大功率電機投切過程沖擊電流仿真分析

王 佳，王育飛，徐 興，張宇華，王 旺

（1.上海電力學(xué)院電氣工程學(xué)院，上海200090；2.上海發(fā)電設(shè)備成套設(shè)計研究院，上海201199；3.上海電氣凱士比核電泵閥有限公司，上海200093)

大功率電機投切過程沖擊電流仿真分析

王 佳1，王育飛1，徐 興2，張宇華1，王 旺3

（1.上海電力學(xué)院電氣工程學(xué)院，上海200090；2.上海發(fā)電設(shè)備成套設(shè)計研究院，上海201199；3.上海電氣凱士比核電泵閥有限公司，上海200093)

大功率電機電源短暫中斷后又重合閘恢復(fù)供電現(xiàn)象是普遍存在的，而大功率電機投切過程帶來的瞬態(tài)沖擊電流問題危害嚴重。根據(jù)某公司試驗站實際情況和給定的相關(guān)參數(shù)，對兩種大功率電機投切方式進行PSCAD建模與仿真，旨在分析投切過程所引起的沖擊電流水平，以及沖擊電流與投切時間的關(guān)系。結(jié)果表明：直接投切到三角形繞組支路模式比直接投切到備用支路模式產(chǎn)生的沖擊電流更大，而且兩種模式都不建議直接投切大功率電機，若直接投切，必須采取相應(yīng)的安全措施，更換相應(yīng)保護設(shè)備。

重合閘；大功率電機；沖擊電流；瞬態(tài)

0 引言

大功率電機電源短暫中斷后又重合閘恢復(fù)供電現(xiàn)象是普遍存在的，再投入電源電壓與定子殘余電壓大小、相位、頻率的不同，可能使電機定子端部電壓大大超過額定電壓，引起巨大的沖擊電流。其帶來的危害是多方面的［1?2］：引起母線電壓下降，影響其他設(shè)備正常運行，危及繼電保護裝置的可靠動作；引起諧波電壓，降低供電質(zhì)量；產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩，巨大的機械應(yīng)力會損害電機轉(zhuǎn)軸和線圈。

根據(jù)電機能量轉(zhuǎn)換原理，交流異步電機在穩(wěn)態(tài)運行時，定子磁場和轉(zhuǎn)子磁場相對靜止，產(chǎn)生平均電磁轉(zhuǎn)矩，并相對于轉(zhuǎn)子以轉(zhuǎn)差率s運動。在電機切換到備用回路時，由于開關(guān)切換時間的不連續(xù)性，會出現(xiàn)短暫的斷電時間。隨著三相電源的中斷，異步電機的定子旋轉(zhuǎn)磁場消失，原先在轉(zhuǎn)子繞組中的感應(yīng)交變電流在斷電瞬間轉(zhuǎn)化為直流性質(zhì)的續(xù)流電流，并隨著轉(zhuǎn)子開路時間常數(shù)衰減。從能量角度來看，是指原先儲存在電機轉(zhuǎn)子大電感回路中的能量在轉(zhuǎn)子回路中逐漸耗散的過程［3?5］。在此過程中，衰減的轉(zhuǎn)子電流產(chǎn)生衰減的旋轉(zhuǎn)磁場，在定子側(cè)感應(yīng)出定子電壓，該定子電壓根據(jù)轉(zhuǎn)子時間常數(shù)衰減，頻率為轉(zhuǎn)子衰減角頻率［6］。

因此在電源短暫中斷后又重合閘恢復(fù)供電，加到電機上的電壓，是電源電壓和由轉(zhuǎn)子剩磁在定子側(cè)感應(yīng)的開路電壓的相量差，該差值電壓會在電機定子上產(chǎn)生沖擊電流［7］。沖擊電流的大小與重新供電時兩者的相位差有著很大的關(guān)系，當(dāng)兩者相位差相反時該沖擊電流將有可能比正常啟動或者三相短路時的電流大得多。因此，對大功率感應(yīng)電動機投切過程的研究對于電機可靠運行是非常重要的［8?9］。本文通過PSCAD軟件對實際工程中兩種不同投切方式進行對比仿真研究，得出了兩種投切方式的不足，并給出了相應(yīng)的建議。

