異步電動機三相電流不平衡MATLAB仿真研究

吳海杰+黃景昊+陳貞諭

【摘 要】電動機作為一種動力裝置在工業農業生產中有著舉足輕重的地位，但是由于工作環境等因素電動機很容易出現電流不平衡故障，所以研究電動機電流不平衡具有重要意義。本文仿真分析斷相、電壓驟降對異步電動機電流不平衡度的影響，并闡述負序保護的動作判據和整定計算，可以為電動機電流不平衡保護提供借鑒意義。

【關鍵詞】異步電動機；電流不平衡；負序保護；仿真

0 引言

在電力生產過程中，有大量的以電動機拖動的機械設備用以保證反應堆、汽輪發電機組等主設備和輔助設備的正常運行[1]。因此，電動機的可靠運行與電廠的安全穩定運行密切相關。

正常運行狀態下，異步電動機的三相電流基本相等。當發生斷相、匝間短路及電壓不對稱等故障時，電動機回路三相電流不平衡，產生負序電流分量。負序電流在電動機氣隙中產生一個與轉子旋轉方向相反的磁場，負序磁場產生制動轉矩，引起定子損耗、繞組溫升增加。同時，負序效應也使轉子繞組的損耗增加，產生振蕩轉矩，引起電動機的振動[2]。三相電流嚴重不平衡時可能會燒毀電動機。

1 異步電動機三相電流不平衡故障

異步電動機常見的故障類型有兩種，一種為三相短路、堵轉、過載等對稱故障，另一種為不對稱故障。異步電動機三相電流不平衡故障屬于不對稱故障，可分為接地性故障和非接地性故障。接地性故障包括單相接地短路與兩相接地短路，非接地性故障主要有斷相、兩相短路、匝間短路及電壓波動等。

當電動機發生接地性故障時，會產生零序電流，此時電動機配備的單相接地保護就能提供有效的保護；當電動機發生兩相短路時，表現為電流增大，此時速斷或過流保護就能達到保護電動機的目的。當發生斷相或電壓波動時，電動機回路中并無零序電流，電流也沒有明顯增加，單相接地保護和速斷保護不會動作，這種故障下電動機三相電流不平衡保護尤為重要。

2 異步電動機三相電流不平衡仿真

引起電動機三相電流不平衡的原因有很多，斷相故障比較常見。此外，實際也發生過勵磁涌流引起電壓不對稱驟降，進而導致電動機三相電流不平衡保護跳閘，所以本文對斷相故障和電壓驟降故障進行仿真。

2.1 Matlab/Simulink仿真環境

異步電動機是一個高階、強耦合的多變量系統，建立異步電動機的數學模型非常復雜。Matlab/Simulink是一款非常成熟的商業數學軟件，可用于微分方程數值計算、數據分析。利用Simulink友好的圖形化交互式建模環境、豐富的模塊庫，用戶可以快速完成建模，加上和Matlab的無縫結合，利用其強大的科學計算功能，用戶可以很方便地分析仿真結果。本文利用Simulink中的SimPowerSystems模塊不僅能快速搭建異步電動機模型，完成異步電動機三相電流不平衡仿真分析，而且還能夠對斷相、短路等不平衡故障進行仿真，大大提高了工作效率[3]。

2.2 電動機斷相故障仿真

采用一臺三相四極鼠籠型轉子異步電動機進行仿真，具體參數如下：額定功率Pn=37kW，額定電壓Un=380V，額定頻率fn=50Hz，定子繞組電阻為0.08233Ω，定子繞組漏感為0.000724H，轉子繞組電阻為0.0503Ω，轉子繞組漏感為0.000724Ω，定轉子繞組互感為0.02711H，轉動慣量J為0.37kg·m2，極對數p=1。通過設定三相斷路器模塊的參數，在1s時將電動機A相斷開，即可實現電動機斷相故障仿真。

從仿真波形中可以看出發生斷相故障后，電動機A相電流為零，B相和C相電流增大，約為額定電流的2倍，電流不平衡度達到100%，此時負序電流與正序電流基本相等，零序電流仍為零。可知斷相后電動機電流并沒有明顯增大，輕載下可能達不到過流保護的定值，所以不能以電流增大為判據來檢測斷相故障。電動機出現斷相故障后，電流不平衡度明顯增大，因此通過檢測電流不平衡度可以有效判斷斷相故障。

2.3 電壓驟降故障仿真

在0.5s施加額定負載，并通過三相可編程電源模塊，設定1.1s時A相電壓降為0.95UN，B相降為0.9UN，C相降為0.8UN。

從分析圖中可以看出三相供電電壓不同程度驟降后，電動機三相電流并沒有都下降。由于電動機出力不變，定子電流體現為A相和C相電流增大，B相電流減小。通過分析可知，電壓驟降瞬間電動機三相電流不平衡度達到了最大值40%，隨后穩定在30%左右。

3 負序過流保護

當發生斷相、供電電壓不平衡等故障時，電動機會出現較大的負序電流，三相電流不平衡度也較大，因此通過檢測負序電流和計算電流不平衡度就可以判斷故障，目前國內多采用負序過電流保護延時切除此類故障。

3.1 動作判據

負序過流保護的實現形式可以是定時限，也可以是反時限，亦或是定時限與反時限相結合。但無論是定時限特性還是反時限特性，負序過流保護的動作電流應躲過正常運行時電動機可能出現的最大負序電流，動作判據如下：

3.2 整定計算

電動機綜合保護均設置多段負序過流保護，整定值可根據現場實際情況選擇下列幾種保護功能計算：

（1）電動機兩相運行保護功能整定值計算：

為保證電動機在兩相運行時負序過流保護可靠動作，取I2.op.set=（0.4-0.6）Im.n，其中Im.n為電動機額定電流；動作時間按躲過區外不對稱短路故障切除最長時間計算，一般取T2.op.set=（3-4）s。

（2）電動機不對稱短路故障后備保護功能計算：

動作電流按躲過相鄰設備兩相短路時電動機可能的最大負序電流計算，一般可取I2.op.set=（4.2-5.2）Im.n；動作時間按躲過相鄰設備出口兩相短路時電動機高峰負序反饋電流持續時間計算，取T2.op.set=0.5s。

（3）電動機匝間短路故障輔助保護功能整定計算：

由于電動機匝間短路故障時具有負序電流特征，其值一般較小，動作電流應按躲過正常運行時電動機可能的最大負序電流，動作時間必須躲過系統不正常運行出現負序電流最長時間計算，所以取I2.op.set=（0.15-0.3）Im.n，T2.op.set=（6-8）s。

4 結束語

不平衡電流對電動機的危害很大，其會引起電動機轉子繞組損耗大大增加，為保護轉子不受不平衡電流的損害，建議電動機配置負序過流保護。

【參考文獻】

[1]李磊.廠用電動機保護配置的探討[J].中國高新技術企業，2013（28）：55-57.

[2]GB-T22713-2008不平衡電壓對三相籠型感應電動機性能的影響[S].

[3]吳登國，李曉明.異步電動機的建模仿真方法[J].電機與控制應用，2013，40（1）：1-5.

[責任編輯：許麗]