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(jié)構(gòu)簡單、維護(hù)方便、輸出穩(wěn)定等優(yōu)點，廣泛應(yīng)用于石油、化工、礦山等領(lǐng)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(yīng)增加，對生產(chǎn)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(yán)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(yán)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(jìn)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(zhuǎn)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(zhuǎn)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(chǎn)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(shù)學(xué)模型

1.2.1 假定

為便于分析，作如下簡化假設(shè)，假設(shè)電機為“理想電機”。理想電機的基本假設(shè)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(zhuǎn)子表面設(shè)為光滑，齒、槽的影響用卡式系數(shù)來計及。

(4)直軸和交軸氣隙可以不等，但氣隙的比磁導(dǎo)可以用平均比磁導(dǎo)加上高次諧波比磁導(dǎo)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(shù)學(xué)模型

在理想電機的假定下，根據(jù)動態(tài)耦合電路法，可以列出在相坐標(biāo)系(即ABC 坐標(biāo)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(chǎn)生正值磁鏈。每個繞組的磁鏈?zhǔn)怯伤旧淼淖愿写沛満推渌@組對它的互感磁鏈之和。6 個繞組的磁鏈方程表達(dá)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(zhuǎn)矩;TL—負(fù)載阻轉(zhuǎn)矩;J—機組的轉(zhuǎn)動慣量;RΩ—阻尼系數(shù);Ω—轉(zhuǎn)子的機械角速度。

(4)短路時端口電壓方程

設(shè)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(wǎng)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(dāng)電機發(fā)生單相接地故障時，端口電壓方程為(設(shè)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(shù)

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(jù)三相同步電動機的數(shù)學(xué)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(zhuǎn)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(chǎn)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(zhuǎn)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(zhuǎn)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(chǎn)生的電磁轉(zhuǎn)矩達(dá)到額定轉(zhuǎn)矩的3 倍以上，極易造成電機轉(zhuǎn)軸、機座和地腳螺栓等結(jié)構(gòu)件損傷。

圖8 兩相接地故障轉(zhuǎn)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(zhuǎn)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(zhuǎn)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(zhuǎn)矩曲線

3 結(jié)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(yán)重時繞組損壞、變形，而且波及轉(zhuǎn)軸、機座、地腳螺栓等結(jié)構(gòu)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(yīng)采取適當(dāng)保護(hù)措施。即在線路中增加缺相運行保護(hù)裝置，常用的保護(hù)方法有:采用帶斷相保護(hù)裝置的熱繼電器作缺相保護(hù)，零序電壓繼電器斷相保護(hù);斷絲電壓繼電器斷相保護(hù);利用速飽和電流互感器保護(hù)等。

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