1 大功率電機瞬間斷電重新投入動態(tài)過程理論分析

三相感應(yīng)電動機定子瞬間斷電時，定子電流立即變?yōu)?，轉(zhuǎn)子則成為無源閉合回路，轉(zhuǎn)子電流將成為自由分量，從斷電瞬間的“初值”按轉(zhuǎn)子的時間常數(shù)以指數(shù)曲線衰減。若轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)的角速度為ωr，此時直流自由分量將在定子繞組內(nèi)感生一角頻率為ωr的感應(yīng)電動勢E0。重新投入電網(wǎng)時，電網(wǎng)電壓U1的角頻率為ω1，如將相量E0視為靜止，則U1將以轉(zhuǎn)差角頻率sω1對E0作相對運動。設(shè)δ為U1與E0的相角差，則：

當(dāng)E0與U1達到反相位時重新投入電網(wǎng)，定子電流的沖擊將達到最大，此時刻用t2max表示，于是：

其中，Δtmax為最大沖擊電流間隔時間，單位為s；sav為t1到t2max期間轉(zhuǎn)差率的平均值，t1是停機時刻。

考慮到重新投入電網(wǎng)是一個動態(tài)過程，計算其不利投入時刻時要將式（2)乘上（1.2～1.3)系數(shù)，實際情況中故障切換到變壓器三角形繞組或投切到備用支路。由于相同時間間隔重合閘，其電壓相角、幅值不同，最大沖擊電流時刻和幅值也有所不同，具體情況可以通過仿真驗證。

2 大功率電機系統(tǒng)參數(shù)

某公司大功率電動機外部一次接線示意圖如圖1所示。

圖1 某公司大功率電機一次接線示意圖Fig．1 Primary connection of high?power motor

2．1 主變相關(guān)參數(shù)

型號：SS10?240000／220

額定容量：240MVA

接線組別：YnYn0d11

阻抗：H?L 25.4％、H?M 14.3％、M?L 8.5％

根據(jù)電網(wǎng)220kV母線的短路容量以及主變參數(shù)，折算至變電站35kV母線的短路容量約為860MVA。35kV開關(guān)站距離某公司配電房100m以內(nèi)，由一回5km長的YJV 3×（1×400mm2)電纜接入開關(guān)站35kV母線。根據(jù)初步設(shè)計，采用31.5MVA降壓變壓器，可以滿足對電機啟動時引起的電壓暫降計算結(jié)果。35kV降壓變壓器參數(shù)如下：

容量：31.5MVA

電壓：35／10／6.9／6.6／6.0 kV

阻抗：8％～10％（計算中設(shè)置為8％)

2．2 電機相關(guān)參數(shù)

某公司的大功率電機相關(guān)參數(shù)如表1、表2所示。

表1 電機主要參數(shù)Table 1 Main parameters of motor

表2 6．8MW電機相關(guān)阻抗（歐）Table 2 Impedances of 6．8MW motor（Ω）

3 投切過程建模與仿真

3．1 投切到變壓器三角形繞組側(cè)沖擊電流仿真

根據(jù)所給數(shù)據(jù)，對于三繞組變壓器，低壓側(cè)有三角形、星形兩種聯(lián)結(jié)方式的繞組。正常運行時電機連接至星形繞組側(cè)，若星形側(cè)變頻器發(fā)生故障，則直接將電機投切到三角形聯(lián)結(jié)繞組側(cè)。由于星形聯(lián)結(jié)繞組電壓相位超前三角形連接30°，因此在切換過去時會產(chǎn)生沖擊電流，針對該過程，對切換時間分別為0.2s、0.35s、0.5s進行仿真，系統(tǒng)仿真模型如圖2所示。

