波电路变换成直流信号I1、I2、I0分别由图2的a，b，c端分别送至图3的a，′b，′c′对应端“定值整定电路单元”。
B 定值整定电路单元B-1 过流整定取自检测单元的电流幅值信息11送至运放LM1B输入，电平匹配后至比较器LM1A，若超过电压5V则指示灯GX亮，表明电流幅值越限。各元件参数选择应使电动机额定运行时，指示灯处于亮和灭的临界状态。
LM1C和LM1D分别为II段和III段过流的电平匹配运放，其输出UII和UIII将分别启动后续各段定时单元。U1，UII，UIII分别由图3的d，e，f端送至定时电路单元图4的d，′e，′f′对应端。
B-2 速断整定*运放LM2D产生速断整定的给定信号，开关在不同位置时，给定输出电压定值不同。过流信号I1与给定信号比较，若越限比较器LM2C输出UI启动后续定时单元。U1由图3的g端送至定时电路单元图4的g′对应端。
B-3 负序整定D9、D9A、R29、R29A为负序定值给定，D9的输入为I段过流信号，因此该定值是随电动机负荷变化的。负序滤过器输出I2经运放LM2B电平匹配后与定值相比较若越限，比较器LM2A输出UII启动后续定时单元。UII由图3的h端送至时电路单元图4的h′对应端。
B-4 零序整定零序滤过器输出Io经运放LM3B电平匹配后与定值5V相比较，若越限，比较器LM3A输出Uo启动后续定时单元。U0由图3的i端送至定时电路单元图4的i′对应端。
C定时电路单元各定时电路构成基本相同，采用555时基芯片及阻容充电回路构成。以过流III段为例。
正比于电动机电流幅值的电压UIII经电阻对电容C1充电，当电容电压增加到电源电压的2/3时，T1输出由高变低翻转，表明定时时间到，定时时间长短与输入电压UIII成反时限指数关系，具有反限特性。
R1～R3为定时粗调，R28为定时细调。D12为保护芯片的限幅二极管。
其他定时电路工作原理与上类似，各定时电路输出将启动后续跳闸回路和显示回路，过流整定信号通过定时电路单元由图4的j、k端输入至图5的j′、k′对应端、速断、负序，零序整定信号由图4的l、m、n端输入至图5的l′、m′、n′对应端。
D 跳闸电路单元过流定时信号输入至跳闸电路单元的与非门U1B，速断，负序，零序定时信号输入至跳闸电路单元的与非门U1A，由与非门U1构成跳闸判别电路，当任一定时输出变低时，U1A输出变高，使三极管BG1导通，继电器JC1动作，其辅助节点将启动电动机的控制回路，断开电动机的工作电源，使电动机得到保护，电容C2、二极管D4、D5、D8是抗干扰元件。
E 显示电路单元显示电路的构成基本相同，其主要元件是可控硅SCR1～SCR4及发光二极管，LED1～LED4。
零序、负序、速断定时信号n′、m′、e′，输出至显示单元的反相器U2A，U2B，U2的对应端，过流定时信号通过与非门U1B后输入至显示单元的R15一端。各定时单元的输出经反向器U2电平匹配，使相应可控硅控制极出现高电平，可控硅导通并保持，相应发光二极管亮，指示保护装置动作情况。其他电阻、电容及二极管等元件为电平匹配及抗干扰用。LED6指示正常状态，当保护动作后，继电器JC1常闭节点断开，该显示灯灭。
F 自检电路单元装置自检回路的基本思路是模拟一故障电平，加在各保护回路上，检查各保护回路工作是否正常。
电阻R21、R22和R23构成一分压电路，经运放LM3C和LM3D输出。LM3C输出电平约为2V，可检查III段过流及零序保护回路工作是否正常；LM3D输出电平约为7.5V。
G 电源电路单元保护装置的电源可以是交流380V、220V，直流220V、110V，输出为直流+12V和+5V。B2A-B2D当直流输入时是稳压管，当交流输入时是整流二极管。C5、C6为滤波电容，V2和V1分别为+5V和+12V稳压块，R24为降压电阻。
图1方框图，图2故障电流检测电路单元，图3定值整定电路单元，图4定时电路单元，图5跳闸电路及显示电路单元，图6电源及自检电路单元，图7保护装置顶盖示意图图8保护装置前结构示意图，图9保护装置后结构示意图，其中1复位按钮、2电源指示灯(L1)、3速断指示灯(L2)、4过载指示灯(L3)、5断相指示灯(L4)、6接地指示灯(L5)、7自检开关、8连接插座，9、10接地保护定值整定电位器，11、12断相保护定值整定电位器，13、14过流保护定值整定电位器、15面板盖、16主机电路板a、17主机电路板b、18主机电路板c、19主机电路板d、20支架、21底座、22连接插座、23连接插座、24连接插座、25连接插座，图2～图5各电路单元连接后为一个完整全电路图，图6为电源电路给整机供电，自检电路为一单独电路。
