三相同步電動機定子接地故障分析

蘇國霞，王立名

(佳木斯電機股份有限公司，黑龍江佳木斯154002)

0 引言

大型同步電機具有結構簡單、維護方便、輸出穩(wěn)定等優(yōu)點，廣泛應用于石油、化工、礦山等領域。隨著同步電機用量的不斷增加，發(fā)生故障的機率也相應增加，對生產造成較大影響。同步電機可能發(fā)生的故障類型較多，常見的、危害最嚴重的是短路故障，短路故障包括單相接地故障、兩相接地故障及三相接地故障。在這三種短路故障中單相接地故障最為常見，而三相接地故障造成的后果最嚴重。為了減少損失、提高電機運行可靠性，研究短路故障的意義非常重大。本文從建立同步電動機模型出發(fā)，分別對上述三種短路故障進行了仿真研究。

1 三相同步電動機

1.1 三相同步電動機的物理模型

圖1 是一臺凸極同步電機的定、轉子繞組布置示意圖，定子裝有A、B、C 對稱三相繞組，定子繞組接成Y 形;轉子上裝有勵磁繞組f、阻尼繞組(分解成直軸阻尼繞組D 和交軸阻尼繞組Q)。

定子繞組、勵磁繞組、阻尼繞組均采用電動機慣例，即以輸入電流作為電流的正方向，如圖2 所示。繞組通過正向電流時，產生正值磁鏈。

圖1 凸極同步電動機的繞組布置

圖2 凸極同步電動機的電壓、電流方向

1.2 三相同步電動機的數學模型

1.2.1 假定

為便于分析，作如下簡化假設，假設電機為“理想電機”。理想電機的基本假設如下

(1)電機的磁路為線性，鐵心中的磁滯和渦流損耗忽略不計。

(2)氣隙磁場在空間為正弦分布，磁場的高次諧波忽略不計。

(3)定、轉子表面設為光滑，齒、槽的影響用卡式系數來計及。

(4)直軸和交軸氣隙可以不等，但氣隙的比磁導可以用平均比磁導加上高次諧波比磁導來表示。

(5)對于三相交流電機，定子繞組為對稱三相繞組。

(6)忽略鐵心損耗，忽略磁路飽和的影響。(7)忽略溫度變化對繞組電阻的影響。

1.2.2 數學模型

在理想電機的假定下，根據動態(tài)耦合電路法，可以列出在相坐標系(即ABC 坐標系)中同步電動機的運動方程。

(1)磁鏈方程

同步電動機采用電動機慣例，即以輸入電流作為電流的正方向，繞組通過正向電流時，產生正值磁鏈。每個繞組的磁鏈是由它本身的自感磁鏈和其他繞組對它的互感磁鏈之和。6 個繞組的磁鏈方程表達如下

式中，Ψ—磁鏈矩陣;L—電感矩陣，其中對角線元素為各相繞組自感，其余為各相繞組互感;i—電流矩陣。方程展開如下

方程展開如下

(3)運動方程

式中，Te—電磁轉矩;TL—負載阻轉矩;J—機組的轉動慣量;RΩ—阻尼系數;Ω—轉子的機械角速度。

(4)短路時端口電壓方程

設端口電壓為角頻率為ω 的三相對稱交流正弦波電源，并電網電壓保持恒定，且為額定值。則在電機發(fā)生接地故障時，電機端口電壓方程分別為式(6)～式(7)所示。

當電機發(fā)生單相接地故障時，端口電壓方程為(設A 相為短路相)

2 定子繞組接地故障分析

2.1 三相同步電機的仿真參數

PN=2200kW，UN=10kV，NN=300rpm，Xe=0.1185，Re=0.0112，Xd=1.1208，Xq=0.6618，Rd=0.0671，Rq=0.0514，Xad=1.0023，Xaq=0.5433，Rf=0.00179，Xf=0.1681。

2.2 仿真模型

根據三相同步電動機的數學模型，運用Ansoft軟件中的RMxprt/Maxwell 2D 模塊立仿真分析模型分別如圖3、圖4 所示。

圖3 RMxprt 仿真模型

圖4 Maxwell 2D 仿真模型

2.3 故障分析

2.3.1 單相接地故障

以A 相突然接地短路為例，電機正常運行到0.5s 時突然發(fā)生單相接地故障，故障定子電流及轉矩曲線如圖5、圖6 所示。從中可以看出短路發(fā)生瞬間，定子電流約為正常電流的6 倍，衰減后電機趨向短路穩(wěn)定運行。由于電流較大，將產生很大的電磁力，將損壞定子繞組，特別是繞組端部。而且較大的電流使繞組銅耗劇增，使電機溫升增大。

圖5 單相接地故障定子電流曲線

圖6 單相接地故障轉矩曲線

2.3.2 兩相接地故障

以A、B 相突然接地短路為例，電機正常運行到0.5s 時突然發(fā)生兩相接地故障，故障定子電流及轉矩曲線如圖7、圖8 所示。從中可以看出短路發(fā)生瞬間，定子電流約為正常電流的5 倍。電機長時間運行在大電流下，將使電機溫度升高、絕緣破壞。而且短路所產生的電磁轉矩達到額定轉矩的3 倍以上，極易造成電機轉軸、機座和地腳螺栓等結構件損傷。

圖8 兩相接地故障轉矩曲線

2.3.3 三相接地故障

電機正常運行到0.5s 時突然發(fā)生三相接地故障，故障定子電流及轉矩曲線如圖9、圖10 所示。三相接地故障是最危險的短路故障，它使電機轉矩急劇降低，直到為零，將使電機無法運行。

圖10 三相接地故障轉矩曲線

3 結語

通過對三相同步電動機定子繞組突然單相、兩相、三相接地故障分析可看出:短路故障使電機定子繞組長時間工作在大電流下，電機繞組溫度升高、絕緣下降，嚴重時繞組損壞、變形，而且波及轉軸、機座、地腳螺栓等結構件，給電機的長期安全運行帶來較大危害。因此不允電機在故障狀態(tài)下運行，為避免事故發(fā)生，應采取適當保護措施。即在線路中增加缺相運行保護裝置，常用的保護方法有:采用帶斷相保護裝置的熱繼電器作缺相保護，零序電壓繼電器斷相保護;斷絲電壓繼電器斷相保護;利用速飽和電流互感器保護等。

［1］ 湯蘊璆，張奕黃，范瑜.交流電機動態(tài)分析［M］. 北京:機械工業(yè)出版社，2004:91-104.

［2］ 許實章.電機學［M］. 北京:機械工業(yè)出版社(第3版)，1995:354-366.

［3］ 孫宇光，王祥珩，桂林，等. 場路耦合法計算同步發(fā)電機定子繞組內部故障的暫態(tài)過程［J］.中國電機工程學報，2004，24(1):136-141.

［4］ 張琦雪，王祥珩，王維儉.大型水輪發(fā)電機中性點高阻接地暫態(tài)分析［J］.中國電機工程學報，2004，28(1):30-33.

［5］ 胡敏強，屠黎明，林鶴云，等. 水輪發(fā)電機定子繞組內部故障暫態(tài)電量仿真及其規(guī)律探討［J］.中國電機工程學報，1999，19(5):3-8.

［6］ 張東宇，張勝男.永磁直驅同步風力發(fā)電機電磁設計及仿真分析，防爆電機，2014.3.