圖2 電機系統(tǒng)仿真模型Fig．2 Simulation model of motor system

電機啟動時間大約為35.5s，在40s電機穩(wěn)定運行后，將電機切換到備用角接回路，變壓器阻抗取8％pu。

圖3為切換時間為0.2s仿真圖，通過仿真得到0.2s、0.35s和0.5s的仿真結(jié)果，如表3所示。

圖3 切換時間為0．2s仿真波形Fig．3 Simulation results when switching time is 0．2s

表3 切換到變壓器三角形繞組側(cè)沖擊電流仿真結(jié)果Table 3 Impulse current simulation results of switching to the transformer delta winding

當(dāng)電機完全斷電時，機端殘壓與網(wǎng)側(cè)電壓相量差波形以及定子感應(yīng)電動勢頻率衰減波形如圖4、圖5所示。

圖4 機端殘壓與網(wǎng)側(cè)電壓差Fig．4 Voltage difference of motor residual voltage and grid voltage

圖5 電機斷電定子側(cè)感應(yīng)電動勢頻率的衰減Fig．5 Attenuation of induction EMF frequency on stator side of motor

由圖4可知，40s斷電以后，大約在43.8s定子感應(yīng)電動勢下降至不到1kV。選擇最不利情況時間合閘，約為40.39s時合閘，電流仿真結(jié)果如圖6所示。

圖6 最不利情況時間合閘電流仿真結(jié)果Fig．6 Simulation waveform of the biggest motor current

由圖6可知，最不利合閘時間為斷開后的0.39s，沖擊電流峰值可達到14.34kA，為額定電流的12.076倍，此沖擊電流極易燒壞電機。

通過以上仿真分析得到以下結(jié)論：

1)由于三角形接線與星形接線之間存在30°的相位差，因此由星形繞組側(cè)切換到三角形繞組會產(chǎn)生很大的沖擊電流，最大可達到額定運行的12.076倍，沖擊電流的大小與切換時機端殘壓與網(wǎng)側(cè)電壓差的大小有關(guān)。

2)針對開關(guān)速度水平（200ms級)附近，直接投切到三角形繞組側(cè)會產(chǎn)生很大的沖擊電流，直接威脅電機以及供電系統(tǒng)的安全，因此不建議直接進行切換。

3．2 投切到備用支路時沖擊電流仿真

根據(jù)以上提供的相關(guān)數(shù)據(jù)，在PSCAD下建立的系統(tǒng)仿真模型如圖7所示。

圖7 PSCAD條件下的電機系統(tǒng)仿真模型Fig．7 Simulation model of motor system on PSCAD

斷路器BRK1選擇在1s閉合，待電機啟動穩(wěn)定運行后，在36s時斷開；斷路器BRK2分別在38s、36.5s、36.1s、36.02s合閘，將電機接入備用回路，達到實現(xiàn)不同開關(guān)切換時間對沖擊電流影響的仿真目的。仿真總時長50s，仿真結(jié)果如圖8所示。

圖8 切換時間為2s仿真波形Fig．8 Simulation results when switching time is 2s

圖8為開關(guān)切換時間為2s時的仿真結(jié)果圖，0.5s、0.2s、0.1s、0.02s結(jié)果如表4所示。

表4 投切到備用支路時沖擊電流仿真結(jié)果Table 4 Impulse current simulation results of switching to the auxiliary branch

當(dāng)電機完全斷電時，機端殘壓與網(wǎng)側(cè)電壓相量差以及最不利合閘時間（約為40.35s)合閘時電流波形如圖9所示。

圖9 機端殘壓與網(wǎng)側(cè)電壓差Fig．9 Voltage difference of Motor residual voltage and grid voltage

由圖9可知，最不利合閘時間為斷開后的0.35s，沖擊電流峰值可達到14.09kA，為額定電流的11.86倍，此沖擊電流極易燒壞電機。

通過以上仿真分析得到以下結(jié)論：

1)開關(guān)切換時間很短時（毫秒級)，由于時間越短電機失步程度越小，重新供上電源時定子感應(yīng)電壓與電網(wǎng)電壓同步率越高，因此沖擊電流越小，0.02s開關(guān)過程沖擊電流峰值僅為1.42kA。

