690V三線圈變壓器在風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)中的應(yīng)用

沈海軍，曼納，許少倫，燕續(xù)峰，代

（1.上海交通大學(xué),上海 200240；2.新疆特種設(shè)備檢驗(yàn)研究院，新疆 烏魯木齊 83011）

根據(jù)國家低壓規(guī)范規(guī)定，在設(shè)備供電應(yīng)用中10kV/690V供配電系統(tǒng)也作為低壓供配電系統(tǒng)。由于10kV/690V供配電系統(tǒng)電壓等級(jí)的特殊性，相對(duì)于傳統(tǒng)的10(6)kV/400V供配電系統(tǒng)應(yīng)用較少，但在特定的運(yùn)行環(huán)境下，它具有增大供電半徑、減小線路損耗、增加設(shè)備供配電容量、減小短路電流、增加負(fù)荷單機(jī)容量、減小供電電纜截面、減少高壓交流變頻器數(shù)量、節(jié)省供電投資及運(yùn)行費(fèi)用等諸多優(yōu)點(diǎn)，隨著我校眾多大型用電實(shí)驗(yàn)設(shè)備的采用，單套裝置供電容量的逐漸大型化、單機(jī)功率的大型化和供電半徑的增加，以及與之配套的配電設(shè)備和元器件品質(zhì)和產(chǎn)品系列不斷完善，10kV/690V供電系統(tǒng)在我校特殊實(shí)驗(yàn)室特定行業(yè)的裝置動(dòng)力系統(tǒng)應(yīng)用逐漸推廣。但是由于目前同一套裝置內(nèi)的UPS、儀表電源及執(zhí)行機(jī)構(gòu)、照明系統(tǒng)和檢修電源等非動(dòng)力供配電系統(tǒng)（以下簡稱非動(dòng)力系統(tǒng)）仍然需要 400(230)V電源，因而形成了在一套裝置內(nèi) 10kV/690V/400(230)V并存的局面。因此，如何選用裝置的配電變壓器的型式將直接影響整個(gè)裝置的投資、供電系統(tǒng)的可靠性和整個(gè)系統(tǒng)的合理性。基于以上考慮，本文就上海交通大學(xué)多功能風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)室裝置的10kV/690V 動(dòng)力系統(tǒng)及 400(230)V非動(dòng)力系統(tǒng)配置，提出了如下設(shè)計(jì)改造方案，并進(jìn)行建設(shè)安裝、順利運(yùn)行。

1 供電系統(tǒng)簡介

上海交通大學(xué)多功能風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)室主要研究工作為氣-液-固多相復(fù)雜流動(dòng)、強(qiáng)非線性自由表面水動(dòng)力學(xué)、高速水下航行體流固耦合系統(tǒng)、非線性水波動(dòng)力學(xué)等。在實(shí)驗(yàn)中，通過風(fēng)洞電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)形成高速風(fēng)流，形成風(fēng)洞進(jìn)而進(jìn)行有關(guān)研究。由于研究的需要，風(fēng)速需要頻繁調(diào)整，風(fēng)洞電機(jī)的負(fù)荷也會(huì)隨之變化。

1.1 負(fù)荷參數(shù)

該實(shí)驗(yàn)室主要供電負(fù)荷為風(fēng)洞電機(jī)，額定功率1000kW，額定電壓690V，標(biāo)稱電流1028A，額定頻率30.5Hz，采用12脈電源控制。

該風(fēng)洞電機(jī)為變頻調(diào)速電動(dòng)機(jī)，采用兩臺(tái)SINAMICS G150變頻器控制電機(jī)轉(zhuǎn)速，適用于恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載、恒功率負(fù)載、高性能要求，但無需再生反饋的傳動(dòng)應(yīng)用場(chǎng)合，G150采用無速度傳感器矢量控制。變頻器的參數(shù)輸入 3AC 660-690V 電流1424A，輸出3AC 660-690V 電流 1360A。

