吳海杰+黃景昊+陳貞諭

【摘 要】電動(dòng)機(jī)作為一種動(dòng)力裝置在工業(yè)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中有著舉足輕重的地位，但是由于工作環(huán)境等因素電動(dòng)機(jī)很容易出現(xiàn)電流不平衡故障，所以研究電動(dòng)機(jī)電流不平衡具有重要意義。本文仿真分析斷相、電壓驟降對(duì)異步電動(dòng)機(jī)電流不平衡度的影響，并闡述負(fù)序保護(hù)的動(dòng)作判據(jù)和整定計(jì)算，可以為電動(dòng)機(jī)電流不平衡保護(hù)提供借鑒意義。

【關(guān)鍵詞】異步電動(dòng)機(jī)；電流不平衡；負(fù)序保護(hù)；仿真

0 引言

在電力生產(chǎn)過(guò)程中，有大量的以電動(dòng)機(jī)拖動(dòng)的機(jī)械設(shè)備用以保證反應(yīng)堆、汽輪發(fā)電機(jī)組等主設(shè)備和輔助設(shè)備的正常運(yùn)行[1]。因此，電動(dòng)機(jī)的可靠運(yùn)行與電廠的安全穩(wěn)定運(yùn)行密切相關(guān)。

正常運(yùn)行狀態(tài)下，異步電動(dòng)機(jī)的三相電流基本相等。當(dāng)發(fā)生斷相、匝間短路及電壓不對(duì)稱等故障時(shí)，電動(dòng)機(jī)回路三相電流不平衡，產(chǎn)生負(fù)序電流分量。負(fù)序電流在電動(dòng)機(jī)氣隙中產(chǎn)生一個(gè)與轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)方向相反的磁場(chǎng)，負(fù)序磁場(chǎng)產(chǎn)生制動(dòng)轉(zhuǎn)矩，引起定子損耗、繞組溫升增加。同時(shí)，負(fù)序效應(yīng)也使轉(zhuǎn)子繞組的損耗增加，產(chǎn)生振蕩轉(zhuǎn)矩，引起電動(dòng)機(jī)的振動(dòng)[2]。三相電流嚴(yán)重不平衡時(shí)可能會(huì)燒毀電動(dòng)機(jī)。

1 異步電動(dòng)機(jī)三相電流不平衡故障

異步電動(dòng)機(jī)常見(jiàn)的故障類型有兩種，一種為三相短路、堵轉(zhuǎn)、過(guò)載等對(duì)稱故障，另一種為不對(duì)稱故障。異步電動(dòng)機(jī)三相電流不平衡故障屬于不對(duì)稱故障，可分為接地性故障和非接地性故障。接地性故障包括單相接地短路與兩相接地短路，非接地性故障主要有斷相、兩相短路、匝間短路及電壓波動(dòng)等。

當(dāng)電動(dòng)機(jī)發(fā)生接地性故障時(shí)，會(huì)產(chǎn)生零序電流，此時(shí)電動(dòng)機(jī)配備的單相接地保護(hù)就能提供有效的保護(hù)；當(dāng)電動(dòng)機(jī)發(fā)生兩相短路時(shí)，表現(xiàn)為電流增大，此時(shí)速斷或過(guò)流保護(hù)就能達(dá)到保護(hù)電動(dòng)機(jī)的目的。當(dāng)發(fā)生斷相或電壓波動(dòng)時(shí)，電動(dòng)機(jī)回路中并無(wú)零序電流，電流也沒(méi)有明顯增加，單相接地保護(hù)和速斷保護(hù)不會(huì)動(dòng)作，這種故障下電動(dòng)機(jī)三相電流不平衡保護(hù)尤為重要。

