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(jì)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(jī)投切過(guò)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(jì)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(jī)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(jī)投切過(guò)程帶來(lái)的瞬態(tài)沖擊電流問(wèn)題危害嚴(yán)重。根據(jù)某公司試驗(yàn)站實(shí)際情況和給定的相關(guān)參數(shù)，對(duì)兩種大功率電機(jī)投切方式進(jìn)行PSCAD建模與仿真，旨在分析投切過(guò)程所引起的沖擊電流水平，以及沖擊電流與投切時(shí)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(jī)，若直接投切，必須采取相應(yīng)的安全措施，更換相應(yīng)保護(hù)設(shè)備。

重合閘；大功率電機(jī)；沖擊電流；瞬態(tài)

0 引言

大功率電機(jī)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(jī)定子端部電壓大大超過(guò)額定電壓，引起巨大的沖擊電流。其帶來(lái)的危害是多方面的［1?2］：引起母線(xiàn)電壓下降，影響其他設(shè)備正常運(yùn)行，危及繼電保護(hù)裝置的可靠動(dòng)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(jī)械應(yīng)力會(huì)損害電機(jī)轉(zhuǎn)軸和線(xiàn)圈。

根據(jù)電機(jī)能量轉(zhuǎn)換原理，交流異步電機(jī)在穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時(shí)，定子磁場(chǎng)和轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)相對(duì)靜止，產(chǎn)生平均電磁轉(zhuǎn)矩，并相對(duì)于轉(zhuǎn)子以轉(zhuǎn)差率s運(yùn)動(dòng)。在電機(jī)切換到備用回路時(shí)，由于開(kāi)關(guān)切換時(shí)間的不連續(xù)性，會(huì)出現(xiàn)短暫的斷電時(shí)間。隨著三相電源的中斷，異步電機(jī)的定子旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)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(kāi)路時(shí)間常數(shù)衰減。從能量角度來(lái)看，是指原先儲(chǔ)存在電機(jī)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(guò)程［3?5］。在此過(guò)程中，衰減的轉(zhuǎn)子電流產(chǎn)生衰減的旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)，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(shí)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(jī)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(kāi)路電壓的相量差，該差值電壓會(huì)在電機(jī)定子上產(chǎn)生沖擊電流［7］。沖擊電流的大小與重新供電時(shí)兩者的相位差有著很大的關(guān)系，當(dāng)兩者相位差相反時(shí)該沖擊電流將有可能比正常啟動(dòng)或者三相短路時(shí)的電流大得多。因此，對(duì)大功率感應(yīng)電動(dòng)機(jī)投切過(guò)程的研究對(duì)于電機(jī)可靠運(yùn)行是非常重要的［8?9］。本文通過(guò)PSCAD軟件對(duì)實(shí)際工程中兩種不同投切方式進(jìn)行對(duì)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(jī)瞬間斷電重新投入動(dòng)態(tài)過(guò)程理論分析

三相感應(yīng)電動(dòng)機(jī)定子瞬間斷電時(shí)，定子電流立即變?yōu)?，轉(zhuǎn)子則成為無(wú)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(shí)間常數(shù)以指數(shù)曲線(xiàn)衰減。若轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)的角速度為ωr，此時(shí)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(dòng)勢(shì)E0。重新投入電網(wǎng)時(shí)，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(duì)E0作相對(duì)運(yùn)動(dòng)。設(shè)δ為U1與E0的相角差，則：

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

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

考慮到重新投入電網(wǎng)是一個(gè)動(dòng)態(tài)過(guò)程，計(jì)算其不利投入時(shí)刻時(shí)要將式（2)乘上（1.2～1.3)系數(shù)，實(shí)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(shí)間間隔重合閘，其電壓相角、幅值不同，最大沖擊電流時(shí)刻和幅值也有所不同，具體情況可以通過(guò)仿真驗(yàn)證。

2 大功率電機(jī)系統(tǒng)參數(shù)

某公司大功率電動(dòng)機(jī)外部一次接線(xiàn)示意圖如圖1所示。

圖1 某公司大功率電機(jī)一次接線(xiàn)示意圖Fig．1 Primary connection of high?power motor

2．1 主變相關(guān)參數(shù)

型號(hào)：SS10?240000／220

額定容量：240MVA

接線(xiàn)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(xiàn)的短路容量以及主變參數(shù)，折算至變電站35kV母線(xiàn)的短路容量約為860MVA。35kV開(kāi)關(guān)站距離某公司配電房100m以?xún)?nèi)，由一回5km長(zhǎng)的YJV 3×（1×400mm2)電纜接入開(kāi)關(guān)站35kV母線(xiàn)。根據(jù)初步設(shè)計(jì)，采用31.5MVA降壓變壓器，可以滿(mǎn)足對(duì)電機(jī)啟動(dòng)時(shí)引起的電壓暫降計(jì)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(jì)算中設(shè)置為8％)

2．2 電機(jī)相關(guān)參數(shù)

某公司的大功率電機(jī)相關(guān)參數(shù)如表1、表2所示。

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

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

3 投切過(guò)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(duì)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(yùn)行時(shí)電機(jī)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(jī)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(guò)去時(shí)會(huì)產(chǎn)生沖擊電流，針對(duì)該過(guò)程，對(duì)切換時(shí)間分別為0.2s、0.35s、0.5s進(jìn)行仿真，系統(tǒng)仿真模型如圖2所示。

