侯 宇

(佳木斯電機股份有限公司，黑龍江 佳木斯 154002)

0 引言

感應(yīng)電機的瞬態(tài)過程對電網(wǎng)和電機本身的沖擊會隨著電機功率的增加而變得越發(fā)嚴重，其中電動機的短路故障是最常見的瞬態(tài)過程之一。有必要針對大型感應(yīng)電動機短路故障的整個運行過程及各個物理量隨時間的變化規(guī)律進行研究和分析，確認短路故障過程中對電機和整個系統(tǒng)影響比較嚴重的電氣參數(shù)和機械參數(shù)，進而為整個系統(tǒng)的繼電保護設(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轉(zhuǎn)矩影響電動機和整個系統(tǒng)的安全性[1]。

利用有限元法研究可以避免忽略感應(yīng)電動機短路時其轉(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行條件對電動機電磁參數(shù)的影響等因素，可以更準確地反映出電動機內(nèi)部電磁場的分布情況，能夠?qū)Χ搪窢顟B(tài)下電動機的運行特性進行更好地描述[2]。本研究以一臺YKS1000-4 11 500 KW 6.6 kV電動機為例，建立了計算電動機短路的二維電磁場有限元仿真模型，并對電動機各種短路工況進行了計算和研究。

1 模型與邊值問題

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

(1)磁場沿著電機軸向設(shè)為不變，利用二維場來解決問題。

(2)認定電動機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)定計算溫度是75℃，不考慮溫度對電阻率的影響。

(4)假設(shè)電動機電源為正弦的三相交流電，不含有諧波。

本次研究對象的二維電磁場模型見圖1。為了縮短計算周期，選用了1/2模型。在圖1所示的求解區(qū)域范圍內(nèi)，利用電動機矢量磁位A對數(shù)學(xué)模型進行描述。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 電動機二維電磁場仿真模型

2 短路仿真計算

目前，很多學(xué)者利用Ansys Maxwell 2D模型增加了外部電路的延時開關(guān)，以此來實現(xiàn)電動機的短路[4]。但增加外電路會降低仿真速度。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)成了三相對稱交流電，電機正常運行，t=2s時令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)電動機短路主要分為單相短路、兩相短路和三相短路。樣機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，電機定子繞組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時突變，最后趨于穩(wěn)定，短路電流最大瞬時值為 8 951.05 A，約為額定電流的7.98倍；轉(zhuǎn)矩瞬時最大值為300.35 kNm，是電動機額定轉(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算了電動機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，短路時轉(zhuǎn)矩倍數(shù)最大為5.26倍，即使一段時間過后電流和轉(zhuǎn)矩曲線趨于穩(wěn)定，但數(shù)值也相對較高，會影響電機絕緣壽命以及整個系統(tǒng)軸系的安全性，因此不允許在此狀態(tài)下長時間運行。

表1 各種短路工況計算結(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現(xiàn)短路的方法，同時計算了電動機YKS1000-4 11 500 KW 6.6 kV的短路工況，得到了相關(guān)電氣參數(shù)和機械參數(shù)。計算結(jié)果表明，電動機短路時會給電機和系統(tǒng)帶來較大危害，采取適當?shù)谋Ｗo方法是十分必要的。