1.2 供電要求

系統(tǒng)供電要求如下。

（1）供電系統(tǒng)由10kV開關(guān)站引出一路10kV高壓電纜，再進(jìn)高壓隔離開關(guān)，高壓斷路器至特殊690V變壓器再引出二臺(tái)不同相位角的690V出線柜；輔助一臺(tái)380V出線柜組成一次供電系統(tǒng)。用戶端為兩臺(tái)690V變頻器構(gòu)成12脈電壓對(duì)風(fēng)洞電機(jī)進(jìn)行控制。風(fēng)洞輔助電機(jī)獨(dú)立380V供電，與主電機(jī)供電控制分開。

（2）主系統(tǒng)變頻器，由ZSCB10/10/0/72/D,d0，y11專用變壓器提供690V兩路供電，兩路變頻器供電電源均為三相、額定頻率50Hz、額定輸入電壓690V、額定輸入電流712A，并使兩路供電變壓器輸出一組為三角形接法，另一組為星形接法、移相角30°。

（3）控制系統(tǒng)及輔助變頻器供電，由380V供電，三相、額定頻率50Hz、額定輸入電壓380V、額定輸入電流519A。

2 供電系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

由于變頻器采用12脈控制，需要兩路三相電源為兩臺(tái)變頻器供電，移相角30°，因此系統(tǒng)分別選用一回路星型接法供電，另一回路采用三角形接法供電，由此對(duì)系統(tǒng)變壓設(shè)備提出了特殊要求，為了能滿足此實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的大容量供電要求，考慮采用高壓10kV供電，以減少線路損耗，并在就近設(shè)備端建造了特殊變壓器供電系統(tǒng)。

為了考慮現(xiàn)場(chǎng)的經(jīng)濟(jì)可靠性，采用690V變壓器供電。同時(shí)又考慮到要求三相12脈供電需求，選取三線圈變壓器，采用高壓10kV/690△/690Y，特殊定制變壓器供電，并采用特制的施耐德mt10/690V作為出線開關(guān)，設(shè)備開關(guān)兩臺(tái)，共同對(duì)風(fēng)洞電機(jī)進(jìn)行供電。為滿足風(fēng)洞設(shè)備的啟動(dòng)運(yùn)轉(zhuǎn)和變頻要求，在其附近又引入一路380V電源作為其控制系統(tǒng)、電腦等普通設(shè)備的供電電源。

選用10kV/690V 供電系統(tǒng)配電，主電源采用10kV/690△/690V三圈變壓器作為動(dòng)力系統(tǒng)的配電變壓器，在控制系統(tǒng)中，則采用單獨(dú)設(shè)置10kV/400V的輔助電源。在建造變電站時(shí)，考慮到設(shè)備供電的特殊性和供電功率的可調(diào)性，考慮采用高頻變頻器控制風(fēng)洞設(shè)備，經(jīng)討論研究，設(shè)備方提出要求二路不同相位角的電壓供電，并滿足供電容量要達(dá)到650kW一路。

按照如上要求，經(jīng)過進(jìn)行了多次深入研究和探討供電方案，設(shè)計(jì)高壓供電、低壓供電系統(tǒng)設(shè)計(jì)系統(tǒng)如圖1所示。

圖1 高低壓側(cè)系統(tǒng)接線圖

在變電系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，考慮設(shè)備的容量比較大，而且是單一用能設(shè)備，設(shè)備變頻要求高，故設(shè)計(jì)采用10kV/690V電壓系統(tǒng)，選購的風(fēng)動(dòng)設(shè)備變頻器也是690V變頻器。

2.2 設(shè)備選擇

在系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中，對(duì)變壓器，開關(guān)柜，斷路器等供電設(shè)備的應(yīng)用做了論證，因其電壓的特殊性，接地系統(tǒng)應(yīng)用的不同性等問題及考慮供電的安全可靠，滿足設(shè)備的供電要求，進(jìn)行了深入的研究，最后在設(shè)備選型中做如下設(shè)計(jì)。

（1）690V變壓器。為保證考慮系統(tǒng)投資成本及風(fēng)洞電機(jī)的正常啟動(dòng)，設(shè)計(jì)選用10kV/690△/690Y變壓器供電系統(tǒng)，變壓器選擇江蘇寶勝廠ZSCB10-1500/10/0.72/D,d0，y11。

