大功率电机投切过程冲击电流仿真分析

王 佳，王育飞，徐 兴，张宇华，王 旺

（1.上海电力学院电气工程学院，上海200090；2.上海发电设备成套设计研究院，上海201199；3.上海电气凯士比核电泵阀有限公司，上海200093)

大功率电机投切过程冲击电流仿真分析

王 佳1，王育飞1，徐 兴2，张宇华1，王 旺3

（1.上海电力学院电气工程学院，上海200090；2.上海发电设备成套设计研究院，上海201199；3.上海电气凯士比核电泵阀有限公司，上海200093)

大功率电机电源短暂中断后又重合闸恢复供电现象是普遍存在的，而大功率电机投切过程带来的瞬态冲击电流问题危害严重。根据某公司试验站实际情况和给定的相关参数，对两种大功率电机投切方式进行PSCAD建模与仿真，旨在分析投切过程所引起的冲击电流水平，以及冲击电流与投切时间的关系。结果表明：直接投切到三角形绕组支路模式比直接投切到备用支路模式产生的冲击电流更大，而且两种模式都不建议直接投切大功率电机，若直接投切，必须采取相应的安全措施，更换相应保护设备。

重合闸；大功率电机；冲击电流；瞬态

0 引言

大功率电机电源短暂中断后又重合闸恢复供电现象是普遍存在的，再投入电源电压与定子残余电压大小、相位、频率的不同，可能使电机定子端部电压大大超过额定电压，引起巨大的冲击电流。其带来的危害是多方面的［1⁃2］：引起母线电压下降，影响其他设备正常运行，危及继电保护装置的可靠动作；引起谐波电压，降低供电质量；产生电磁转矩，巨大的机械应力会损害电机转轴和线圈。

根据电机能量转换原理，交流异步电机在稳态运行时，定子磁场和转子磁场相对静止，产生平均电磁转矩，并相对于转子以转差率s运动。在电机切换到备用回路时，由于开关切换时间的不连续性，会出现短暂的断电时间。随着三相电源的中断，异步电机的定子旋转磁场消失，原先在转子绕组中的感应交变电流在断电瞬间转化为直流性质的续流电流，并随着转子开路时间常数衰减。从能量角度来看，是指原先储存在电机转子大电感回路中的能量在转子回路中逐渐耗散的过程［3⁃5］。在此过程中，衰减的转子电流产生衰减的旋转磁场，在定子侧感应出定子电压，该定子电压根据转子时间常数衰减，频率为转子衰减角频率［6］。

因此在电源短暂中断后又重合闸恢复供电，加到电机上的电压，是电源电压和由转子剩磁在定子侧感应的开路电压的相量差，该差值电压会在电机定子上产生冲击电流［7］。冲击电流的大小与重新供电时两者的相位差有着很大的关系，当两者相位差相反时该冲击电流将有可能比正常启动或者三相短路时的电流大得多。因此，对大功率感应电动机投切过程的研究对于电机可靠运行是非常重要的［8⁃9］。本文通过PSCAD软件对实际工程中两种不同投切方式进行对比仿真研究，得出了两种投切方式的不足，并给出了相应的建议。

1 大功率电机瞬间断电重新投入动态过程理论分析

三相感应电动机定子瞬间断电时，定子电流立即变为0，转子则成为无源闭合回路，转子电流将成为自由分量，从断电瞬间的“初值”按转子的时间常数以指数曲线衰减。若转子旋转的角速度为ωr，此时直流自由分量将在定子绕组内感生一角频率为ωr的感应电动势E0。重新投入电网时，电网电压U1的角频率为ω1，如将相量E0视为静止，则U1将以转差角频率sω1对E0作相对运动。设δ为U1与E0的相角差，则：

