基于RC網絡的相序保護器設計

夏云生，方孝剛

（中石化管道儲運公司襄樊輸油處，湖北襄樊441002）

三相交流電源的相序識別與相序控制在工農業生產中具有重要意義[1-2]。一般用電設備對三相電源的相位順序有嚴格的要求，如螺桿泵電機、風機、閥門電機和液壓站電機等。突然出現的負向相序，將導致事故發生[2-3]。

在傳統工業控制中，往往是確保外部電源相序接線的準確性，而忽略了一般情況下確認三相交流電源的相序是比較困難的，況且供電線路的相序一旦改變，則需重新判定相序[4]。若在設備中裝有相序自動判定電路，對供電相序預先作出判定，顯示相序正常與否，這對于保證用電設備的正常工作具有重要意義[1，4-5]。為此，設計了一種簡單實用的三相交流電源相序保護器[6]。

1 原理

下面運用相量法求解空載電壓。

圖1 RC網絡電路圖Fig.1 RC network circuit

若RC網絡的A、B、C三端加正相序電壓，如圖2所示。由θ=30°做出電壓三角形ADB，從而可以求得電壓

圖2 RC網絡正相序相量圖Fig.2 Positive phase-sequence diagram of RC network

結論1：當RC網絡的A、B、C三端加正相序電壓時，DE兩端輸出電壓大小約為線電壓的0.87倍。

圖3 RC網絡負相序相量圖Fig.3 Negative phase-sequence diagram of RC network

結論2：當RC網絡的A、B、C三端加負相序電壓時，DE兩端輸出電壓為0 V。

2 元器件參數的選擇

如圖4所示，RC網絡電路DE兩端接有繼電器作為負載。當RC網絡加正相序電壓時，繼電器線圈RL中通有大小為IL的電流，繼電器吸合；當加負相序電壓時，繼電器線圈中無電流通過，繼電器不動作。

圖4 保護器負載電路圖Fig.4 Load circuit of protector

圖4中繼電器線圈對DE兩端可近似看成短路，為計算短路電流，使用戴維寧定理求DE兩端的等效阻抗Z[7]

考慮到式（1）和式（2），式（3）可化簡為式（4）。

又因為正相序時DE兩端空載電壓UDE=0.87U，忽略整流橋VD1的壓降，則繼電器線圈中通過的電流IL可表示為：

由以上計算可知，R1、C1、C2、C3兩端電壓有效值無論在正相序或負相序時都滿足下列關系：

據以上分析，在已知線電壓有效值為U的三相交流用電系統中，根據式（1）～（7）可計算出電路各元器件的選型參數。

3 典型應用

在電動閥門控制系統中，三相交流電的相序的正確與否直接關系著電機是否能夠按照指令進行正反轉動作，為此在電機控制電路加入相序保護裝置顯得十分必要[5]，如圖5所示。

圖5 保護器應用電路圖Fig.5 Application circuit of protector

三相交流電機M、開關QS、熔斷器FU1和交流接觸器KM2、KM3組成電機正反轉控制系統。相序保護電路由電阻R1、電容C1～C4、整流橋VD1、穩壓管VDZ1、中間繼電器KA、指示氖氣燈N1和交流接觸器KM1組成。當三相交流電L1、L2和L3為正相序時，繼電器KA線圈得電，KA常開觸點閉合，交流接觸器KM1線圈得電，KM1常開觸點閉合，從而KM2和KM3能夠正確控制電機的正反轉，同時N1點亮，表明相序正確；當三相交流電為負相序時，繼電器KA線圈失電，交流接觸器KM1線圈失電，KM1常開觸點斷開，電機停轉，同時N1熄滅，表明相序錯誤。

若按三相交流電線電壓U為380 V，中間繼電器KA線圈的額定電流為13 mA計算，R1兩端承受的峰值電壓為56 kΩ/5 W、C1=C2=C3=0.1 μF/1 kV。為了元器件選擇方便，元器件參數可以允許有10%的誤差，在繼電器控KA制回路中加入了穩壓管VDZ1，所以在加負相序電壓時，VDZ1克服了DE兩端的殘余電壓，使繼電器KA不會誤動作[8]。

4 結論

設計了一種基于RC網絡的相序保護器，描述了其硬件電路、工作原理和使用方法。在實際應用中，保護器能對380 V三相交流電源作出正確的相序判斷，且響應時間小于1 s。與傳統相序保護裝置相比具有兩方面優點：一是該電路結構簡單易于實現，且成本較低；二是該電路不僅可以應用到三相四線制系統中，還可以應用到沒有中性點的三相系統中。

[1]錢金川.具有多種保護功能電路的設計[J].電氣技術，2008（12）：57-60.

QIAN Jin-chuan.Circuit design of multi-protecting function[J].Electrical Engineering，2008（12）：57-60.

[2]歐偉明，瞿遂春.三相交流電源相序指示與控制器[J].高壓電器，2006，42（1）：75-76.

OU Wei-ming，QU Sui-chun.An indicator and controller of the phase sequence for 3 phases AC power source[J].High Voltage Apparatus，2006，42（1）：75-76.

[3]冷惠文.一種三相電源相序與斷相自動檢測電路[J].電測與儀表，2003，40（5）：35-38.

LENG Hui-wen.An automatic detecting circuit of phase sequence and open phase of a three-phase power[J].Electrical Measurement&Instrumentation，2003，40（5）：35-38.

[4]姚廣平.一種相序判定方法分析及其實用電路[J].江蘇工業學院學報，2003（2）：50-52.

YAO Guang-ping.Analysis of unbalance three-phase circuit and a practical circuit for judging phase sequence[J].Journal of Jiangsu Polytechnic University，2003（2）：50-52.

[5]許應坤.斷相與相序保護繼電器：中國，CN2567848Y[P].［2003-8-20］.

[6]高巍.SJC-1型電機鑒相保護器的原理及應用[J].東方電氣評論，2002，16（3）:163-166.

GAO Wei.Principle and application of SJC-1 motor phase recognition and protection device[J].Dongfang Electric Review，2002，16（3）：163-166.

[7]王世才.電工基礎及測量[M].北京：中國電力出版社，2002:38-41.

[8]劉永紅.鍋爐MFT硬繼電器回路可靠性分析與改造[J].陜西電力，2010，38（3）：55-57.

LIU Yong-hong.Reliability analysis&retrofitting of boiler MFT hard relay circuit[J].Shaanxi Electric Power，2010，38（3）：55-57.