（2）690V配電柜?？紤]690V電壓配電柜的工作性能及絕緣要求，選用了上海柘中電氣集團(tuán)的GCK定制配電柜，按690V要求配置內(nèi)部元器件和設(shè)備布置，滿足安全供電要求。

（3）特定斷路器。由于變壓器的輸出電壓為690V，故我們選用施耐德的MT10H1-690V框架斷路器，當(dāng)電壓等級(jí)為660/690V時(shí)Icu=85kA，滿足50kA、690V的要求。施耐德斷路器的一些附件，如失壓脫扣器線圈、欠壓脫扣器的延時(shí)繼電器、彈簧儲(chǔ)能電機(jī)、合閘和分閘線圈等的工作電壓，多符合690V的要求。

（4）輔助回路。輔助電源事關(guān)系統(tǒng)的穩(wěn)定和可靠運(yùn)行，選用穩(wěn)定的大樓原有進(jìn)戶電源380V作為輔助回路的工作電壓，690V系統(tǒng)設(shè)備中的輔助電源是通過配備690V/220V隔離變壓器降壓提供。而690V系統(tǒng)中的隔離變壓器二次側(cè)要配備絕緣監(jiān)測(cè)繼電器，同時(shí)隔離變壓器二次側(cè)不接地，使之成為IT接地系統(tǒng)，提高控制系統(tǒng)的可靠性。

（5）兩路690V供電接地系統(tǒng)。①690Y系統(tǒng)采用中性點(diǎn)直接接地的TN-S系統(tǒng)供主變頻器使用，為提高整個(gè)風(fēng)洞690V系統(tǒng)供電的安全性，考慮采用了中性點(diǎn)電阻接地系統(tǒng)。選擇中性點(diǎn)接地電阻，可增加故障支路的零序電流，加之裝設(shè)了電流型的選擇性漏電保護(hù)后，提高了漏電保護(hù)裝置的靈敏度，能夠有選擇性地選出故障支路，抑制單相電弧接地時(shí)的過電壓。②另一路690△系統(tǒng)采用無中心線IT系統(tǒng)，配備絕緣監(jiān)測(cè)裝置，對(duì)饋電回路和電機(jī)回路還需要配備RCD（剩余電流動(dòng)作保護(hù)器），系統(tǒng)的電力儀表采集電壓參量為三相三線制，供△變頻器使用，在開關(guān)柜內(nèi)安裝了三相主母線和PE排，不安裝N排。

（6）供電電纜。在選擇電纜規(guī)格上，690V系統(tǒng)電纜在載流量上為400V供電系統(tǒng)的1.732倍，線路壓降是400V系統(tǒng)的0.577倍，故出線電纜選用3YJV-4×185+1×95，節(jié)省了電纜的投資成本，降低約35%～40%。

3 系統(tǒng)調(diào)試運(yùn)行問題及解決方案

3.1 △變頻器跳閘

在系統(tǒng)調(diào)試過程中，發(fā)現(xiàn)變頻器一啟動(dòng)就會(huì)發(fā)生過流跳閘現(xiàn)象，原因分析系統(tǒng)存在啟動(dòng)頻率過高，加速時(shí)間過短及系統(tǒng)外部電磁感應(yīng)的干擾等問題，后通過調(diào)整啟動(dòng)頻率，從1Hz緩慢上調(diào)以及在外部采取噪聲抑制措施，把噪聲濾波器安裝在變頻器的輸入端上，從而消除干擾源。采用把RC吸收器這種防沖擊電壓的吸收設(shè)備加在變頻器周圍所有控制設(shè)備控制線圈上；讓控制回路和主線路分離，使得配線距離縮短，并使用中繼方式來控制，避免屏蔽線回路過長；而且把電焊、動(dòng)力等設(shè)備分開至380V系統(tǒng)使用，從而解決了變頻器跳閘問題。