当E0与U1达到反相位时重新投入电网，定子电流的冲击将达到最大，此时刻用t2max表示，于是：

其中，Δtmax为最大冲击电流间隔时间，单位为s；sav为t1到t2max期间转差率的平均值，t1是停机时刻。

考虑到重新投入电网是一个动态过程，计算其不利投入时刻时要将式（2)乘上（1.2～1.3)系数，实际情况中故障切换到变压器三角形绕组或投切到备用支路。由于相同时间间隔重合闸，其电压相角、幅值不同，最大冲击电流时刻和幅值也有所不同，具体情况可以通过仿真验证。

2 大功率电机系统参数

某公司大功率电动机外部一次接线示意图如图1所示。

图1 某公司大功率电机一次接线示意图Fig．1 Primary connection of high⁃power motor

2．1 主变相关参数

型号：SS10⁃240000／220

额定容量：240MVA

接线组别：YnYn0d11

阻抗：H⁃L 25.4％、H⁃M 14.3％、M⁃L 8.5％

根据电网220kV母线的短路容量以及主变参数，折算至变电站35kV母线的短路容量约为860MVA。35kV开关站距离某公司配电房100m以内，由一回5km长的YJV 3×（1×400mm2)电缆接入开关站35kV母线。根据初步设计，采用31.5MVA降压变压器，可以满足对电机启动时引起的电压暂降计算结果。35kV降压变压器参数如下：

容量：31.5MVA

电压：35／10／6.9／6.6／6.0 kV

阻抗：8％～10％（计算中设置为8％)

2．2 电机相关参数

某公司的大功率电机相关参数如表1、表2所示。

表1 电机主要参数Table 1 Main parameters of motor

表2 6．8MW电机相关阻抗（欧）Table 2 Impedances of 6．8MW motor（Ω）

3 投切过程建模与仿真

3．1 投切到变压器三角形绕组侧冲击电流仿真

根据所给数据，对于三绕组变压器，低压侧有三角形、星形两种联结方式的绕组。正常运行时电机连接至星形绕组侧，若星形侧变频器发生故障，则直接将电机投切到三角形联结绕组侧。由于星形联结绕组电压相位超前三角形连接30°，因此在切换过去时会产生冲击电流，针对该过程，对切换时间分别为0.2s、0.35s、0.5s进行仿真，系统仿真模型如图2所示。

图2 电机系统仿真模型Fig．2 Simulation model of motor system

电机启动时间大约为35.5s，在40s电机稳定运行后，将电机切换到备用角接回路，变压器阻抗取8％pu。

图3为切换时间为0.2s仿真图，通过仿真得到0.2s、0.35s和0.5s的仿真结果，如表3所示。

图3 切换时间为0．2s仿真波形Fig．3 Simulation results when switching time is 0．2s

表3 切换到变压器三角形绕组侧冲击电流仿真结果Table 3 Impulse current simulation results of switching to the transformer delta winding

当电机完全断电时，机端残压与网侧电压相量差波形以及定子感应电动势频率衰减波形如图4、图5所示。

图4 机端残压与网侧电压差Fig．4 Voltage difference of motor residual voltage and grid voltage

图5 电机断电定子侧感应电动势频率的衰减Fig．5 Attenuation of induction EMF frequency on stator side of motor

由图4可知，40s断电以后，大约在43.8s定子感应电动势下降至不到1kV。选择最不利情况时间合闸，约为40.39s时合闸，电流仿真结果如图6所示。

图6 最不利情况时间合闸电流仿真结果Fig．6 Simulation waveform of the biggest motor current

由图6可知，最不利合闸时间为断开后的0.39s，冲击电流峰值可达到14.34kA，为额定电流的12.076倍，此冲击电流极易烧坏电机。

通过以上仿真分析得到以下结论：

1)由于三角形接线与星形接线之间存在30°的相位差，因此由星形绕组侧切换到三角形绕组会产生很大的冲击电流，最大可达到额定运行的12.076倍，冲击电流的大小与切换时机端残压与网侧电压差的大小有关。