结合附图对本实用新型的一个实施例作进一步描述。保护装置调试时可先对电路各部分的功能进行自检，可以检查过流、速断、断相等回路工作是否正常。
电动机正常运行时，保护装置工作过程如下电动机正常运行时，负序、零序检测输出基本为零，电流幅值检测没有越限。因此，各保护回路输出均为零，定时电路都未启动，各定时器输出为高电平，跳闸回路未启动，指示灯(2)亮经继电器常闭节点接通，显示电动机处于“正常运行”状态。
电动机发生过载、短路等故障时，保护装置工作过程如下电动机发生过载、短路故障时，电流幅值显著增加。电流幅值检测单元输出Ie越限。本保护装置降越限程度分为三段8～15Ie为I段，对应于短路故障；3.5～8Ie为II段，1.2～3.5Ie为III段，对应于过载故障。
若电流越限落在I段内，比较器LM2C输出为高电平，启动速断定时器T1/C，T1/C延时到，输出由高变低，经与非门U1A后启动三极管BG1，BG1导通，继电器JC1吸合，保护装置动作。同时，T1/C输出经U2C触发可控硅SCR2导通，“速断”指示灯(3)亮。
若电流越限落在II(或III)段内，比较器LM1A输出为高电平，过流信号经运放LM1C(或LM1B)启动II段定时器T1/D(III段定时器T1)，定时器延时到，输出由高变低，经与非门U1B和非门U2F启动三极管BG1，BG1导通，继电器JC1吸合，保护装置动作。同时，U1B输出触发可控硅SCR1导通，“过流”指示灯(4)亮。
当电动机发生过载或短路故障时，三相电流仍基本对称，因此负序和零序滤过器输出基本为零，相应保护不动作。
电动机发生断相等电流不平衡故障时，保护装置工作过程如下当电动机发生断相等电流不平衡故障时，电动机电流中将出现负序电流分量。负序滤过器输出越限，比较器LM2A输出为高电平，启动定时器T1/A，定时到后，输出由高变低，经与非门U1A后启动三极管BG1，BG1导通，继电器JC1吸合，保护装置动作。同时，T1/A输出经U2B触发可控硅SCR3导通，“断相、不平衡”指示灯(5)亮。
发生电流不平衡故障时，若未出现接地故障且电流幅值未越限，过流、速断、接地保护都不动作。
电动机发生接地故障时，保护装置工作过程当电动机发生接地故障时，电动机电流中将出现零序电流分量。零序电流检测输出越限，比较器LM3A输出为高电平，启动定时器T1/B，定时到后，输出由高变低，经与非门U1A后启动三极管BG1，BG1导通，继电器JC1吸合，保护装置动作。同时，T1/B输出经U2A触发可控硅SCR4导通，“接地”指示灯(6)亮。
发生接地故障时，若电动机电流基本对称，电流幅值变化不大，则其他保护不动作。
以上分析的是电动机发生单独故障时的保护动作情况，若电动机发生复合故障，各保护功能同时启动，延时最短的将使保护装置动作。
保护装置出口由机座上常开或常闭接点(j)输出到现场的执行回路。
整机装配关系如下主机电路板a(16)，主机电路板b(17)，主机电路板c(18)，主机电路板d(19)分别装在支架前后上端，支架(20)装在底座(21)上，面板盖(15)套装在底座(21)上，主机电路板a(16)与主机电路板b(17)连接，主机电路板c(18)与主机电路板d(19)连接，主机电路板a(16)与主机电路板(19)连接，被保护的电动机经电流互感器接人本装置的底座(21)IA，IC接线端子上即可。各电路单元之间连接线接在(22～25)连接插座上。
保护装置实施例元器件明细表
续表
<p>基于以上原理，实现的异步电动机故障诊断综合保护装置具有主要功能及技术指标如下。
a 过流保护过载保护(1.2～4Ie)具有理想的反时限动作特性；堵转保护(4～7Ie)具有反时限动作特性；短路保护(8～15Ie)具有速断动作特性；b 断相、逆相、不平衡等不对称故障保护逆相保护具有速断动作特性；断相保护具有短时限(1～5秒)动作特性；不平衡保护(灵敏度可调)具有负序反时限动作特性；c 接地故障保护接地保护(灵敏度可调)具有速断或短延时动作特性；d 自动故障诊断及显示功能e 保护装置自检功能f 适用于任何起动方式、任意接线的三相异步电动机。