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

電機(jī)啟動(dòng)時(shí)間大約為35.5s，在40s電機(jī)穩(wěn)定運(yùn)行后，將電機(jī)切換到備用角接回路，變壓器阻抗取8％pu。

圖3為切換時(shí)間為0.2s仿真圖，通過(guò)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(shí)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(jī)完全斷電時(shí)，機(jī)端殘壓與網(wǎng)側(cè)電壓相量差波形以及定子感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)頻率衰減波形如圖4、圖5所示。

圖4 機(jī)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(jī)斷電定子側(cè)感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)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(dòng)勢(shì)下降至不到1kV。選擇最不利情況時(shí)間合閘，約為40.39s時(shí)合閘，電流仿真結(jié)果如圖6所示。

圖6 最不利情況時(shí)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(shí)間為斷開(kāi)后的0.39s，沖擊電流峰值可達(dá)到14.34kA，為額定電流的12.076倍，此沖擊電流極易燒壞電機(jī)。

通過(guò)以上仿真分析得到以下結(jié)論：

1)由于三角形接線(xiàn)與星形接線(xiàn)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(huì)產(chǎn)生很大的沖擊電流，最大可達(dá)到額定運(yùn)行的12.076倍，沖擊電流的大小與切換時(shí)機(jī)端殘壓與網(wǎng)側(cè)電壓差的大小有關(guān)。

2)針對(duì)開(kāi)關(guān)速度水平（200ms級(jí))附近，直接投切到三角形繞組側(cè)會(huì)產(chǎn)生很大的沖擊電流，直接威脅電機(jī)以及供電系統(tǒng)的安全，因此不建議直接進(jìn)行切換。

3．2 投切到備用支路時(shí)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(jī)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(jī)啟動(dòng)穩(wěn)定運(yùn)行后，在36s時(shí)斷開(kāi)；斷路器BRK2分別在38s、36.5s、36.1s、36.02s合閘，將電機(jī)接入備用回路，達(dá)到實(shí)現(xiàn)不同開(kāi)關(guān)切換時(shí)間對(duì)沖擊電流影響的仿真目的。仿真總時(shí)長(zhǎng)50s，仿真結(jié)果如圖8所示。

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

圖8為開(kāi)關(guān)切換時(shí)間為2s時(shí)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(shí)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(jī)完全斷電時(shí)，機(jī)端殘壓與網(wǎng)側(cè)電壓相量差以及最不利合閘時(shí)間（約為40.35s)合閘時(shí)電流波形如圖9所示。

圖9 機(jī)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(shí)間為斷開(kāi)后的0.35s，沖擊電流峰值可達(dá)到14.09kA，為額定電流的11.86倍，此沖擊電流極易燒壞電機(jī)。

通過(guò)以上仿真分析得到以下結(jié)論：

1)開(kāi)關(guān)切換時(shí)間很短時(shí)（毫秒級(jí))，由于時(shí)間越短電機(jī)失步程度越小，重新供上電源時(shí)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(kāi)關(guān)過(guò)程沖擊電流峰值僅為1.42kA。

2)開(kāi)關(guān)時(shí)間過(guò)長(zhǎng)時(shí)，沖擊電流的大小與重新供電時(shí)，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(shí)達(dá)到最大，最大值可能會(huì)超過(guò)啟動(dòng)時(shí)的沖擊電流。最不利合閘時(shí)間為斷開(kāi)后0.35s，沖擊電流峰值達(dá)到14.09kA，為額定電壓的11.86倍。

3)針對(duì)開(kāi)關(guān)時(shí)間水平（200ms級(jí))，不采取任何措施直接進(jìn)行切換操作會(huì)產(chǎn)生很大的沖擊電流，直接威脅電機(jī)以及供電系統(tǒng)的安全，因此不建議直接進(jìn)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(xiàn)時(shí)，變壓器容量應(yīng)至少滿(mǎn)足電機(jī)的額定容量并留10％的裕度，因此按照最大沖擊電流時(shí)的容量來(lái)選擇。

選擇仿真中沖擊電流最大即最不利情況計(jì)算，仿真最大沖擊電流峰值為14.09kA時(shí)，開(kāi)關(guān)切換時(shí)間為0.35s，整個(gè)暫態(tài)過(guò)程電機(jī)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(jī)直接由變壓器星形繞組支路投切到三角形繞組支路時(shí)，由于兩種接法相位相差30°，直接投切時(shí)將產(chǎn)生很大的沖擊電流（9～10倍額定電流)，對(duì)電機(jī)負(fù)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(jī)直接投切到備用支路時(shí)，投切時(shí)沖擊電流的大小和機(jī)端殘壓與網(wǎng)側(cè)電壓之相量差大小有關(guān)，按所給的開(kāi)關(guān)時(shí)間水平（200ms級(jí))，直接切換時(shí)會(huì)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(yàn)備用支路應(yīng)配備59.15MVA的變壓器。

3)通過(guò)仿真可知，電機(jī)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(huì)對(duì)電網(wǎng)和電機(jī)造成一定的影響，投切時(shí)間不當(dāng)可能會(huì)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(hù)電機(jī)穩(wěn)定運(yùn)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(dòng)專(zhuān)業(yè)，研究方向?yàn)殡娏﹄娮优c電力傳動(dòng)。

2015?07?24

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