厂用电投切过程中异步电动机特性分析

边乘

摘 要：在大型火电厂中快切装置应用十分普遍，在厂用电投切过程中异步电动机的变化直接影响投切的结果，所以厂用电投切过程中异步电动机特性分析是十分必要的。

关键词：快切；异步电动机

在土耳其现场快切调试时，在一次切换试验中快切装置显示切换成功，但6kV段上电动机过流保护动作负载停机，由此问题引出本论文分析内容。

1 异步电动机在稳定运行状态下的基本特点

异步电动机在稳态运行时，定子回路电压方程为：

Um=Em+Im*Zm （1）

式中，Um为定子外加电压相量；在忽略定子电阻时，Zm由电枢反应电抗Xar及定子绕组漏抗Xaσ构成；Em为异步电动机电势相量。

Em电势相量由转子电流iR所形成的旋转磁链切割定子绕组产生，Em与Um同频率。这些都与同步电动机相同。不同的是iR不是直流而是交流，它是由定子电流所感生。当异步电动机为理想电机结构，即定子、转子绕组三相对称，相应的磁通沿气隙为正弦分布时，iR亦为相量电流IR，其频率小于fN，即滑差频率，与电动机工作负载有关。在转子绕组中的iR为三相对称电流，即是异步电动机的励磁电流，它所形成的旋转磁场对转子以ωs角速度正向旋转，对定子则以角速度ωs+ωm=ωn旋转，故感生的電势Em为同步频率。

另外，需着重说明的一点是，异步电动机电磁功率（即机械功率）输出虽然仍可由功率角ArgEm/Um决定，但Em与异步电动机转子位置无直接关系，异步电动机电磁（机械）功率输出只与其滑差s有关，它由异步电动机M=f（s）力矩曲线确定。

2 异步电动机失压后运行状态的基本特点

异步电动机工作电源消失后就进入失压状态，若不计及并联异步电动机的互馈作用，其定子电流为零，转子绕组中失去由定子电流感应出的交流励磁电流，但由于转子绕组匝间有磁场，故当定子失压后，转子三相绕组产生瞬时电流，保持转子三相绕组中电流不突变，此电流构成定子失压后异步电动机的励磁电流，它按转子回路时间常数衰减。异步电动机失压后的残余电压（电势），就是由这一衰减直流产生的。

异步电动机定子失压后虽仍有残压电势，但无外加电压，不产生转矩，在电动机负载制动下，异步电动机转速以较快速度下降，又进一步使残压减小。

需特别指出的是，因转子中励磁电流为衰减的直流，故异步电动机励磁磁通以（1-s）ωn的角速度切割定子绕组，失压前、后异步电动机电势的频率将由fN突然变为（1-s）fN。由于异步电动机不断减速，故相应上述s将由启动时滑差s0逐步加大，残压频率不断下降。[1]

3 厂用电切换过程中异步电动机工作状态

异步电动机切换成功后将重新进入稳定运行状态，在此情况下，其转子励磁电流又恢复为低频交流在定子中感生同步电势，由于可认为厂用机械负荷未变，异步电动机仍工作于失压前原始滑差s0下。

图1表明快切装置动作全过程中异步电动机（等效异步电动机）转子中电流的变化，图中ia、ib、ic为转子回路三相绕组中电流，I为ia、ib、ic在空间组成的电流相量，Δic为c相绕组中电流的非周期分量；电动机切入后只画c相电流变化情况，a、b相电流类似；快切过程中滑差s不变。在0～t1之间，电流是频率为s0fN的交流电流，在t1～t2之间为衰减直流，在t2瞬间异步电动机切换在备用电源上，立即产生交流励磁电流，其频率为s0′f，起始角与合闸瞬间备用电源电压相角有关，因异步电动机失压转速会下降，故s0′>s0。因合闸瞬间定子有冲击电流，故交流励磁电流起始幅值较大。切入后的交流励磁电压频率随着异步电动机进入稳定状态，如机械负荷没有变化，则逐步由s0′转变为s0。由于切换过程转子绕组中励磁由于切换过程转子绕组中励磁电流的变化（大小、相位和频率）有自适应的性质，这就改善了切换过程中的各种冲击。

（1）切换过程中的力矩冲击。异步电动机切入定子电压后定子出现电流。定子电流与异步电动机电势Em起作用即产生以电磁力矩Me表示的电磁功率Pe。如在备用电源切入时异步电动机所带的机械负载力矩为Mm′，则异步电动机就出现力矩冲击ΔM和功率冲击ΔP。

与同步电动机不同的是，同步电动机并列时Me由功角δ决定，而异步电动机Me与转子机械位置无直接关系，仅取决于滑差s。

图2曲线1为异步电动机电磁力矩Me与滑差s的关系曲线，曲线2为电机机械负载力矩Mm与转速即s的关系曲线，Mm=f（s）。在正常稳定运行情况下，2根曲线交于0点，0点为稳定运行点。对应0点的滑差sN约在2%～5%之间。失压后，Me=0。机械负载因转速下降，沿Me=f（s）曲线向s增大方向移动至0′点。如在0′点异步电动机切入电压，建立了Mm，其工作点应为0"，于是出现正ΔM，使异步电动机加速s减小。如切换过程中，负荷结构不变，则最终工作点回到0点。从图2可见，Me=f（s）曲线一般在smax～0之间才是稳定的。在正常情况下，异步电动机工作点在这一线段的中偏下部分，所以从力矩冲击而言最大力矩冲击一般在2p.u.以上。单纯从力矩冲击看，似乎切换时对s无要求，实际上，若s过大，则冲击过程持续过长，特别是当合闸时s过大，合闸冲击电流就会过大。[2]

（2）切换过程中定子电流变化。在定子电压切入后，定子电流由2部分构成：工频分量Is与切入过程暂态分量。工频分量易由异步电动机等值电流求出。当忽略异步电动机励磁电流时，工频分量电流可用下式表示：

式中Un为切入的系统电压；x1、x2、r1、r2为定子和转子绕组漏抗及电阻；s为滑差。

若切入时s不是很大，例如10%以内，则Is不是很大。暂态分量电流由切入瞬间系统电压相位而定，它由2个因素确定。

a.合闸瞬间由式（3）所确定的Is相角而确定的电流。这一电流与电力系统突然短路时非周期分量电流起始值类似。随Is起始角而定，它与切入瞬间Us瞬时值相等，方向相反。b.在切入瞬间，励磁磁通要拉入与外加电压对应，在此情况下转子回路电流要发生冲击，这一电流也要定子电流变化支持，于是又出现定子电流冲击。

上述2项电流构成异步电动机切入时定子的暂态电流。从上面的分析可见，异步电动机切入时定子冲击电流大小与以下条件有关：a.切入时滑差大小，它不仅影响式（3）中Is大小，而且影响其持续时间；b.切入瞬间EM与UM的角度差；c.切入前转子残余磁通的大小，它可由残压大小反映。

但是需注意，后2项影响所持续的时间由定子经外接阻抗短路时转子回路时间常数确定，在切入过程中，转子回路时间常数较小，所影响的定子电流消失较快。

4 结论

使得过流动作是有多个原因的，但是切入瞬间EM与UM的角度差大和转子残压小这俩个原因是快切前的判据，所以这两个原因不能使过流保护动作。最终的原因就是段上负荷小，使得滑差变化太大，导致定子电流Is过大过流保护动作。

参考文献

[1]火力发电职业技能培训教材.电气试验[M].北京：中国电力出版社，2004.

[2]电气试验技能培训教材[M].北京：中国电力出版社，2004.