2)针对开关速度水平（200ms级)附近，直接投切到三角形绕组侧会产生很大的冲击电流，直接威胁电机以及供电系统的安全，因此不建议直接进行切换。

3．2 投切到备用支路时冲击电流仿真

根据以上提供的相关数据，在PSCAD下建立的系统仿真模型如图7所示。

图7 PSCAD条件下的电机系统仿真模型Fig．7 Simulation model of motor system on PSCAD

断路器BRK1选择在1s闭合，待电机启动稳定运行后，在36s时断开；断路器BRK2分别在38s、36.5s、36.1s、36.02s合闸，将电机接入备用回路，达到实现不同开关切换时间对冲击电流影响的仿真目的。仿真总时长50s，仿真结果如图8所示。

图8 切换时间为2s仿真波形Fig．8 Simulation results when switching time is 2s

图8为开关切换时间为2s时的仿真结果图，0.5s、0.2s、0.1s、0.02s结果如表4所示。

表4 投切到备用支路时冲击电流仿真结果Table 4 Impulse current simulation results of switching to the auxiliary branch

当电机完全断电时，机端残压与网侧电压相量差以及最不利合闸时间（约为40.35s)合闸时电流波形如图9所示。

图9 机端残压与网侧电压差Fig．9 Voltage difference of Motor residual voltage and grid voltage

由图9可知，最不利合闸时间为断开后的0.35s，冲击电流峰值可达到14.09kA，为额定电流的11.86倍，此冲击电流极易烧坏电机。

通过以上仿真分析得到以下结论：

1)开关切换时间很短时（毫秒级)，由于时间越短电机失步程度越小，重新供上电源时定子感应电压与电网电压同步率越高，因此冲击电流越小，0.02s开关过程冲击电流峰值仅为1.42kA。

2)开关时间过长时，冲击电流的大小与重新供电时，定子感应电压相位与电网电压相位差有关。当两者反相时达到最大，最大值可能会超过启动时的冲击电流。最不利合闸时间为断开后0.35s，冲击电流峰值达到14.09kA，为额定电压的11.86倍。

3)针对开关时间水平（200ms级)，不采取任何措施直接进行切换操作会产生很大的冲击电流，直接威胁电机以及供电系统的安全，因此不建议直接进行切换。

3．3 备用支路变压器容量选择

根据相关规程，普通单元接线时，变压器容量应至少满足电机的额定容量并留10％的裕度，因此按照最大冲击电流时的容量来选择。

选择仿真中冲击电流最大即最不利情况计算，仿真最大冲击电流峰值为14.09kA时，开关切换时间为0.35s，整个暂态过程电机视在功率变化如图10所示。

视在功率最大值为53.77MVA，取10％裕度，即变压器容量取59.15MVA为宜。

图10 视在功率变化Fig．10 Variation of the apparent power

4 结论

根据以上仿真结果，得到以下结论：

1)电机直接由变压器星形绕组支路投切到三角形绕组支路时，由于两种接法相位相差30°，直接投切时将产生很大的冲击电流（9～10倍额定电流)，对电机负载以及所处的供电系统稳定性造成危害，因此不建议直接投切到三角形绕组侧。

2)电机直接投切到备用支路时，投切时冲击电流的大小和机端残压与网侧电压之相量差大小有关，按所给的开关时间水平（200ms级)，直接切换时会产生很大的冲击电流（7～9倍额定电流)，因此不建议直接投切方式；若采取该方式投切，按工程经验备用支路应配备59.15MVA的变压器。

3)通过仿真可知，电机电源短暂中断后又重合闸恢复供电，直接由变压器星形绕组支路投切到三角形绕组支路和直接投切到备用支路都会对电网和电机造成一定的影响，投切时间不当可能会造成不必要的损失，增加维修成本。因此要采取适当的措施避免此情况发生，比如采用软投切等方式，从而使投切冲击电流减小，保护电机稳定运行及电网供电稳定。

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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，硕士，电力电子与电力传动专业，研究方向为电力电子与电力传动。

2015⁃07⁃24

上海市自然科学基金（编号：15ZR1418000，15ZR1418200)；上海绿色能源并网工程技术研究中心（编号：13DZ2251900)