電機(jī)停運(yùn)時(shí)電路的暫態(tài)分析及應(yīng)對(duì)研究

王樹春，王偉同，李祥苓

(天津華電南疆熱電有限公司，天津 300452）

在工業(yè)系統(tǒng)中，針對(duì)400V的配送電裝置均為抽屜開關(guān)，因此分析抽屜開關(guān)內(nèi)配件及配電線路到負(fù)載等構(gòu)成的系統(tǒng)就具有重要的實(shí)用價(jià)值。其系統(tǒng)特性可分為穩(wěn)態(tài)(靜態(tài))及暫態(tài)(動(dòng)態(tài))兩個(gè)范疇，即停止和運(yùn)行的穩(wěn)態(tài)和從停止到運(yùn)行、再?gòu)倪\(yùn)行到停止的暫態(tài)，平常工作時(shí)我們經(jīng)常接觸到的是穩(wěn)態(tài)，其實(shí)暫態(tài)才是經(jīng)常出現(xiàn)問題的環(huán)節(jié)，因此抽屜開關(guān)及其線路到負(fù)載構(gòu)成的系統(tǒng)的暫態(tài)行為及分析應(yīng)該引起足夠的重視。

1 問題闡述

某公司深度水系統(tǒng)9臺(tái)抽屜開關(guān)電機(jī)正常停運(yùn)操作時(shí)，斷路器跳閘。由PLC發(fā)過來啟停信號(hào)，啟動(dòng)時(shí)接觸器閉合，電機(jī)啟動(dòng)，當(dāng)PLC發(fā)停止信號(hào)時(shí)，斷路器跳閘(圖1)。

圖1 斷路器跳閘線路示意圖

2 斷路器跳閘的原因分析

斷路器跳閘原因有很多種，但大致歸結(jié)為6類情況,分別為電機(jī)對(duì)地絕緣低，引起斷路器過流跳閘；斷路器速斷電流設(shè)錯(cuò)，啟機(jī)停機(jī)時(shí)電流大于速斷值跳閘；斷路器合閘不到位，同樣引起電流過大跳閘；斷路器質(zhì)量問題，斷路器內(nèi)金屬片未到固定溫度直接跳閘；斷路器選型錯(cuò)誤，電機(jī)額定電流大于斷路器允許電流引起跳閘；因暫態(tài)過程引起的瞬時(shí)電流過大引起跳閘。

針對(duì)某廠故障,采用排除法，進(jìn)行檢查分析如下：（1）經(jīng)過實(shí)測(cè)電機(jī)與電纜對(duì)地絕緣為大于550MΩ，無問題，可以排除電機(jī)對(duì)地絕緣低，引起斷路器過流跳閘；（2）就地確認(rèn)斷路器速斷電流為12倍額定電流，符合標(biāo)準(zhǔn)，且如果因定值設(shè)錯(cuò)導(dǎo)致跳閘應(yīng)是啟停均跳閘，因此排除斷路器速斷電流設(shè)錯(cuò)，啟機(jī)停機(jī)時(shí)電流大于速斷值跳閘；（3）觀察斷路器合閘到位，且如果是斷路器未合閘到位引起不應(yīng)九臺(tái)斷路器均有此問題，排除斷路器合閘不到位，同樣引起電流過大跳閘；（4）斷路器為×牌斷路器，且官網(wǎng)購(gòu)買該產(chǎn)品同型號(hào)并更換后故障仍發(fā)生，可排除斷路器質(zhì)量問題，斷路器內(nèi)金屬片未到固定溫度直接跳閘；（5）跳閘斷路器均為100A，電機(jī)額定電流均為60～75A左右，斷路器脫扣電流大于電機(jī)額定電流35%左右，符合要求排除斷路器選型錯(cuò)誤，電機(jī)額定電流大于斷路器允許電流引起跳閘。

綜上所述，我們有必要猜測(cè)其跳閘原因?yàn)闀簯B(tài)過程引起的瞬時(shí)電流過大引起跳閘，即停止時(shí)瞬時(shí)電流使斷路器速斷保護(hù)動(dòng)作，現(xiàn)通過暫態(tài)研究其過電流的原因：進(jìn)行暫態(tài)分析我們要首先知道什么是暫態(tài)，他與穩(wěn)態(tài)的區(qū)別和形成原因。穩(wěn)態(tài)是指在一定條件下電路中電壓、電流已達(dá)到穩(wěn)定值。暫態(tài)是指電路從一種穩(wěn)態(tài)變化到另一種穩(wěn)態(tài)的過渡過程(如圖2)。

圖2 穩(wěn)態(tài)電路示意圖

圖2 電阻是耗能元件，其上電流I隨電壓U成比例變化，不存在過渡過程。

產(chǎn)生暫態(tài)過程的必要條件是：（1）電路發(fā)生換路，為外因；（2）電路中含有儲(chǔ)能原件，為內(nèi)因。因?yàn)槟芰績(jī)?chǔ)存、釋放需要一個(gè)過程，所以有電感或者（和）電容的電路存在過渡過程(如圖3)。

