大型高压三相感应电动机短路故障分析

侯 宇

(佳木斯电机股份有限公司，黑龙江 佳木斯 154002)

0 引言

感应电机的瞬态过程对电网和电机本身的冲击会随着电机功率的增加而变得越发严重，其中电动机的短路故障是最常见的瞬态过程之一。有必要针对大型感应电动机短路故障的整个运行过程及各个物理量随时间的变化规律进行研究和分析，确认短路故障过程中对电机和整个系统影响比较严重的电气参数和机械参数，进而为整个系统的继电保护设备选择和调试提供可靠的理论依据，防止因短路故障产生的较大冲击电流和脉动转矩影响电动机和整个系统的安全性[1]。

利用有限元法研究可以避免忽略感应电动机短路时其转子中所感应的涡流、集肤效应、气隙磁场的高次谐波、铁心的磁饱以及不同运行条件对电动机电磁参数的影响等因素，可以更准确地反映出电动机内部电磁场的分布情况，能够对短路状态下电动机的运行特性进行更好地描述[2]。本研究以一台YKS1000-4 11 500 KW 6.6 kV电动机为例，建立了计算电动机短路的二维电磁场有限元仿真模型，并对电动机各种短路工况进行了计算和研究。

1 模型与边值问题

在建立大型高压感应电动机数学模型之前，假设条件如下[3]：

(1)磁场沿着电机轴向设为不变，利用二维场来解决问题。

(2)认定电动机定子绕组截面的电流密度是均匀的，不考虑定子绕组中出现的集肤效应。

(3)设定计算温度是75℃，不考虑温度对电阻率的影响。

(4)假设电动机电源为正弦的三相交流电，不含有谐波。

本次研究对象的二维电磁场模型见图1。为了缩短计算周期，选用了1/2模型。在图1所示的求解区域范围内，利用电动机矢量磁位A对数学模型进行描述。依照上述假设条件，矢量磁位A在空间上仅有Z轴分量，也就是说A=Az，因此，该电机的二维非线性恒定磁场的边值问题为：

(1)

式中：μ为介质磁导率；σ为介质电导率；Jz为电流密度。

图1 电动机二维电磁场仿真模型

2 短路仿真计算

目前，很多学者利用Ansys Maxwell 2D模型增加了外部电路的延时开关，以此来实现电动机的短路[4]。但增加外电路会降低仿真速度。本研究提出了一种在Ansys Maxwell 2D模型绕组电源设置中增加条件语句来实现短路的方法，具体见图2。在图2中可以看出，Phase Ad的Voltage一栏改为if(time<=2,5 388.88*sin(2*pi*50*time),0)，也就是说t=2s之前A相的电压为5 388.88*sin(2*pi*50*time)，这样A相、B相和C相构成了三相对称交流电，电机正常运行，t=2s时令A相电压为0，发生短路。

图2 A相短路设置

三相感应电动机短路主要分为单相短路、两相短路和三相短路。样机的额定电流和额定转矩分别为1 122.1 A和73.46 kNm。先分析单相短路。以A相为例，在t=2 s时，电机定子绕组A相接地短路。定子电流故障曲线和电磁转矩故障曲线分别见图3和图4。从图中可以看出，各物理量在t=2 s时突变，最后趋于稳定，短路电流最大瞬时值为 8 951.05 A，约为额定电流的7.98倍；转矩瞬时最大值为300.35 kNm，是电动机额定转矩的4.09倍。

图3 定子电流故障曲线

图4 电磁转矩故障曲线

同理，利用上述方法分别计算了电动机定子绕组两相短路和三相短路的电流和转矩，具体结果见表1。从表1中可以看出，短路电流倍数最大为12.26倍，短路时转矩倍数最大为5.26倍，即使一段时间过后电流和转矩曲线趋于稳定，但数值也相对较高，会影响电机绝缘寿命以及整个系统轴系的安全性，因此不允许在此状态下长时间运行。

表1 各种短路工况计算结果

3 结语

本研究提出了一种在Ansys Maxwell 2D模型绕组电源设置中增加条件语句来实现短路的方法，同时计算了电动机YKS1000-4 11 500 KW 6.6 kV的短路工况，得到了相关电气参数和机械参数。计算结果表明，电动机短路时会给电机和系统带来较大危害，采取适当的保护方法是十分必要的。