g 工作电源AC380(220V)±15％，DC220(110)±15％。
h 输出方式一对常闭(开)接点，AC380v/6A，220v/10A。
i 环境温度-25℃～+50℃j 工作制连续运行本实用新型的优点和积极效果本保护装置特点是原理先进、功能齐全，能够覆盖异步电动机的所有常见故障因此具有很高的性能价格比；本保护装置具有方便的整定方式和理想的动作特性，现场调试、检修非常方便；本保护装置结构合理、接线简单，适合于任意容量、任意运行方式、任意运行环境的各类异步电动机的运行保护。
权利要求1.一个由面板盖(15)、支架(20)、底座(21)组成的异步电动机故障诊断保护装置，其特征在于在支架(20)上装有主机电路板(16-19)，其上装有各电路单元(A-G)的电子元器件，对异步电动机正序电流、负序电流、零序电流进行故障检测的电路单元(A)是采用小型电流互感器TB2、TB2A、TB3、电阻R20、电容C7组成负序电流滤过器，完成对电路幅值的检测，将检测器各序电流信号经整流滤波成直流信号I1、I2、I0通过a、b、c端送至定值整定电路单元(B)的对应端a′、b′、c′，电流幅值越限进行过流整定，其输出UI、UII、UIII将分别启动后续各段定时单元，由d、e、f端输出至定时电路单元(C)的对应端d′、e′、f′速断整定信号由g端输出至定时电路单元(C)的对应端g′，负序整定信号由h端输出至定时电路单元(C)的对应端h′，零序整定信号由i端输出至定时单元(C)的对应端i′，定时单元(C)采用555基时芯片及阻容回路构成，当电容C1的充电电压增加到电源电压的2/3时，T1输出由高变低翻转，表明定时时间到，定时长短与输入电压U成反比时限指数关系，具有反时限特性，定时电路单元(C)过流定时信号由j、k端输出至跳闸电路单元(D)的对应端j′、k′，速断、负序、零序、定时信号e、m、n端输出到跳闸电路单元(D)和显示电路单元(E)的对应端e′、 m′、n′，跳闸电路单元(D)由与非门U1构成判别电路，当任一定时输出变低时，U1A输出变高，BG1导通JC1工作，输出两对常开(闭)接点，实现保护；显示电路单元(E)主要由可控硅SCR1-SCR4及发光二极管LED1-LED4构成，各定时单元的输出经反向器U2电平匹配，使相应可控硅控制极出现高电平，可控硅导通并保持，相应的发光二极管亮，指示故障类型；自检电路单元(F)是模拟一故障电平，加在保护回路上，检查保护回路工作是否正常，由R21、R22、R23构成一分压电路，经运放，LM3C和LM3D输出；电源电路单元(G)电源为交流380V、220V或直流220V、110V输出为直流+12V、+5V。
2.如权利要求1所述的异步电动机故障诊断综合保护装置，其特征在于在面板盖(15)上装有复位按钮(1)，电源指示灯(2)，速断指示灯(3)，过载指示灯(4)，断相(不平衡)指示灯(5)，接地指示灯(6)，自检开关(7)，连接插座(8)，接地保护定值整定电位器(9、10)，断相(不平衡)保护定值整定电位器(11、12)，过流保护定值整定电位器(13、14)，连接插座(22-25)上接有各电路单元连接导线。
专利摘要本实用新型异步电动机故障诊断综合保护装置是一种对工业用大中容量的低压(380V)异步电动机,高压(6KV)异步电动机运行中出现的各种故障进行保护的综合装置。该装置由故障电流检测,定值整定、定时、跳闸、显示、自检和电源电路单元组成。通过正序、负序电流检测,反映非接地性故障,零序电流检测反映接地性故障。将各序电流的检测结果通过整定电路、延时电路、启动跳闸电路实施保护,显示单元进行不同类型的故障显示。自检电路单元、模拟一故障电平加在保护回路上检查保护回路工作是否正常,该装置具有功能齐全、结构合理、使用方便等优点。
文档编号H02H7/08GK2308192SQ9620372
公开日1999年2月17日 申请日期1996年2月6日 优先权日1996年2月6日
发明者蔡泽祥, 王振浩, 谭敦生, 韩洁平, 施毅, 刘文兴 申请人:东北电力学院中能科技开发公司