2 異步電動(dòng)機(jī)三相電流不平衡仿真

引起電動(dòng)機(jī)三相電流不平衡的原因有很多，斷相故障比較常見(jiàn)。此外，實(shí)際也發(fā)生過(guò)勵(lì)磁涌流引起電壓不對(duì)稱驟降，進(jìn)而導(dǎo)致電動(dòng)機(jī)三相電流不平衡保護(hù)跳閘，所以本文對(duì)斷相故障和電壓驟降故障進(jìn)行仿真。

2.1 Matlab/Simulink仿真環(huán)境

異步電動(dòng)機(jī)是一個(gè)高階、強(qiáng)耦合的多變量系統(tǒng)，建立異步電動(dòng)機(jī)的數(shù)學(xué)模型非常復(fù)雜。Matlab/Simulink是一款非常成熟的商業(yè)數(shù)學(xué)軟件，可用于微分方程數(shù)值計(jì)算、數(shù)據(jù)分析。利用Simulink友好的圖形化交互式建模環(huán)境、豐富的模塊庫(kù)，用戶可以快速完成建模，加上和Matlab的無(wú)縫結(jié)合，利用其強(qiáng)大的科學(xué)計(jì)算功能，用戶可以很方便地分析仿真結(jié)果。本文利用Simulink中的SimPowerSystems模塊不僅能快速搭建異步電動(dòng)機(jī)模型，完成異步電動(dòng)機(jī)三相電流不平衡仿真分析，而且還能夠?qū)嘞唷⒍搪返炔黄胶夤收线M(jìn)行仿真，大大提高了工作效率[3]。

2.2 電動(dòng)機(jī)斷相故障仿真

采用一臺(tái)三相四極鼠籠型轉(zhuǎn)子異步電動(dòng)機(jī)進(jìn)行仿真，具體參數(shù)如下：額定功率Pn=37kW，額定電壓Un=380V，額定頻率fn=50Hz，定子繞組電阻為0.08233Ω，定子繞組漏感為0.000724H，轉(zhuǎn)子繞組電阻為0.0503Ω，轉(zhuǎn)子繞組漏感為0.000724Ω，定轉(zhuǎn)子繞組互感為0.02711H，轉(zhuǎn)動(dòng)慣量J為0.37kg·m2，極對(duì)數(shù)p=1。通過(guò)設(shè)定三相斷路器模塊的參數(shù)，在1s時(shí)將電動(dòng)機(jī)A相斷開(kāi)，即可實(shí)現(xiàn)電動(dòng)機(jī)斷相故障仿真。

從仿真波形中可以看出發(fā)生斷相故障后，電動(dòng)機(jī)A相電流為零，B相和C相電流增大，約為額定電流的2倍，電流不平衡度達(dá)到100%，此時(shí)負(fù)序電流與正序電流基本相等，零序電流仍為零。可知斷相后電動(dòng)機(jī)電流并沒(méi)有明顯增大，輕載下可能達(dá)不到過(guò)流保護(hù)的定值，所以不能以電流增大為判據(jù)來(lái)檢測(cè)斷相故障。電動(dòng)機(jī)出現(xiàn)斷相故障后，電流不平衡度明顯增大，因此通過(guò)檢測(cè)電流不平衡度可以有效判斷斷相故障。

2.3 電壓驟降故障仿真

在0.5s施加額定負(fù)載，并通過(guò)三相可編程電源模塊，設(shè)定1.1s時(shí)A相電壓降為0.95UN，B相降為0.9UN，C相降為0.8UN。

從分析圖中可以看出三相供電電壓不同程度驟降后，電動(dòng)機(jī)三相電流并沒(méi)有都下降。由于電動(dòng)機(jī)出力不變，定子電流體現(xiàn)為A相和C相電流增大，B相電流減小。通過(guò)分析可知，電壓驟降瞬間電動(dòng)機(jī)三相電流不平衡度達(dá)到了最大值40%，隨后穩(wěn)定在30%左右。

3 負(fù)序過(guò)流保護(hù)

