大型高壓三相感應電動機短路故障分析

侯 宇

(佳木斯電機股份有限公司，黑龍江 佳木斯 154002)

0 引言

感應電機的瞬態過程對電網和電機本身的沖擊會隨著電機功率的增加而變得越發嚴重，其中電動機的短路故障是最常見的瞬態過程之一。有必要針對大型感應電動機短路故障的整個運行過程及各個物理量隨時間的變化規律進行研究和分析，確認短路故障過程中對電機和整個系統影響比較嚴重的電氣參數和機械參數，進而為整個系統的繼電保護設備選擇和調試提供可靠的理論依據，防止因短路故障產生的較大沖擊電流和脈動轉矩影響電動機和整個系統的安全性[1]。

利用有限元法研究可以避免忽略感應電動機短路時其轉子中所感應的渦流、集膚效應、氣隙磁場的高次諧波、鐵心的磁飽以及不同運行條件對電動機電磁參數的影響等因素，可以更準確地反映出電動機內部電磁場的分布情況，能夠對短路狀態下電動機的運行特性進行更好地描述[2]。本研究以一臺YKS1000-4 11 500 KW 6.6 kV電動機為例，建立了計算電動機短路的二維電磁場有限元仿真模型，并對電動機各種短路工況進行了計算和研究。

1 模型與邊值問題

在建立大型高壓感應電動機數學模型之前，假設條件如下[3]：

(1)磁場沿著電機軸向設為不變，利用二維場來解決問題。

(2)認定電動機定子繞組截面的電流密度是均勻的，不考慮定子繞組中出現的集膚效應。

(3)設定計算溫度是75℃，不考慮溫度對電阻率的影響。

(4)假設電動機電源為正弦的三相交流電，不含有諧波。

本次研究對象的二維電磁場模型見圖1。為了縮短計算周期，選用了1/2模型。在圖1所示的求解區域范圍內，利用電動機矢量磁位A對數學模型進行描述。依照上述假設條件，矢量磁位A在空間上僅有Z軸分量，也就是說A=Az，因此，該電機的二維非線性恒定磁場的邊值問題為：

(1)

式中：μ為介質磁導率；σ為介質電導率；Jz為電流密度。

圖1 電動機二維電磁場仿真模型

2 短路仿真計算

目前，很多學者利用Ansys Maxwell 2D模型增加了外部電路的延時開關，以此來實現電動機的短路[4]。但增加外電路會降低仿真速度。本研究提出了一種在Ansys Maxwell 2D模型繞組電源設置中增加條件語句來實現短路的方法，具體見圖2。在圖2中可以看出，Phase Ad的Voltage一欄改為if(time<=2,5 388.88*sin(2*pi*50*time),0)，也就是說t=2s之前A相的電壓為5 388.88*sin(2*pi*50*time)，這樣A相、B相和C相構成了三相對稱交流電，電機正常運行，t=2s時令A相電壓為0，發生短路。

圖2 A相短路設置

三相感應電動機短路主要分為單相短路、兩相短路和三相短路。樣機的額定電流和額定轉矩分別為1 122.1 A和73.46 kNm。先分析單相短路。以A相為例，在t=2 s時，電機定子繞組A相接地短路。定子電流故障曲線和電磁轉矩故障曲線分別見圖3和圖4。從圖中可以看出，各物理量在t=2 s時突變，最后趨于穩定，短路電流最大瞬時值為 8 951.05 A，約為額定電流的7.98倍；轉矩瞬時最大值為300.35 kNm，是電動機額定轉矩的4.09倍。

圖3 定子電流故障曲線

圖4 電磁轉矩故障曲線

同理，利用上述方法分別計算了電動機定子繞組兩相短路和三相短路的電流和轉矩，具體結果見表1。從表1中可以看出，短路電流倍數最大為12.26倍，短路時轉矩倍數最大為5.26倍，即使一段時間過后電流和轉矩曲線趨于穩定，但數值也相對較高，會影響電機絕緣壽命以及整個系統軸系的安全性，因此不允許在此狀態下長時間運行。

表1 各種短路工況計算結果

3 結語

本研究提出了一種在Ansys Maxwell 2D模型繞組電源設置中增加條件語句來實現短路的方法，同時計算了電動機YKS1000-4 11 500 KW 6.6 kV的短路工況，得到了相關電氣參數和機械參數。計算結果表明，電動機短路時會給電機和系統帶來較大危害，采取適當的保護方法是十分必要的。