高壓高效率三相異步電動機短路故障分析

(佳木斯防爆電機研究所，黑龍江佳木斯 154005)

0 引言

電動機作為耗用電能的產品廣泛應用于工業、商業、公共設施、家用等各個領域，電動機中大量采用的是三相異步電動機。GB 30254—2013《高壓三相籠型異步電動機能效限定值及能效等級》的發布實施，標志著高效節能電機將是今后電機研制的一個主要方向[1]。

短路是電動機最常發生的故障之一，如果短路持續時間較長，可能使繞組溫度劇升，電機繞組絕緣強度下降、使用壽命更是呈指數倍下降，嚴重影響電機工作的安全可靠性[2]。

相對于傳統公式及Simulink等方法計算短路，采用數值法可以充分考慮電機鐵心結構的變化、氣隙磁場的高次諧波、磁路飽和等[3]，因此本文以一臺YXKS 630-4 4000kW 6kV電機為研究對象，建立了發電機的二維有限元模型，對電動機單相短路、兩相短路和三相短路進行了仿真計算，為電機的控制和調節系統設計提供科學依據。

1 模型與邊值問題

本文所研究的三相異步電動機，基本參數見表1。

表1 電動機基本參數

對磁場進行有限元分析的基本假設如下[3]

(1)磁場沿電機軸向不變，把問題作為二維磁場來處理；

(2)忽略定子繞組中渦流引起的集膚效應，認為電密在定子繞組截面上保持均勻；

(3)忽略溫度對電導率的影響，假定計算溫度為 75℃；

(4)忽略電網中的諧波含量，認為激勵為正弦函數。

本文所選樣機的二維有限元模型見圖1，在所給定的求解區域內，用向量磁位對數學模型進行表述。根據假設，A只有Z分量，即A=AZ，則滿足的二維非線性恒定磁場的邊值問題為

(1)

式中，Jz—源電流密度的z軸分量；μ—媒質的磁導率；σ—媒質的電導率；Az—矢量磁位軸向分量。

圖1 電動機二維有限元模型

2 短路計算與分析

本文采用有限元法對電動機的短路進行仿真和計算。目前，大部分工程師采用外電路控制方式進行電機的短路仿真[4]，由于鏈接外電路后，仿真周期過長，為了縮短仿真周期，本文采用圖2所示的方法。如圖2所示，在1s時令A相短路，在A相繞組激勵的電壓欄增加條件語句if(time≤1,4898.98×sin(2×pi×50×time),0)，1s之前電壓正常，與B相和C相構成三相對稱交流電，1s后令A相電壓為零，發生短路。兩相和三相短路同理，令發生短路的相電壓為零。

圖2 短路實現方法

2.1 單相短路

以A相為例，利用圖2方法實現短路。在0≤t<1時，電動機空載運行，在t=1s時，電機發生A相短路。定子電流和轉矩隨時間的變化曲線見圖3和圖4。短路電流最大瞬時值為4127.68A，約為額定電流的9.16倍；轉矩最大值為132.23kN，為額定轉矩的5.16倍。

圖3 單相短路電流-時間曲線

圖4 單相短路轉矩-時間曲線

2.2 兩相短路

以A、B相短路為例，利用圖2方法實現短路。在0≤t<1時，電動機空載運行，在t=1s時，電機發生A、B相間短路。定子電流和轉矩隨時間的變化曲線見圖5和圖6。從圖中可以看出短路電流最大瞬時值為5063.14A，為額定電流的11.24倍，轉矩最大值為164.74kN，為額定轉矩的6.43倍。

圖5 兩相短路電流-時間曲線

圖6 兩相短路轉矩-時間曲線

2.3 三相短路

利用圖2方法實現短路，在0≤t<1時，電動機空載運行，在t=1s時，電機發生三相短路。各物理量隨時間的變化曲線如圖7、圖8所示。從圖中可以看出，相對于單相和兩相短路，三相短路時電流和轉矩的最大瞬時值都比較高，最終衰減為零。這是因為當三相電源短路后，感應電機由于無外部電功率供給，穩態電流將為零、轉矩為零、轉速將逐步減小，最終轉速減小到零，電機無法正常工作。

雖然電機最終靜止，但是短路后的一點時間內，短路電流和轉矩都非常大，短路電流最大瞬時值約為額定電流的13.9倍，轉矩最大值約為額定轉矩的5.95倍，對電機的繞組以及軸系產生危害，同時電流過大也會對電網產生巨大沖擊。

圖7 三相短路電流-時間曲線

圖8 三相短路轉矩-時間曲線

3 結語

本文對通過短路的仿真方法，以一臺4000kW電動機為研究對象，對電動機的單相短路、兩相短路和三相短路進行了仿真分析。仿真結果表明短路沖擊電流的瞬時值和轉矩瞬時值較大，對電機及傳動系統的危害較大，因此不允許該類電機在短路故障狀態下運行，為避免該類事故發生，應采用適當的保護措施。短路故障的分析為系統的繼電保護裝置提供了理論依據。