圖3 可發(fā)生暫態(tài)電路示意圖

由此可知，有儲(chǔ)能元件（電感、電容）的電路狀態(tài)發(fā)生變化時(shí)（如：電路接入電源、從電源斷開、電路參數(shù)修改等）存在過渡過程，而沒有儲(chǔ)能作用的電阻電路，不存在過渡過程。電路中的電壓和電源在過渡過程期間，從“舊穩(wěn)態(tài)”進(jìn)入“新穩(wěn)態(tài)”，此時(shí)電壓、電流都處于暫時(shí)的不穩(wěn)定狀態(tài)，所以過度過程又稱為電路的暫態(tài)過程。過渡過程是一種自然現(xiàn)象，但是有不利的方面，比如在暫態(tài)過程發(fā)生的瞬間，可能出現(xiàn)過電壓或過電流，致使電氣設(shè)備或元件損壞，必須采取防范措施。

在過渡過程，可以通過換路定則及電壓和電流的初始值來判斷回路的變化。換路就是電路狀態(tài)的改變：電路接通、切斷、短路或參數(shù)改變。

電容儲(chǔ)能不變：Wc=1/2CUc2，Uc不變，Uc（0+）=Uc（0-）

電感儲(chǔ)能不變：WL=1/2LIL2，IL不變，IL（0+）=IL（0-）

需要注意的是，過渡過程中只有IL和UC受換路定則的約束而保持不變，電路中的其他電壓、電流都可能發(fā)生躍變。

所以可以得出兩個(gè)原則：（1）換路瞬間，電容元件當(dāng)作恒壓源，恒壓源的值為Uc（0+）；（2）換路瞬間，電感元件可以當(dāng)作恒流源，恒流源的值為IL（0+）。

具體到某公司深度水系統(tǒng)9臺(tái)抽屜開關(guān)電機(jī)正常停運(yùn)操作時(shí)，斷路器跳閘故障,對(duì)故障系統(tǒng)的開關(guān)柜接線(如圖4)進(jìn)行分析可知：斷路器內(nèi)部是有電感的，這就使得線路一次回路增加了電感，且電纜較長(zhǎng)時(shí)就會(huì)對(duì)線路有對(duì)地電容，則可將一次線路簡(jiǎn)化成圖5。

圖4 斷路器內(nèi)部簡(jiǎn)化接線圖

圖5 串聯(lián)諧振電路

（S：發(fā)熱電感：過載時(shí)溫度升高使雙金屬片彎曲頂?shù)糸_關(guān)L：電磁脫扣器線圈電感：短路時(shí)磁力增大，吸引銜鐵上移頂?shù)糸_關(guān))。

（R：電纜電機(jī)內(nèi)阻等；XL：斷路器內(nèi)部電感與電機(jī)電感；XC：電纜對(duì)地電容)。

含線性儲(chǔ)能元件無獨(dú)立電源的二端網(wǎng)絡(luò)，在某一特定條件下，其端口呈純阻性，即電壓、電流同相位的現(xiàn)象稱為諧振，諧振是正弦穩(wěn)態(tài)電路的一種特殊現(xiàn)象，電路發(fā)生諧振前后的工作狀態(tài)差別很大。

圖5中假使當(dāng)XL=XC時(shí)，線路極易發(fā)生諧振，電感電壓與電容電壓向量因反向相互抵消，所以電路的電源電壓就等于電阻電源，諧振時(shí)可以看成ab兩點(diǎn)短路，電壓直接加在電阻上。所以正常運(yùn)行時(shí)電流就會(huì)比其他電機(jī)略大，但如果在保護(hù)裝置裕度內(nèi)，則不會(huì)引起跳閘。同時(shí)電容或電感雖相等但遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于電阻，串聯(lián)回路電流處處相等，那么電感與電容上就會(huì)有極大的電壓，但對(duì)外不會(huì)顯示。

電機(jī)啟動(dòng)時(shí)，因電感和電容未儲(chǔ)能，雖然電機(jī)因?yàn)樾枰⒋艌?chǎng)導(dǎo)致啟動(dòng)電流很大，但仍未到斷路器的速斷電流，但當(dāng)電機(jī)停止時(shí)，電流因需要抵消磁場(chǎng)也會(huì)變得很大，這時(shí)雖然諧振電路已經(jīng)破壞，但電感有保持電流不變的特性，且電容上有極大的電壓，電容也有保持電容兩端電壓不變的特性，就會(huì)向線路提供過電壓，過電壓就會(huì)使接觸器拉弧困難，且同樣會(huì)產(chǎn)生過電流，電感內(nèi)的電流就等于自己保持的電流加上電容過電壓造成的過電流再加上停機(jī)電流，這三者之和就很有可能超過速斷電流引起斷路器跳閘。

