廠用電投切過程中異步電動機特性分析

邊乘

摘 要：在大型火電廠中快切裝置應用十分普遍，在廠用電投切過程中異步電動機的變化直接影響投切的結果，所以廠用電投切過程中異步電動機特性分析是十分必要的。

關鍵詞：快切；異步電動機

在土耳其現場快切調試時，在一次切換試驗中快切裝置顯示切換成功，但6kV段上電動機過流保護動作負載停機，由此問題引出本論文分析內容。

1 異步電動機在穩定運行狀態下的基本特點

異步電動機在穩態運行時，定子回路電壓方程為：

Um=Em+Im*Zm （1）

式中，Um為定子外加電壓相量；在忽略定子電阻時，Zm由電樞反應電抗Xar及定子繞組漏抗Xaσ構成；Em為異步電動機電勢相量。

Em電勢相量由轉子電流iR所形成的旋轉磁鏈切割定子繞組產生，Em與Um同頻率。這些都與同步電動機相同。不同的是iR不是直流而是交流，它是由定子電流所感生。當異步電動機為理想電機結構，即定子、轉子繞組三相對稱，相應的磁通沿氣隙為正弦分布時，iR亦為相量電流IR，其頻率小于fN，即滑差頻率，與電動機工作負載有關。在轉子繞組中的iR為三相對稱電流，即是異步電動機的勵磁電流，它所形成的旋轉磁場對轉子以ωs角速度正向旋轉，對定子則以角速度ωs+ωm=ωn旋轉，故感生的電勢Em為同步頻率。

另外，需著重說明的一點是，異步電動機電磁功率（即機械功率）輸出雖然仍可由功率角ArgEm/Um決定，但Em與異步電動機轉子位置無直接關系，異步電動機電磁（機械）功率輸出只與其滑差s有關，它由異步電動機M=f（s）力矩曲線確定。

2 異步電動機失壓后運行狀態的基本特點

異步電動機工作電源消失后就進入失壓狀態，若不計及并聯異步電動機的互饋作用，其定子電流為零，轉子繞組中失去由定子電流感應出的交流勵磁電流，但由于轉子繞組匝間有磁場，故當定子失壓后，轉子三相繞組產生瞬時電流，保持轉子三相繞組中電流不突變，此電流構成定子失壓后異步電動機的勵磁電流，它按轉子回路時間常數衰減。異步電動機失壓后的殘余電壓（電勢），就是由這一衰減直流產生的。

異步電動機定子失壓后雖仍有殘壓電勢，但無外加電壓，不產生轉矩，在電動機負載制動下，異步電動機轉速以較快速度下降，又進一步使殘壓減小。

需特別指出的是，因轉子中勵磁電流為衰減的直流，故異步電動機勵磁磁通以（1-s）ωn的角速度切割定子繞組，失壓前、后異步電動機電勢的頻率將由fN突然變為（1-s）fN。由于異步電動機不斷減速，故相應上述s將由啟動時滑差s0逐步加大，殘壓頻率不斷下降。[1]

3 廠用電切換過程中異步電動機工作狀態

異步電動機切換成功后將重新進入穩定運行狀態，在此情況下，其轉子勵磁電流又恢復為低頻交流在定子中感生同步電勢，由于可認為廠用機械負荷未變，異步電動機仍工作于失壓前原始滑差s0下。

圖1表明快切裝置動作全過程中異步電動機（等效異步電動機）轉子中電流的變化，圖中ia、ib、ic為轉子回路三相繞組中電流，I為ia、ib、ic在空間組成的電流相量，Δic為c相繞組中電流的非周期分量；電動機切入后只畫c相電流變化情況，a、b相電流類似；快切過程中滑差s不變。在0～t1之間，電流是頻率為s0fN的交流電流，在t1～t2之間為衰減直流，在t2瞬間異步電動機切換在備用電源上，立即產生交流勵磁電流，其頻率為s0′f，起始角與合閘瞬間備用電源電壓相角有關，因異步電動機失壓轉速會下降，故s0′>s0。因合閘瞬間定子有沖擊電流，故交流勵磁電流起始幅值較大。切入后的交流勵磁電壓頻率隨著異步電動機進入穩定狀態，如機械負荷沒有變化，則逐步由s0′轉變為s0。由于切換過程轉子繞組中勵磁由于切換過程轉子繞組中勵磁電流的變化（大小、相位和頻率）有自適應的性質，這就改善了切換過程中的各種沖擊。

