异步电动机三相电流不平衡MATLAB仿真研究

吴海杰+黄景昊+陈贞谕

【摘 要】电动机作为一种动力装置在工业农业生产中有着举足轻重的地位，但是由于工作环境等因素电动机很容易出现电流不平衡故障，所以研究电动机电流不平衡具有重要意义。本文仿真分析断相、电压骤降对异步电动机电流不平衡度的影响，并阐述负序保护的动作判据和整定计算，可以为电动机电流不平衡保护提供借鉴意义。

【关键词】异步电动机；电流不平衡；负序保护；仿真

0 引言

在电力生产过程中，有大量的以电动机拖动的机械设备用以保证反应堆、汽轮发电机组等主设备和辅助设备的正常运行[1]。因此，电动机的可靠运行与电厂的安全稳定运行密切相关。

正常运行状态下，异步电动机的三相电流基本相等。当发生断相、匝间短路及电压不对称等故障时，电动机回路三相电流不平衡，产生负序电流分量。负序电流在电动机气隙中产生一个与转子旋转方向相反的磁场，负序磁场产生制动转矩，引起定子损耗、绕组温升增加。同时，负序效应也使转子绕组的损耗增加，产生振荡转矩，引起电动机的振动[2]。三相电流严重不平衡时可能会烧毁电动机。

1 异步电动机三相电流不平衡故障

异步电动机常见的故障类型有两种，一种为三相短路、堵转、过载等对称故障，另一种为不对称故障。异步电动机三相电流不平衡故障属于不对称故障，可分为接地性故障和非接地性故障。接地性故障包括单相接地短路与两相接地短路，非接地性故障主要有断相、两相短路、匝间短路及电压波动等。

当电动机发生接地性故障时，会产生零序电流，此时电动机配备的单相接地保护就能提供有效的保护；当电动机发生两相短路时，表现为电流增大，此时速断或过流保护就能达到保护电动机的目的。当发生断相或电压波动时，电动机回路中并无零序电流，电流也没有明显增加，单相接地保护和速断保护不会动作，这种故障下电动机三相电流不平衡保护尤为重要。

2 异步电动机三相电流不平衡仿真

引起电动机三相电流不平衡的原因有很多，断相故障比较常见。此外，实际也发生过励磁涌流引起电压不对称骤降，进而导致电动机三相电流不平衡保护跳闸，所以本文对断相故障和电压骤降故障进行仿真。

2.1 Matlab/Simulink仿真环境

异步电动机是一个高阶、强耦合的多变量系统，建立异步电动机的数学模型非常复杂。Matlab/Simulink是一款非常成熟的商业数学软件，可用于微分方程数值计算、数据分析。利用Simulink友好的图形化交互式建模环境、丰富的模块库，用户可以快速完成建模，加上和Matlab的无缝结合，利用其强大的科学计算功能，用户可以很方便地分析仿真结果。本文利用Simulink中的SimPowerSystems模块不仅能快速搭建异步电动机模型，完成异步电动机三相电流不平衡仿真分析，而且还能够对断相、短路等不平衡故障进行仿真，大大提高了工作效率[3]。

2.2 电动机断相故障仿真

采用一台三相四极鼠笼型转子异步电动机进行仿真，具体参数如下：额定功率Pn=37kW，额定电压Un=380V，额定频率fn=50Hz，定子绕组电阻为0.08233Ω，定子绕组漏感为0.000724H，转子绕组电阻为0.0503Ω，转子绕组漏感为0.000724Ω，定转子绕组互感为0.02711H，转动惯量J为0.37kg·m2，极对数p=1。通过设定三相断路器模块的参数，在1s时将电动机A相断开，即可实现电动机断相故障仿真。

从仿真波形中可以看出发生断相故障后，电动机A相电流为零，B相和C相电流增大，约为额定电流的2倍，电流不平衡度达到100%，此时负序电流与正序电流基本相等，零序电流仍为零。可知断相后电动机电流并没有明显增大，轻载下可能达不到过流保护的定值，所以不能以电流增大为判据来检测断相故障。电动机出现断相故障后，电流不平衡度明显增大，因此通过检测电流不平衡度可以有效判断断相故障。

2.3 电压骤降故障仿真

在0.5s施加额定负载，并通过三相可编程电源模块，设定1.1s时A相电压降为0.95UN，B相降为0.9UN，C相降为0.8UN。

从分析图中可以看出三相供电电压不同程度骤降后，电动机三相电流并没有都下降。由于电动机出力不变，定子电流体现为A相和C相电流增大，B相电流减小。通过分析可知，电压骤降瞬间电动机三相电流不平衡度达到了最大值40%，随后稳定在30%左右。

3 负序过流保护

当发生断相、供电电压不平衡等故障时，电动机会出现较大的负序电流，三相电流不平衡度也较大，因此通过检测负序电流和计算电流不平衡度就可以判断故障，目前国内多采用负序过电流保护延时切除此类故障。

3.1 动作判据

负序过流保护的实现形式可以是定时限，也可以是反时限，亦或是定时限与反时限相结合。但无论是定时限特性还是反时限特性，负序过流保护的动作电流应躲过正常运行时电动机可能出现的最大负序电流，动作判据如下：

3.2 整定计算

电动机综合保护均设置多段负序过流保护，整定值可根据现场实际情况选择下列几种保护功能计算：

（1）电动机两相运行保护功能整定值计算：

为保证电动机在两相运行时负序过流保护可靠动作，取I2.op.set=（0.4-0.6）Im.n，其中Im.n为电动机额定电流；动作时间按躲过区外不对称短路故障切除最长时间计算，一般取T2.op.set=（3-4）s。

（2）电动机不对称短路故障后备保护功能计算：

动作电流按躲过相邻设备两相短路时电动机可能的最大负序电流计算，一般可取I2.op.set=（4.2-5.2）Im.n；动作时间按躲过相邻设备出口两相短路时电动机高峰负序反馈电流持续时间计算，取T2.op.set=0.5s。

（3）电动机匝间短路故障辅助保护功能整定计算：

由于电动机匝间短路故障时具有负序电流特征，其值一般较小，动作电流应按躲过正常运行时电动机可能的最大负序电流，动作时间必须躲过系统不正常运行出现负序电流最长时间计算，所以取I2.op.set=（0.15-0.3）Im.n，T2.op.set=（6-8）s。

4 结束语

不平衡电流对电动机的危害很大，其会引起电动机转子绕组损耗大大增加，为保护转子不受不平衡电流的损害，建议电动机配置负序过流保护。

【参考文献】

[1]李磊.厂用电动机保护配置的探讨[J].中国高新技术企业，2013（28）：55-57.

[2]GB-T22713-2008不平衡电压对三相笼型感应电动机性能的影响[S].

[3]吴登国，李晓明.异步电动机的建模仿真方法[J].电机与控制应用，2013，40（1）：1-5.

[责任编辑：许丽]