吳海杰+黃景昊+陳貞諭

【摘 要】電動機作為一種動力裝置在工業(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)境等因素電動機很容易出現(xiàn)電流不平衡故障，所以研究電動機電流不平衡具有重要意義。本文仿真分析斷相、電壓驟降對異步電動機電流不平衡度的影響，并闡述負序保護的動作判據(jù)和整定計算，可以為電動機電流不平衡保護提供借鑒意義。

【關(guān)鍵詞】異步電動機；電流不平衡；負序保護；仿真

0 引言

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

正常運行狀態(tài)下，異步電動機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稱等故障時，電動機回路三相電流不平衡，產(chǎn)生負序電流分量。負序電流在電動機氣隙中產(chǎn)生一個與轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)方向相反的磁場，負序磁場產(chǎn)生制動轉(zhuǎn)矩，引起定子損耗、繞組溫升增加。同時，負序效應(yīng)也使轉(zhuǎn)子繞組的損耗增加，產(chǎn)生振蕩轉(zhuǎn)矩，引起電動機的振動[2]。三相電流嚴(yán)重不平衡時可能會燒毀電動機。

1 異步電動機三相電流不平衡故障

異步電動機常見的故障類型有兩種，一種為三相短路、堵轉(zhuǎn)、過載等對稱故障，另一種為不對稱故障。異步電動機三相電流不平衡故障屬于不對稱故障，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等。

當(dāng)電動機發(fā)生接地性故障時，會產(chǎn)生零序電流，此時電動機配備的單相接地保護就能提供有效的保護；當(dāng)電動機發(fā)生兩相短路時，表現(xiàn)為電流增大，此時速斷或過流保護就能達到保護電動機的目的。當(dāng)發(fā)生斷相或電壓波動時，電動機回路中并無零序電流，電流也沒有明顯增加，單相接地保護和速斷保護不會動作，這種故障下電動機三相電流不平衡保護尤為重要。

2 異步電動機三相電流不平衡仿真

引起電動機三相電流不平衡的原因有很多，斷相故障比較常見。此外，實際也發(fā)生過勵磁涌流引起電壓不對稱驟降，進而導(dǎo)致電動機三相電流不平衡保護跳閘，所以本文對斷相故障和電壓驟降故障進行仿真。

2.1 Matlab/Simulink仿真環(huán)境

異步電動機是一個高階、強耦合的多變量系統(tǒng)，建立異步電動機的數(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，用戶可以快速完成建模，加上和Matlab的無縫結(jié)合，利用其強大的科學(xué)計算功能，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機模型，完成異步電動機三相電流不平衡仿真分析，而且還能夠?qū)嘞?、短路等不平衡故障進行仿真，大大提高了工作效率[3]。

2.2 電動機斷相故障仿真

采用一臺三相四極鼠籠型轉(zhuǎn)子異步電動機進行仿真，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)動慣量J為0.37kg·m2，極對數(shù)p=1。通過設(shè)定三相斷路器模塊的參數(shù)，在1s時將電動機A相斷開，即可實現(xiàn)電動機斷相故障仿真。

從仿真波形中可以看出發(fā)生斷相故障后，電動機A相電流為零，B相和C相電流增大，約為額定電流的2倍，電流不平衡度達到100%，此時負序電流與正序電流基本相等，零序電流仍為零?？芍獢嘞嗪箅妱訖C電流并沒有明顯增大，輕載下可能達不到過流保護的定值，所以不能以電流增大為判據(jù)來檢測斷相故障。電動機出現(xiàn)斷相故障后，電流不平衡度明顯增大，因此通過檢測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施加額定負載，并通過三相可編程電源模塊，設(shè)定1.1s時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，電動機三相電流并沒有都下降。由于電動機出力不變，定子電流體現(xiàn)為A相和C相電流增大，B相電流減小。通過分析可知，電壓驟降瞬間電動機三相電流不平衡度達到了最大值40%，隨后穩(wěn)定在30%左右。

3 負序過流保護

當(dāng)發(fā)生斷相、供電電壓不平衡等故障時，電動機會出現(xiàn)較大的負序電流，三相電流不平衡度也較大，因此通過檢測負序電流和計算電流不平衡度就可以判斷故障，目前國內(nèi)多采用負序過電流保護延時切除此類故障。

3.1 動作判據(jù)

負序過流保護的實現(xiàn)形式可以是定時限，也可以是反時限，亦或是定時限與反時限相結(jié)合。但無論是定時限特性還是反時限特性，負序過流保護的動作電流應(yīng)躲過正常運行時電動機可能出現(xiàn)的最大負序電流，動作判據(jù)如下：

3.2 整定計算

電動機綜合保護均設(shè)置多段負序過流保護，整定值可根據(jù)現(xiàn)場實際情況選擇下列幾種保護功能計算：

（1）電動機兩相運行保護功能整定值計算：

為保證電動機在兩相運行時負序過流保護可靠動作，取I2.op.set=（0.4-0.6）Im.n，其中Im.n為電動機額定電流；動作時間按躲過區(qū)外不對稱短路故障切除最長時間計算，一般取T2.op.set=（3-4）s。

（2）電動機不對稱短路故障后備保護功能計算：

動作電流按躲過相鄰設(shè)備兩相短路時電動機可能的最大負序電流計算，一般可取I2.op.set=（4.2-5.2）Im.n；動作時間按躲過相鄰設(shè)備出口兩相短路時電動機高峰負序反饋電流持續(xù)時間計算，取T2.op.set=0.5s。

（3）電動機匝間短路故障輔助保護功能整定計算：

由于電動機匝間短路故障時具有負序電流特征，其值一般較小，動作電流應(yīng)按躲過正常運行時電動機可能的最大負序電流，動作時間必須躲過系統(tǒng)不正常運行出現(xiàn)負序電流最長時間計算，所以取I2.op.set=（0.15-0.3）Im.n，T2.op.set=（6-8）s。

4 結(jié)束語

不平衡電流對電動機的危害很大，其會引起電動機轉(zhuǎn)子繞組損耗大大增加，為保護轉(zhuǎn)子不受不平衡電流的損害，建議電動機配置負序過流保護。

【參考文獻】

[1]李磊.廠用電動機保護配置的探討[J].中國高新技術(shù)企業(yè)，2013（28）：55-57.

[2]GB-T22713-2008不平衡電壓對三相籠型感應(yīng)電動機性能的影響[S].

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

[責(zé)任編輯：許麗]