（1）切換過程中的力矩沖擊。異步電動機切入定子電壓后定子出現電流。定子電流與異步電動機電勢Em起作用即產生以電磁力矩Me表示的電磁功率Pe。如在備用電源切入時異步電動機所帶的機械負載力矩為Mm′，則異步電動機就出現力矩沖擊ΔM和功率沖擊ΔP。

與同步電動機不同的是，同步電動機并列時Me由功角δ決定，而異步電動機Me與轉子機械位置無直接關系，僅取決于滑差s。

圖2曲線1為異步電動機電磁力矩Me與滑差s的關系曲線，曲線2為電機機械負載力矩Mm與轉速即s的關系曲線，Mm=f（s）。在正常穩定運行情況下，2根曲線交于0點，0點為穩定運行點。對應0點的滑差sN約在2%～5%之間。失壓后，Me=0。機械負載因轉速下降，沿Me=f（s）曲線向s增大方向移動至0′點。如在0′點異步電動機切入電壓，建立了Mm，其工作點應為0"，于是出現正ΔM，使異步電動機加速s減小。如切換過程中，負荷結構不變，則最終工作點回到0點。從圖2可見，Me=f（s）曲線一般在smax～0之間才是穩定的。在正常情況下，異步電動機工作點在這一線段的中偏下部分，所以從力矩沖擊而言最大力矩沖擊一般在2p.u.以上。單純從力矩沖擊看，似乎切換時對s無要求，實際上，若s過大，則沖擊過程持續過長，特別是當合閘時s過大，合閘沖擊電流就會過大。[2]

（2）切換過程中定子電流變化。在定子電壓切入后，定子電流由2部分構成：工頻分量Is與切入過程暫態分量。工頻分量易由異步電動機等值電流求出。當忽略異步電動機勵磁電流時，工頻分量電流可用下式表示：

式中Un為切入的系統電壓；x1、x2、r1、r2為定子和轉子繞組漏抗及電阻；s為滑差。

若切入時s不是很大，例如10%以內，則Is不是很大。暫態分量電流由切入瞬間系統電壓相位而定，它由2個因素確定。

a.合閘瞬間由式（3）所確定的Is相角而確定的電流。這一電流與電力系統突然短路時非周期分量電流起始值類似。隨Is起始角而定，它與切入瞬間Us瞬時值相等，方向相反。b.在切入瞬間，勵磁磁通要拉入與外加電壓對應，在此情況下轉子回路電流要發生沖擊，這一電流也要定子電流變化支持，于是又出現定子電流沖擊。

上述2項電流構成異步電動機切入時定子的暫態電流。從上面的分析可見，異步電動機切入時定子沖擊電流大小與以下條件有關：a.切入時滑差大小，它不僅影響式（3）中Is大小，而且影響其持續時間；b.切入瞬間EM與UM的角度差；c.切入前轉子殘余磁通的大小，它可由殘壓大小反映。

但是需注意，后2項影響所持續的時間由定子經外接阻抗短路時轉子回路時間常數確定，在切入過程中，轉子回路時間常數較小，所影響的定子電流消失較快。

4 結論

使得過流動作是有多個原因的，但是切入瞬間EM與UM的角度差大和轉子殘壓小這倆個原因是快切前的判據，所以這兩個原因不能使過流保護動作。最終的原因就是段上負荷小，使得滑差變化太大，導致定子電流Is過大過流保護動作。

參考文獻

[1]火力發電職業技能培訓教材.電氣試驗[M].北京：中國電力出版社，2004.

[2]電氣試驗技能培訓教材[M].北京：中國電力出版社，2004.