2)開關(guān)時間過長時，沖擊電流的大小與重新供電時，定子感應(yīng)電壓相位與電網(wǎng)電壓相位差有關(guān)。當(dāng)兩者反相時達到最大，最大值可能會超過啟動時的沖擊電流。最不利合閘時間為斷開后0.35s，沖擊電流峰值達到14.09kA，為額定電壓的11.86倍。

3)針對開關(guān)時間水平（200ms級)，不采取任何措施直接進行切換操作會產(chǎn)生很大的沖擊電流，直接威脅電機以及供電系統(tǒng)的安全，因此不建議直接進行切換。

3．3 備用支路變壓器容量選擇

根據(jù)相關(guān)規(guī)程，普通單元接線時，變壓器容量應(yīng)至少滿足電機的額定容量并留10％的裕度，因此按照最大沖擊電流時的容量來選擇。

選擇仿真中沖擊電流最大即最不利情況計算，仿真最大沖擊電流峰值為14.09kA時，開關(guān)切換時間為0.35s，整個暫態(tài)過程電機視在功率變化如圖10所示。

視在功率最大值為53.77MVA，取10％裕度，即變壓器容量取59.15MVA為宜。

圖10 視在功率變化Fig．10 Variation of the apparent power

4 結(jié)論

根據(jù)以上仿真結(jié)果，得到以下結(jié)論：

1)電機直接由變壓器星形繞組支路投切到三角形繞組支路時，由于兩種接法相位相差30°，直接投切時將產(chǎn)生很大的沖擊電流（9～10倍額定電流)，對電機負載以及所處的供電系統(tǒng)穩(wěn)定性造成危害，因此不建議直接投切到三角形繞組側(cè)。

2)電機直接投切到備用支路時，投切時沖擊電流的大小和機端殘壓與網(wǎng)側(cè)電壓之相量差大小有關(guān)，按所給的開關(guān)時間水平（200ms級)，直接切換時會產(chǎn)生很大的沖擊電流（7～9倍額定電流)，因此不建議直接投切方式；若采取該方式投切，按工程經(jīng)驗備用支路應(yīng)配備59.15MVA的變壓器。

3)通過仿真可知，電機電源短暫中斷后又重合閘恢復(fù)供電，直接由變壓器星形繞組支路投切到三角形繞組支路和直接投切到備用支路都會對電網(wǎng)和電機造成一定的影響，投切時間不當(dāng)可能會造成不必要的損失，增加維修成本。因此要采取適當(dāng)?shù)拇胧┍苊獯饲闆r發(fā)生，比如采用軟投切等方式，從而使投切沖擊電流減小，保護電機穩(wěn)定運行及電網(wǎng)供電穩(wěn)定。

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The Simulation Analysis of Transient Inrush Current Caused by Switching Process of High?power Motor

WANG Jia1，WANG Yu?fei1，XU Xing2，ZHANG Yu?hua1，WANG Wang3
（1.School of Electrical Engineering，Shanghai University of Electric Power，Shanghai 200090; 2.Shanghai Power Equipment Research Institute，Shanghai 201199;3.KSB Shanghai Pump Co.，Ltd，Shanghai 200093)

The phenomenon that brief interruption of electrical power and restoration of power supply after reclosing is widely spread，and the transient inrush current problems caused by switching process of high?power motor are serious.Ac?cording to actual wiring of some experimental station in Shanghai and the given parameters，based on inrush current simula?tion during the switching process，two models of high?power motor switching are built in PSCAD，aiming at analyzing inrush current levels caused by switching process，as well as the relationship between inrush current and switching time.The re?sults show that current generated by the direct switching to the triangle winding branch is larger than the alternative one，and neither direct switching high?power motor models is suggested.If any necessary，some safe measures should be taken to replace the corresponding equipment.

reclosing;high?power motor;impulse current;transient

TM3

A

1674?5558（2017)05?01172

10.3969／j.issn.1674?5558.2017.01.017

王佳，男，碩士，電力電子與電力傳動專業(yè)，研究方向為電力電子與電力傳動。

2015?07?24

上海市自然科學(xué)基金（編號：15ZR1418000，15ZR1418200)；上海綠色能源并網(wǎng)工程技術(shù)研究中心（編號：13DZ2251900)