三相同步电动机定子接地故障分析

苏国霞，王立名

(佳木斯电机股份有限公司，黑龙江佳木斯154002)

0 引言

大型同步电机具有结构简单、维护方便、输出稳定等优点，广泛应用于石油、化工、矿山等领域。随着同步电机用量的不断增加，发生故障的机率也相应增加，对生产造成较大影响。同步电机可能发生的故障类型较多，常见的、危害最严重的是短路故障，短路故障包括单相接地故障、两相接地故障及三相接地故障。在这三种短路故障中单相接地故障最为常见，而三相接地故障造成的后果最严重。为了减少损失、提高电机运行可靠性，研究短路故障的意义非常重大。本文从建立同步电动机模型出发，分别对上述三种短路故障进行了仿真研究。

1 三相同步电动机

1.1 三相同步电动机的物理模型

图1 是一台凸极同步电机的定、转子绕组布置示意图，定子装有A、B、C 对称三相绕组，定子绕组接成Y 形;转子上装有励磁绕组f、阻尼绕组(分解成直轴阻尼绕组D 和交轴阻尼绕组Q)。

定子绕组、励磁绕组、阻尼绕组均采用电动机惯例，即以输入电流作为电流的正方向，如图2 所示。绕组通过正向电流时，产生正值磁链。

图1 凸极同步电动机的绕组布置

图2 凸极同步电动机的电压、电流方向

1.2 三相同步电动机的数学模型

1.2.1 假定

为便于分析，作如下简化假设，假设电机为“理想电机”。理想电机的基本假设如下

(1)电机的磁路为线性，铁心中的磁滞和涡流损耗忽略不计。

(2)气隙磁场在空间为正弦分布，磁场的高次谐波忽略不计。

(3)定、转子表面设为光滑，齿、槽的影响用卡式系数来计及。

(4)直轴和交轴气隙可以不等，但气隙的比磁导可以用平均比磁导加上高次谐波比磁导来表示。

(5)对于三相交流电机，定子绕组为对称三相绕组。

(6)忽略铁心损耗，忽略磁路饱和的影响。(7)忽略温度变化对绕组电阻的影响。

1.2.2 数学模型

在理想电机的假定下，根据动态耦合电路法，可以列出在相坐标系(即ABC 坐标系)中同步电动机的运动方程。

(1)磁链方程

同步电动机采用电动机惯例，即以输入电流作为电流的正方向，绕组通过正向电流时，产生正值磁链。每个绕组的磁链是由它本身的自感磁链和其他绕组对它的互感磁链之和。6 个绕组的磁链方程表达如下

式中，Ψ—磁链矩阵;L—电感矩阵，其中对角线元素为各相绕组自感，其余为各相绕组互感;i—电流矩阵。方程展开如下

方程展开如下

(3)运动方程

式中，Te—电磁转矩;TL—负载阻转矩;J—机组的转动惯量;RΩ—阻尼系数;Ω—转子的机械角速度。

(4)短路时端口电压方程

设端口电压为角频率为ω 的三相对称交流正弦波电源，并电网电压保持恒定，且为额定值。则在电机发生接地故障时，电机端口电压方程分别为式(6)～式(7)所示。

当电机发生单相接地故障时，端口电压方程为(设A 相为短路相)

2 定子绕组接地故障分析

2.1 三相同步电机的仿真参数

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

根据三相同步电动机的数学模型，运用Ansoft软件中的RMxprt/Maxwell 2D 模块立仿真分析模型分别如图3、图4 所示。

图3 RMxprt 仿真模型

图4 Maxwell 2D 仿真模型

2.3 故障分析

2.3.1 单相接地故障

以A 相突然接地短路为例，电机正常运行到0.5s 时突然发生单相接地故障，故障定子电流及转矩曲线如图5、图6 所示。从中可以看出短路发生瞬间，定子电流约为正常电流的6 倍，衰减后电机趋向短路稳定运行。由于电流较大，将产生很大的电磁力，将损坏定子绕组，特别是绕组端部。而且较大的电流使绕组铜耗剧增，使电机温升增大。

图5 单相接地故障定子电流曲线

图6 单相接地故障转矩曲线

2.3.2 两相接地故障

以A、B 相突然接地短路为例，电机正常运行到0.5s 时突然发生两相接地故障，故障定子电流及转矩曲线如图7、图8 所示。从中可以看出短路发生瞬间，定子电流约为正常电流的5 倍。电机长时间运行在大电流下，将使电机温度升高、绝缘破坏。而且短路所产生的电磁转矩达到额定转矩的3 倍以上，极易造成电机转轴、机座和地脚螺栓等结构件损伤。

图8 两相接地故障转矩曲线

2.3.3 三相接地故障

电机正常运行到0.5s 时突然发生三相接地故障，故障定子电流及转矩曲线如图9、图10 所示。三相接地故障是最危险的短路故障，它使电机转矩急剧降低，直到为零，将使电机无法运行。

图10 三相接地故障转矩曲线

3 结语

通过对三相同步电动机定子绕组突然单相、两相、三相接地故障分析可看出:短路故障使电机定子绕组长时间工作在大电流下，电机绕组温度升高、绝缘下降，严重时绕组损坏、变形，而且波及转轴、机座、地脚螺栓等结构件，给电机的长期安全运行带来较大危害。因此不允电机在故障状态下运行，为避免事故发生，应采取适当保护措施。即在线路中增加缺相运行保护装置，常用的保护方法有:采用带断相保护装置的热继电器作缺相保护，零序电压继电器断相保护;断丝电压继电器断相保护;利用速饱和电流互感器保护等。

［1］ 汤蕴璆，张奕黄，范瑜.交流电机动态分析［M］. 北京:机械工业出版社，2004:91-104.

［2］ 许实章.电机学［M］. 北京:机械工业出版社(第3版)，1995:354-366.

［3］ 孙宇光，王祥珩，桂林，等. 场路耦合法计算同步发电机定子绕组内部故障的暂态过程［J］.中国电机工程学报，2004，24(1):136-141.

［4］ 张琦雪，王祥珩，王维俭.大型水轮发电机中性点高阻接地暂态分析［J］.中国电机工程学报，2004，28(1):30-33.

［5］ 胡敏强，屠黎明，林鹤云，等. 水轮发电机定子绕组内部故障暂态电量仿真及其规律探讨［J］.中国电机工程学报，1999，19(5):3-8.

［6］ 张东宇，张胜男.永磁直驱同步风力发电机电磁设计及仿真分析，防爆电机，2014.3.