表1 風(fēng)洞電機(jī)試驗(yàn)運(yùn)行工況表

在系統(tǒng)調(diào)試中，690V三角形系統(tǒng)沒有中心線，故設(shè)備運(yùn)行時(shí)，若對(duì)地絕緣有泄漏等問題，會(huì)對(duì)試驗(yàn)人員和設(shè)備造成觸電事故。為了檢測(cè)系統(tǒng)中的絕緣電阻，保障供電安全，在三角形系統(tǒng)輸出端加裝了絕緣電阻檢測(cè)儀，按照絕緣監(jiān)測(cè)儀的工作原理，當(dāng)供電網(wǎng)絡(luò)的對(duì)地絕緣電阻小于設(shè)定值時(shí)，裝置發(fā)出聲光報(bào)警，我們把它設(shè)定在1兆歐，（對(duì)地電流690V/1MΩ=0.69mA）監(jiān)測(cè)系統(tǒng)對(duì)地電阻低于1兆歐時(shí)發(fā)出聲光報(bào)警，達(dá)到0.02兆歐（對(duì)地電流690V/0.02MΩ=34.5mA）就會(huì)輸出報(bào)警跳閘信號(hào)，促使總開關(guān)分閘線圈啟動(dòng)分閘，達(dá)到保護(hù)系統(tǒng)設(shè)備作用。

電網(wǎng)絕緣監(jiān)測(cè)儀采用JYC-1A型，供電通過隔離變壓器使690V轉(zhuǎn)換為220V供電；絕緣監(jiān)測(cè)點(diǎn)與690V三角形系統(tǒng)電網(wǎng)中的任意一相連接；監(jiān)測(cè)儀的接地線牢固的接到可靠的地線上；解決了三角形系統(tǒng)中由于絕緣降低造成觸電及導(dǎo)致變頻器跳閘問題。

3.2 風(fēng)洞電機(jī)采用12脈控制方法的調(diào)整

風(fēng)洞電機(jī)有6個(gè)電壓輸入端，可以單變頻器控制使用，也可以二變頻器同時(shí)輸入控制使用，為解決電機(jī)的三次諧波及相位角要求，一路輸入電源采用了三角形接法，一路采用了星形接法，相位角相差30度，同時(shí)作用于風(fēng)洞電機(jī)，使電機(jī)的轉(zhuǎn)速最高能達(dá)到800r/min。并能在低速運(yùn)行時(shí)單變頻器供電使用，高速運(yùn)行時(shí)，雙變頻器同時(shí)使用供電，供電方式靈活，供電使用能力大大增強(qiáng)。如表1所示。

3.3 風(fēng)洞電機(jī)的配電接線

風(fēng)洞電機(jī)采用專用變頻調(diào)速電動(dòng)機(jī)，型號(hào)為YVPFD2200-30.5-CEWB，工作制S1，接法△，頻率范圍為1～30Hz，轉(zhuǎn)速為20～600r/min。在線路接線時(shí)，考慮經(jīng)濟(jì)可靠、滿足載流量和接線方便等原因，特提出690V電源采用2路6根YJV-3×185的主電纜對(duì)電機(jī)6個(gè)輸入端進(jìn)行接線，并在輔助風(fēng)機(jī)上引入380V電源2×YJV-4×185+1×95，滿足風(fēng)機(jī)輔助電源的供電要求（如圖2所示）。

4 結(jié)語

圖2 風(fēng)洞電機(jī)供電線路接線圖

通過上海交通大學(xué)多功能風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)的供電設(shè)計(jì)和實(shí)驗(yàn)運(yùn)行，總結(jié)了690V系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要點(diǎn)，介紹了各種特種設(shè)備電壓要求和使用設(shè)計(jì)要求。在設(shè)計(jì)中考慮經(jīng)濟(jì)性，節(jié)約了投資成本，并降低電能在輸送和設(shè)備運(yùn)行中的損耗，提高電網(wǎng)效率，降低設(shè)備運(yùn)行成本和維護(hù)工作量，同時(shí)保證供電質(zhì)量及供電可靠性。從實(shí)踐角度而言，上海交通大學(xué)風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)室供電系統(tǒng)項(xiàng)目的設(shè)計(jì)是十分成功的，自建成運(yùn)行以來，系統(tǒng)完全滿足風(fēng)洞各種實(shí)驗(yàn)階段的供電要求，供電零故障，此系統(tǒng)為大容量電機(jī)供電創(chuàng)新起到推動(dòng)作用，帶來了很大的技術(shù)優(yōu)勢(shì)和經(jīng)濟(jì)效益。