現(xiàn)斷路器自身都有滅弧功能，但斷路器的下口—接觸器一般沒有，我們可以通過增加電感負(fù)載等效回路來解決接觸器的問題。從電工學(xué)分析，這種電感負(fù)載等效為RLC電路，RLC電路是一種由電阻R、電感L、電容C組成的電路結(jié)構(gòu)。通過把阻容支路并聯(lián)在線圈兩端。在增加的并聯(lián)支路所組成的回路中，電阻被調(diào)整到臨界值，因而當(dāng)開關(guān)切斷載流線圈電流時(shí)不產(chǎn)生振蕩。另一方面，由于兩支路的時(shí)間常數(shù)相等，因而不管總電流隨時(shí)間如何變化，通過換路定則可知兩支路中的自由電流分量總是大小相等，方向相反。電源支路中自由電流分量等于零，也就是說，當(dāng)開關(guān)切斷線圈電流時(shí)，線圈兩端的電壓為零。所以這種接線方式，不僅可消除操作過電壓，同時(shí)也消除了在切斷感性負(fù)載時(shí)，開關(guān)觸點(diǎn)間產(chǎn)生的電弧及火花。

3 運(yùn)用實(shí)踐與實(shí)驗(yàn)改造

首先防止停機(jī)時(shí)斷路器跳閘就要破壞諧振，諧振的必要條件是XL=XC，XL是電機(jī)電感和斷路器內(nèi)電感的和，電機(jī)電感不可變，斷路器的電感如果同型號(hào)的也不可變，XC時(shí)電纜對(duì)地電感，對(duì)地電感由長(zhǎng)度決定其也不可變，雖然這些值無法減少，但我們可以增加電感和電抗?？蓸?gòu)建如下實(shí)驗(yàn)方案：

（1）更換新型號(hào)斷路器，如正泰。實(shí)驗(yàn)結(jié)果：原停機(jī)時(shí)斷路器跳閘為70%，換成正泰后下降為20%。結(jié)果表明：雖然跳閘率雖有下降，方向正確但仍然無法根治。

（2）在原斷路器下口增加一線圈，即電感。實(shí)驗(yàn)結(jié)果：跳閘率下降到0%。結(jié)果表明：成功破壞諧振后，即可不失電正常停機(jī)。

（3）在二次回路的接觸器線圈上并聯(lián)一個(gè)阻容回路。實(shí)驗(yàn)結(jié)果：跳閘率下降到30%。結(jié)果表明：加快接觸器拉弧，阻止電容放電也是可行的。經(jīng)過以上實(shí)驗(yàn)表明上述理論分析沒有問題，列以下幾點(diǎn)防范措施。

4 結(jié)語

某廠采用以下第二種方案即在斷路器下口接電感后，異常消除。雖然發(fā)生諧振雖是偶然現(xiàn)象，但仍然不可忽視，如果線路安裝的斷路器定值不對(duì)或其他原因造成無法跳開，極有可能因過電流跳開變壓器下口或者燒毀電機(jī)，針對(duì)不同廠400V抽屜開關(guān)內(nèi)不同結(jié)構(gòu)，可以參考上述理論和方法，在此進(jìn)行推廣。防范措施如下：

（1）更換不帶速斷的普通斷路器，普通斷路器內(nèi)無脫扣線圈電感，即減少一次回路的電感，再給開關(guān)柜增加綜保，利用綜保的電流速斷進(jìn)行保護(hù)，對(duì)應(yīng)上述實(shí)驗(yàn)一。

（2）可在斷路器下口增加一電感破壞諧振，對(duì)應(yīng)上述實(shí)驗(yàn)二。

（3）在接觸器線圈上并聯(lián)一個(gè)阻容回路，加快接觸器的失電動(dòng)作，阻止諧振回路里電容的過電壓放電，對(duì)應(yīng)上述實(shí)驗(yàn)三。當(dāng)接觸器電源被切斷后，電感線圈內(nèi)的電壓脈沖能量能夠通過并聯(lián)的電容回路吸收，而為了防止電容的電流過大以及可能再次與電感產(chǎn)生電諧振，在電容器回路中串聯(lián)一個(gè)電阻來降低電流，加快線圈的失電過程，使得觸點(diǎn)能夠更安全的完成動(dòng)作。而當(dāng)接觸器正常得電時(shí)，電容的存在可以避免阻容回路上一直通過較大電流，從而造成不必要的能量損失或者燒壞電阻。所以在阻容回路里電阻一般較小，而電容抗一般較大。雖然觸電火花產(chǎn)生在于主電路接通的接觸器觸點(diǎn)上，和布置在控制回路上的阻容回路沒有直接關(guān)系。但是接觸器動(dòng)作時(shí)間加快也有利于減小接觸器開斷時(shí)的電弧。