當(dāng)發(fā)生斷相、供電電壓不平衡等故障時(shí)，電動(dòng)機(jī)會(huì)出現(xiàn)較大的負(fù)序電流，三相電流不平衡度也較大，因此通過(guò)檢測(cè)負(fù)序電流和計(jì)算電流不平衡度就可以判斷故障，目前國(guó)內(nèi)多采用負(fù)序過(guò)電流保護(hù)延時(shí)切除此類故障。

3.1 動(dòng)作判據(jù)

負(fù)序過(guò)流保護(hù)的實(shí)現(xiàn)形式可以是定時(shí)限，也可以是反時(shí)限，亦或是定時(shí)限與反時(shí)限相結(jié)合。但無(wú)論是定時(shí)限特性還是反時(shí)限特性，負(fù)序過(guò)流保護(hù)的動(dòng)作電流應(yīng)躲過(guò)正常運(yùn)行時(shí)電動(dòng)機(jī)可能出現(xiàn)的最大負(fù)序電流，動(dòng)作判據(jù)如下：

3.2 整定計(jì)算

電動(dòng)機(jī)綜合保護(hù)均設(shè)置多段負(fù)序過(guò)流保護(hù)，整定值可根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況選擇下列幾種保護(hù)功能計(jì)算：

（1）電動(dòng)機(jī)兩相運(yùn)行保護(hù)功能整定值計(jì)算：

為保證電動(dòng)機(jī)在兩相運(yùn)行時(shí)負(fù)序過(guò)流保護(hù)可靠動(dòng)作，取I2.op.set=（0.4-0.6）Im.n，其中Im.n為電動(dòng)機(jī)額定電流；動(dòng)作時(shí)間按躲過(guò)區(qū)外不對(duì)稱短路故障切除最長(zhǎng)時(shí)間計(jì)算，一般取T2.op.set=（3-4）s。

（2）電動(dòng)機(jī)不對(duì)稱短路故障后備保護(hù)功能計(jì)算：

動(dòng)作電流按躲過(guò)相鄰設(shè)備兩相短路時(shí)電動(dòng)機(jī)可能的最大負(fù)序電流計(jì)算，一般可取I2.op.set=（4.2-5.2）Im.n；動(dòng)作時(shí)間按躲過(guò)相鄰設(shè)備出口兩相短路時(shí)電動(dòng)機(jī)高峰負(fù)序反饋電流持續(xù)時(shí)間計(jì)算，取T2.op.set=0.5s。

（3）電動(dòng)機(jī)匝間短路故障輔助保護(hù)功能整定計(jì)算：

由于電動(dòng)機(jī)匝間短路故障時(shí)具有負(fù)序電流特征，其值一般較小，動(dòng)作電流應(yīng)按躲過(guò)正常運(yùn)行時(shí)電動(dòng)機(jī)可能的最大負(fù)序電流，動(dòng)作時(shí)間必須躲過(guò)系統(tǒng)不正常運(yùn)行出現(xiàn)負(fù)序電流最長(zhǎng)時(shí)間計(jì)算，所以取I2.op.set=（0.15-0.3）Im.n，T2.op.set=（6-8）s。

4 結(jié)束語(yǔ)

不平衡電流對(duì)電動(dòng)機(jī)的危害很大，其會(huì)引起電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子繞組損耗大大增加，為保護(hù)轉(zhuǎn)子不受不平衡電流的損害，建議電動(dòng)機(jī)配置負(fù)序過(guò)流保護(hù)。

【參考文獻(xiàn)】

[1]李磊.廠用電動(dòng)機(jī)保護(hù)配置的探討[J].中國(guó)高新技術(shù)企業(yè)，2013（28）：55-57.

[2]GB-T22713-2008不平衡電壓對(duì)三相籠型感應(yīng)電動(dòng)機(jī)性能的影響[S].

[3]吳登國(guó)，李曉明.異步電動(dòng)機(jī)的建模仿真方法[J].電機(jī)與控制應(yīng)用，2013，40（1）：1-5.

[責(zé)任編輯：許麗]