大型高壓三相感應(yīng)電動(dòng)機(jī)短路故障分析

侯 宇

(佳木斯電機(jī)股份有限公司，黑龍江 佳木斯 154002)

0 引言

感應(yīng)電機(jī)的瞬態(tài)過程對(duì)電網(wǎng)和電機(jī)本身的沖擊會(huì)隨著電機(jī)功率的增加而變得越發(fā)嚴(yán)重，其中電動(dòng)機(jī)的短路故障是最常見的瞬態(tài)過程之一。有必要針對(duì)大型感應(yīng)電動(dòng)機(jī)短路故障的整個(gè)運(yùn)行過程及各個(gè)物理量隨時(shí)間的變化規(guī)律進(jìn)行研究和分析，確認(rèn)短路故障過程中對(duì)電機(jī)和整個(gè)系統(tǒng)影響比較嚴(yán)重的電氣參數(shù)和機(jī)械參數(shù)，進(jìn)而為整個(gè)系統(tǒng)的繼電保護(hù)設(shè)備選擇和調(diào)試提供可靠的理論依據(jù)，防止因短路故障產(chǎn)生的較大沖擊電流和脈動(dòng)轉(zhuǎn)矩影響電動(dòng)機(jī)和整個(gè)系統(tǒng)的安全性[1]。

利用有限元法研究可以避免忽略感應(yīng)電動(dòng)機(jī)短路時(shí)其轉(zhuǎn)子中所感應(yīng)的渦流、集膚效應(yīng)、氣隙磁場的高次諧波、鐵心的磁飽以及不同運(yùn)行條件對(duì)電動(dòng)機(jī)電磁參數(shù)的影響等因素，可以更準(zhǔn)確地反映出電動(dòng)機(jī)內(nèi)部電磁場的分布情況，能夠?qū)Χ搪窢顟B(tài)下電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行特性進(jìn)行更好地描述[2]。本研究以一臺(tái)YKS1000-4 11 500 KW 6.6 kV電動(dòng)機(jī)為例，建立了計(jì)算電動(dòng)機(jī)短路的二維電磁場有限元仿真模型，并對(duì)電動(dòng)機(jī)各種短路工況進(jìn)行了計(jì)算和研究。

1 模型與邊值問題

在建立大型高壓感應(yīng)電動(dòng)機(jī)數(shù)學(xué)模型之前，假設(shè)條件如下[3]：

(1)磁場沿著電機(jī)軸向設(shè)為不變，利用二維場來解決問題。

(2)認(rèn)定電動(dòng)機(jī)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(xiàn)的集膚效應(yīng)。

(3)設(shè)定計(jì)算溫度是75℃，不考慮溫度對(duì)電阻率的影響。

(4)假設(shè)電動(dòng)機(jī)電源為正弦的三相交流電，不含有諧波。

本次研究對(duì)象的二維電磁場模型見圖1。為了縮短計(jì)算周期，選用了1/2模型。在圖1所示的求解區(qū)域范圍內(nèi)，利用電動(dòng)機(jī)矢量磁位A對(duì)數(shù)學(xué)模型進(jìn)行描述。依照上述假設(shè)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(jī)的二維非線性恒定磁場的邊值問題為：

(1)

式中：μ為介質(zhì)磁導(dǎo)率；σ為介質(zhì)電導(dǎo)率；Jz為電流密度。

圖1 電動(dòng)機(jī)二維電磁場仿真模型

2 短路仿真計(jì)算

目前，很多學(xué)者利用Ansys Maxwell 2D模型增加了外部電路的延時(shí)開關(guān)，以此來實(shí)現(xiàn)電動(dòng)機(jī)的短路[4]。但增加外電路會(huì)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(shè)置中增加條件語句來實(shí)現(xiàn)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(gòu)成了三相對(duì)稱交流電，電機(jī)正常運(yùn)行，t=2s時(shí)令A(yù)相電壓為0，發(fā)生短路。

圖2 A相短路設(shè)置

三相感應(yīng)電動(dòng)機(jī)短路主要分為單相短路、兩相短路和三相短路。樣機(jī)的額定電流和額定轉(zhuǎn)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(shí)，電機(jī)定子繞組A相接地短路。定子電流故障曲線和電磁轉(zhuǎn)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(shí)突變，最后趨于穩(wěn)定，短路電流最大瞬時(shí)值為 8 951.05 A，約為額定電流的7.98倍；轉(zhuǎn)矩瞬時(shí)最大值為300.35 kNm，是電動(dòng)機(jī)額定轉(zhuǎn)矩的4.09倍。

圖3 定子電流故障曲線

圖4 電磁轉(zhuǎn)矩故障曲線

同理，利用上述方法分別計(jì)算了電動(dòng)機(jī)定子繞組兩相短路和三相短路的電流和轉(zhuǎn)矩，具體結(jié)果見表1。從表1中可以看出，短路電流倍數(shù)最大為12.26倍，短路時(shí)轉(zhuǎn)矩倍數(shù)最大為5.26倍，即使一段時(shí)間過后電流和轉(zhuǎn)矩曲線趨于穩(wěn)定，但數(shù)值也相對(duì)較高，會(huì)影響電機(jī)絕緣壽命以及整個(gè)系統(tǒng)軸系的安全性，因此不允許在此狀態(tài)下長時(shí)間運(yùn)行。

表1 各種短路工況計(jì)算結(jié)果

3 結(jié)語

本研究提出了一種在Ansys Maxwell 2D模型繞組電源設(shè)置中增加條件語句來實(shí)現(xiàn)短路的方法，同時(shí)計(jì)算了電動(dòng)機(jī)YKS1000-4 11 500 KW 6.6 kV的短路工況，得到了相關(guān)電氣參數(shù)和機(jī)械參數(shù)。計(jì)算結(jié)果表明，電動(dòng)機(jī)短路時(shí)會(huì)給電機(jī)和系統(tǒng)帶來較大危害，采取適當(dāng)?shù)谋Ｗo(hù)方法是十分必要的。