高压高效率三相异步电动机短路故障分析

(佳木斯防爆电机研究所，黑龙江佳木斯 154005)

0 引言

电动机作为耗用电能的产品广泛应用于工业、商业、公共设施、家用等各个领域，电动机中大量采用的是三相异步电动机。GB 30254—2013《高压三相笼型异步电动机能效限定值及能效等级》的发布实施，标志着高效节能电机将是今后电机研制的一个主要方向[1]。

短路是电动机最常发生的故障之一，如果短路持续时间较长，可能使绕组温度剧升，电机绕组绝缘强度下降、使用寿命更是呈指数倍下降，严重影响电机工作的安全可靠性[2]。

相对于传统公式及Simulink等方法计算短路，采用数值法可以充分考虑电机铁心结构的变化、气隙磁场的高次谐波、磁路饱和等[3]，因此本文以一台YXKS 630-4 4000kW 6kV电机为研究对象，建立了发电机的二维有限元模型，对电动机单相短路、两相短路和三相短路进行了仿真计算，为电机的控制和调节系统设计提供科学依据。

1 模型与边值问题

本文所研究的三相异步电动机，基本参数见表1。

表1 电动机基本参数

对磁场进行有限元分析的基本假设如下[3]

(1)磁场沿电机轴向不变，把问题作为二维磁场来处理；

(2)忽略定子绕组中涡流引起的集肤效应，认为电密在定子绕组截面上保持均匀；

(3)忽略温度对电导率的影响，假定计算温度为 75℃；

(4)忽略电网中的谐波含量，认为激励为正弦函数。

本文所选样机的二维有限元模型见图1，在所给定的求解区域内，用向量磁位对数学模型进行表述。根据假设，A只有Z分量，即A=AZ，则满足的二维非线性恒定磁场的边值问题为

(1)

式中，Jz—源电流密度的z轴分量；μ—媒质的磁导率；σ—媒质的电导率；Az—矢量磁位轴向分量。

图1 电动机二维有限元模型

2 短路计算与分析

本文采用有限元法对电动机的短路进行仿真和计算。目前，大部分工程师采用外电路控制方式进行电机的短路仿真[4]，由于链接外电路后，仿真周期过长，为了缩短仿真周期，本文采用图2所示的方法。如图2所示，在1s时令A相短路，在A相绕组激励的电压栏增加条件语句if(time≤1,4898.98×sin(2×pi×50×time),0)，1s之前电压正常，与B相和C相构成三相对称交流电，1s后令A相电压为零，发生短路。两相和三相短路同理，令发生短路的相电压为零。

图2 短路实现方法

2.1 单相短路

以A相为例，利用图2方法实现短路。在0≤t<1时，电动机空载运行，在t=1s时，电机发生A相短路。定子电流和转矩随时间的变化曲线见图3和图4。短路电流最大瞬时值为4127.68A，约为额定电流的9.16倍；转矩最大值为132.23kN，为额定转矩的5.16倍。

图3 单相短路电流-时间曲线

图4 单相短路转矩-时间曲线

2.2 两相短路

以A、B相短路为例，利用图2方法实现短路。在0≤t<1时，电动机空载运行，在t=1s时，电机发生A、B相间短路。定子电流和转矩随时间的变化曲线见图5和图6。从图中可以看出短路电流最大瞬时值为5063.14A，为额定电流的11.24倍，转矩最大值为164.74kN，为额定转矩的6.43倍。

图5 两相短路电流-时间曲线

图6 两相短路转矩-时间曲线

2.3 三相短路

利用图2方法实现短路，在0≤t<1时，电动机空载运行，在t=1s时，电机发生三相短路。各物理量随时间的变化曲线如图7、图8所示。从图中可以看出，相对于单相和两相短路，三相短路时电流和转矩的最大瞬时值都比较高，最终衰减为零。这是因为当三相电源短路后，感应电机由于无外部电功率供给，稳态电流将为零、转矩为零、转速将逐步减小，最终转速减小到零，电机无法正常工作。

虽然电机最终静止，但是短路后的一点时间内，短路电流和转矩都非常大，短路电流最大瞬时值约为额定电流的13.9倍，转矩最大值约为额定转矩的5.95倍，对电机的绕组以及轴系产生危害，同时电流过大也会对电网产生巨大冲击。

图7 三相短路电流-时间曲线

图8 三相短路转矩-时间曲线

3 结语

本文对通过短路的仿真方法，以一台4000kW电动机为研究对象，对电动机的单相短路、两相短路和三相短路进行了仿真分析。仿真结果表明短路冲击电流的瞬时值和转矩瞬时值较大，对电机及传动系统的危害较大，因此不允许该类电机在短路故障状态下运行，为避免该类事故发生，应采用适当的保护措施。短路故障的分析为系统的继电保护装置提供了理论依据。