三相缺相保护器的工作原理及特点

三相缺相保护原理

概述：

三相缺相、相序错误保护器是为三相电源缺相或错相引起三相系统故障而设计的保护器，主要应用在三相系统异常可能引起工业生产发生严重事故的场所，比如相序错误影响并网逆变器设备正常工作，电气控制电动机反转等。

电动机正反转控制原理图

在三相交流电气控制系统中，正常三相相序情况下，三相供电电压为ABC，供电相电压220V，相电压380V，工作频率50Hz，当合上刀闸开关QF1时，系统带电，PLC等控制器控制KM1接触器吸合，KM2接触器断开时，电动机M开始正向转动，转动频率为50Hz，合计3000转/分钟。当控制KM2接触器吸合，KM1接触器断开时，电动机M开始反向转动。

运行控制设备可以是矿井提升机，物料传送带等设备，当三相系统相序反向时，会使提升机反向运行，必定危机生产安全。

并网逆变器原理图

在三相并网逆变器并网情况下，需要检测电网正常三相相序，只有在电网相序正常情况下，才允许逆变器并网发电运行，而当三相相序不正常或三相缺相情况下，逆变器需要停止运行。当然，这些保护功能，逆变器本身都会集成，但在工程验收发电调试期间，需要检测正确的电网相序才能够进行发电调试。

三相缺相保护器特点：

1 三相电压经过串联电阻接入保护器。

2 工作电源为9~36V供电范围；

3 当三相电源不缺相或相序正常时，保护器上绿灯亮，当缺相或相序错误时，保护器上红灯亮。并驱动继电器动作，给外部保护设备提供保护接入触点。

4 适用于三相相序检测缺相报警，保护三相交流电动机，应用在使用三相交流电的工业领域进行相序监控和保护。

三相缺相相序保护器原理分析：

相序检测原理图

设三相电源分别为UA，UB，UC，经过电阻R接入到保护器，保护器内部由三个元器件对接入电压进行检测，分别是电容C接到A相，电阻R1接到B相，电阻R2接到C相。

检测三个元器件的电压UaNo, UbNo, UcNo，根据三个元器件的电压值就可以判断是否发生了电压相序故障。

1 当发生缺相时，对应的元器件不流过电流，因此，与发生缺相相连接的元器件，如果是电阻器，则电阻两端的电压为0V。如果是电容器，可通过检测电容电流为0A判断，可知，缺相是一种非常好判断的故障。

2 当发生相序错误时，三个元器件的端电压必然与相序正常情况下元器件端电压不同。通过判断元器件两端的电压变化情况即可判断相序是否正常。

根据KCL，KVL理论可求解三个元器件的电压值：

运用复阻抗方法表示电容阻抗为1/Cω，应用节点电压法，列写KCL方程：

用相量表示电压，

令UA=220∠0 V，UB=220∠240 V，UC=220∠120 V，

R=10K，1/ Cω=R1=R2=1K，带入公式中，计算Unon：

知道了中心点电压后，就可以求出电阻R1两端的电压：

同样的方式，可求出R2两端的电压：

这里假设电容所接的一相为A相，当相序正常情况下，电阻R1所接的B相电压，对应的R1两端电压幅值为25.565V，电阻R2所接的C相电压，对应的R2两端电压幅值为15V，可见电阻R1两端的电压大于电阻R2两端的电压；而当相序反向的时候，会使得电阻R2两端的电压大于电阻R1两端的电压。这样就可以通过简单的阻容网络判断电压的相序。

到目前为止，我们讨论了一种利用硬件实现电压相序判断的方法，是一种简单低成本的检测相序方法，现实中，是否所有的三相设备都需要配备这种相序保护器哪？

当然不是，有些设备可以就地取材来判断相序，比如并网用逆变器设备。

并网用逆变器设备由于自身具有采样网侧电压的需求，因此，通过数字处理器（DSP）已经知道了三相电压的大小，那么是否存在一种方法来计算是否电网存在缺相和相序错误，下面来介绍一种软件检测电压缺相的方法：

三相电压从静止坐标变换到旋转坐标，可获得直流电压Ud+，即三相交流电压的正序分量幅值。当三相电压相序反向时，旋转坐标的正序直流电压分量为0，而负序直流电压分量的幅值Ud-等于当三相电压相序正常情况下的Ud+值。这样，仅仅通过软件计算就完全可以知道是否发生了相序错误。

什么是静止坐标：简单讲，就是变量按时间顺序进行变化，坐标轴不变化。

三相交流电压是随着时间按正弦波的形式变化的物理量，可以用幅相坐标曲线表示。横轴为相角ωt坐标轴，角度随时间做线性变化，纵轴为幅值坐标轴，幅值随着角度按正弦规律变化。

如果把ωt包含在坐标轴变量里，那么这个关于ωt的时间坐标，就变化为关于αβ的两相静止坐标，两相静止坐标中αβ都是关于ωt的函数变量。

如果把一个正弦波电压量u表示成复指数形式：

那么，复指数形式电压的实部就是该正弦波电压量，虚部是与正弦波电压成90度关系的电压量。把横坐标定义为α轴，表示实部值，纵坐标定义为β轴表示虚部值，这个新的坐标就是两相静止坐标。那么，Ua的幅值只在α轴上变化，此时，如果把Ub和Uc两个电压也在一个坐标下表示，那么，就得到了三相电压的两相静止坐标表示方式。

假设Ua初相角为0度，Ub初相角滞后Ua120度，Uc初相角超前Ua120度，那么，他们在两相静止坐标空间上按顺时针排列。任意时刻，三相电压都能够合成一个电压矢量，而合成电压也是按逆时针方向旋转的相量。

如果把这个合成电压矢量当做旋转坐标的d轴，把与d轴垂直的轴当做q轴，那么就得到了两相静止坐标到旋转坐标的转换。显然Ud相对于旋转坐标的d轴是静止的，而旋转坐标d轴相对于α轴是旋转的，即旋转坐标是坐标轴在旋转。

因此，如果坐标中没有正序分量进行旋转，只存在负序分量旋转，则Ud+=0，只有负序旋转电压Ud-。

通过程序计算Ud-，即可判断是否发生了相序翻转。