张伟强

（黑龙江职业学院，哈尔滨 150036）

一、引言

异步电机具有结构简单，维护方便等优点，其应用领域非常广泛。随着异步电机应用范围的不断增多，发生短路故障的机率也相应增加。短路故障是电机最常见最危险的故障之一，其主要包括如下几个方面。

一是大的冲击电流会引起供电母线电压下降，严重影响同一供电母线正常运行的其它电气设备；二是大的冲击电流以及母线电压的下降，可能会危及电力线路保护装置工作的可靠性，使继电保护装置误动作，保护解体跳闸使电机电源恢复失败，引起系统设备再次失电；三是较大的瞬态电磁转矩，会对电机端部线圈、电机转轴及负载产生危害；四是较大的瞬态电流，会使电机发热，对电机绝缘损伤，甚至造成绝缘的永久破坏。

当电机容量较大时，上述问题更为严重，过大的冲击电流将使电机本身受到过大的电磁力的冲击，转矩的波动会使电机产生剧烈震动，发出巨大声响，也对电机负载、机械设备等的使用寿命有很大影响，造成安全隐患。所以为完善电机故障诊断技术，降低电机故障率，提高设备运行可靠性，研究短路故障意义非凡。

二、三相异步电动机模型的建立

（一）三相异步电动机的物理模型

图1是一台三相异步电机的示意图，图中定子三相绕组分别用A、B、C表示；转子三相绕组分别用a、b、c表示；定子A相绕组轴线与转子a相绕组轴线的夹角为θ（电角度）；转子以机械角速度Ω旋转。

图1 三相异步电动机示意图

（二）三相异步电动机的数学模型

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）对于三相交流电机，定子绕组为对称三相绕组。

（5）忽略铁心损耗，忽略磁路饱和的影响。

（6）不考虑温度变化对绕组电阻的影响。

2.数学模型

在理想电机的假定下，正方向采用电动机惯例。根据动态耦合电路法，可以列出在相坐标系（即ABC坐标系）中三相异步电动机的电压方程为：

式中：Us和Ur分别为定子和转子的相电压列阵，is和ir分别为定子和转子的相电流列阵，即：

Rs和Rr分别为定子绕组和转子绕组的电阻阵，对于对称三相电机，若定子每相电阻为R1，转子每相电阻折算值为R2，则：

Ls和Lr分别为定子绕组和转子绕组的电感矩阵：

式中：L1、L2分别为定子各相绕组的自感和转子各相绕组的自感（折算值）；-M1、-M2分别为定子三相绕组间的互感（折算值）；Msr、Mrs分别为转子对定子和定子对转子的互感矩阵：

其中MAa为定子A相和转子a相绕组轴线重合时两者之间互感的幅值（折算值）；p为微分算子，p=d/dt。

三相异步电动机的转矩方程为：

式中：TL为负载阻转矩；RΩ为阻尼系数；Ω为转子的机械角速度；J为机组的转动惯量；Te为电磁转矩，

其中P0为极对数。由式（1）～（7）构成了瞬态时三相异步电动机的数学模型。

瞬态模型中的各个电感与稳态等效电路中定子漏抗x1σ、转子漏抗的折算值x2σ和激励电抗xm的关系为：

（三）三相异步电动机的仿真模型

为某用户设计的YKKS450-4 280kW 6kV电机。根据三相异步电动机的数学模型，运用Ansoft软件模块建立仿真分析模型分别如图3所示。

图3 三相异步电动机仿真模型

三、三相异步电动机突然短路仿真分析

（一）单相接地故障

电机正常运行，在0.2s时突然发生A相接地短路故障，此过程中电机定子电流、转矩曲线如图4、5所示。从图中可以看出：短路后在0.210s出现电流峰值为-328.4853A，电流倍数为7.776。随着时间的推移电流逐渐衰减，最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，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。短路所产生的电磁转矩达到额定转矩的6倍以上，易造成电机振动及结构件的损伤。

图4 单相接地短路定子电流曲线

图5 单相接地短路转矩曲线

（二）两相接地故障

电机正常运行，在0.2s时突然发生A、B相接地短路故障，此过程中电机定子电流、转矩曲线如图6、7所示。从图可以看出：短路后在0.208s出现电流峰值为455.6027A，电流倍数为10.939。随着时间的推移电流逐渐衰减，最后电机趋向短路稳定运行。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9以上，极易造成破坏电机转轴、机座等。

图6 两相接地短路定子电流曲线

（三）三相接地故障

电机正常运行，在0.2s时突然发生三相接地短路故障，此过程中电机定子电流、转矩曲线如图8、9所示。0.2s时刻断电，断电后在0.207s出现电流峰值为472.4736A，电流倍数为11.778。最后电机定子电流、转矩均为零，电机将无法运行。所以说三相接地故障是最危险的短路故障，直接导致电机停机。

图7 两相接地短路转矩曲线

四、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：突然短路故障将使电机定子电流剧增，电流最大波动值为电机额定运行时的12倍左右，电流的巨大变化将使电机绕组温度升高、绝缘下降，严重时绕组损坏、变形。过大的冲击电流将使电机本身受到过大的电磁力的冲击，使电机变形，而且波及转轴、机座、地脚螺栓等结构件。而且在此过程中转矩的波动也较大，最大波动值也接近于额定值的十倍，转矩波动会使电机产生剧烈震动，发出巨大声响，也对电机负载、机械设备等的使用寿命有很大影响，造成安全隐患。因此应加强电力系统的稳定性，减少短路故障的发生，以保障电机能长期安全可靠运行。

图8 三相接地短路定子电流曲线

图9 三相接地短路转矩曲线

[1]高景德，张麟征.电机过渡过程的分析理论及分析方法[M].北京：科学出版社，1983：666-794.

[2]汪雄海.电机瞬态分析[J].浙江大学学报：工学版，2002(1)：97～100.

[3]耿艳杰，冯志华.异步电机在重投入中过渡过程的建模和仿真[J].防爆电机，2005(4)：20-24.

[4]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(5)：3-8.

[5]赵爱志.浅谈电源自动切换对电动机的影响[J].中小型电机，2002(5)：45-47.

[6]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，2005：67-77.