这篇工程简报介绍了应用于三相系统的单相故障概念，强调了其对电机的潜在破坏性影响，同时也扩展了相不平衡的概念，同样对三相感应电机有害。
什么是三相系统？
国家电网就是一个三相系统的例子。大型发电机、开关设备和配电系统都是为了供应三相交流电而设计的。在三相系统中，每个波形与其他波形相隔120度相位。
三相系统的发展历史悠久，主要围绕三相电机展开，因为它曾经并且仍然是电力的最大消费者。三相系统因其在工程经济性、优化和可靠性方面的优势而依然普遍存在。
图1：三相电机旁边带有热过载块的反转电机启动器的图片。
什么是单相故障？
单相故障事件发生在三相系统的一条线路被断开或丢失时。乍一看，这似乎是一个糟糕的定义，因为三相中的两相仍然存在。然而，在三相电机内部看来，剩下的两相看起来就像是单相：
- 所有三相：电机定子中存在一个旋转磁场。回顾一下，这个旋转磁场是19世纪电气工程的重大成就之一，并在20世纪初得到了广泛应用。这一旋转场是所有三相电机优势的基础，包括体积小、重量轻和高效率。
- 缺少一相：定子的磁场不再“旋转”，而是在一个物理平面内扩展和收缩。因此，三相电机作为单相电机运行。
技术提示： 旋转磁场概念也适用于单相电机。例如，单相电机最常见的故障模式之一是相移电容器损坏。具有这种故障的单相电机将无法自行启动。这是一种常见的故障，许多电机都设计成用户可以快速更换电容器，如图2所示。回顾一下，这个电容器在许多单相电机中是一个关键组件，因为它产生了相移。从电机的角度来看，这种相移看起来像一个旋转磁场。另一种可视化这种情况的方法是认识到电容器将单相电机变成了两相（正交电流）电机。
图2：显示了用户可更换的相移（启动）电容器的旧单相电机的图片。
单相故障条件下电机的症状
假设电机硬连接到交流电源，没有保护措施，可能有三种结果，都是不好的：
无法启动
如果没有三相产生旋转磁场，三相电机将无法启动。在单相情况下，电机绕组会损坏。
负载重的情况下已经运行
如果故障发生时电机已经在运行，失去一相时它可能会停转。没有保护措施，电机绕组将再次损坏。
负载轻的情况下已经运行
在这种情况下，电机可能会继续运行。然而，长期运行可能会损坏绕组。
技术提示： 注意，某一相不需要完全断开。三相系统的不平衡也会损坏电机。如果怀疑有问题，请确保安全地测量三相供电电压以及电机电流。这是一个三步计算。第一步是计算平均值，例如平均电压。第二步是确定每一相与平均值的偏差。最后一步是将最大偏差除以平均值。电压结果应小于1%。注意，轻微的电压不平衡可能导致大的电流不平衡。
例如，考虑一个208 VAC系统，电机处的相间电压分别为203、202和210 VAC。平均值为205 VAC。最大偏差为5 VAC。偏差百分比计算为100 * (5/205) = 2.4%。该系统被认为是不平衡的，需要在下一次可用机会进行修理。任何100%机械负荷下运行的电机寿命都可能会减少。
如何保护电机？
第一道防线是采用电机启动器。回顾一下，电机启动器由接触器和热过载块组成。为了延长电机寿命，至关重要的是过载块要与相关电机匹配并进行调整。这是本文的核心部分，值得重复：
为了延长电机寿命，必须选择并调整过载块以匹配相关电机。
将电机启动器过载块视为反映电机绕组状态的共情设备。传统电机启动器是一个热设备，带有对电机电流反应的加热器和双金属元件。在理想系统中，电机绕组温度与热过载块中的热量之间存在1比1的对应关系。在过载情况下，电机线圈和热过载块都会变热。如果这种情况持续太久，热过载块将跳闸，从而切断电机启动器线圈的电源。线圈能量的损失会打开接触器，使电机失效。
这种电机和电机启动器的状况很微妙。最初，你可能认为1%的电压偏差不是什么大问题。然而，如前所述，小电压不平衡会导致大的电流不平衡，从而导致单个或一对电机绕组过热。这个情况因电机上的可变负载而变得更加复杂。当电机在不平衡系统中负荷重时，复杂性增加。不涉及具体情况，认识到在不平衡系统中运行时必须降低电机的额定功率是必要的。可以计算出降额后的机械输出马力。然而，通过改善馈电系统的状况，保持更好的相位平衡和无谐波，可能更为有利。
结论
在所有情况下，适当选择和配置的电机启动器将提供良好的第一道保护。单相故障引起的电机过载情况以及过大的电流偏差将由电机启动器检测到。
自然地，系统的复杂性应与电机的成本相关。1 hp 电机配备基本的电机启动器是一个很好的组合。100 hp 电机应具有最先进的监控和保护，反映出电机的重大资本投资。定期监控和维护三相供电系统是保护三相设备投资的必要步骤。