690V三线圈变压器在风洞实验中的应用

沈海军，曼纳，许少伦，燕续峰，代

（1.上海交通大学,上海 200240；2.新疆特种设备检验研究院，新疆 乌鲁木齐 83011）

根据国家低压规范规定，在设备供电应用中10kV/690V供配电系统也作为低压供配电系统。由于10kV/690V供配电系统电压等级的特殊性，相对于传统的10(6)kV/400V供配电系统应用较少，但在特定的运行环境下，它具有增大供电半径、减小线路损耗、增加设备供配电容量、减小短路电流、增加负荷单机容量、减小供电电缆截面、减少高压交流变频器数量、节省供电投资及运行费用等诸多优点，随着我校众多大型用电实验设备的采用，单套装置供电容量的逐渐大型化、单机功率的大型化和供电半径的增加，以及与之配套的配电设备和元器件品质和产品系列不断完善，10kV/690V供电系统在我校特殊实验室特定行业的装置动力系统应用逐渐推广。但是由于目前同一套装置内的UPS、仪表电源及执行机构、照明系统和检修电源等非动力供配电系统（以下简称非动力系统）仍然需要 400(230)V电源，因而形成了在一套装置内 10kV/690V/400(230)V并存的局面。因此，如何选用装置的配电变压器的型式将直接影响整个装置的投资、供电系统的可靠性和整个系统的合理性。基于以上考虑，本文就上海交通大学多功能风洞实验室装置的10kV/690V 动力系统及 400(230)V非动力系统配置，提出了如下设计改造方案，并进行建设安装、顺利运行。

1 供电系统简介

上海交通大学多功能风洞实验室主要研究工作为气-液-固多相复杂流动、强非线性自由表面水动力学、高速水下航行体流固耦合系统、非线性水波动力学等。在实验中，通过风洞电机运转形成高速风流，形成风洞进而进行有关研究。由于研究的需要，风速需要频繁调整，风洞电机的负荷也会随之变化。

1.1 负荷参数

该实验室主要供电负荷为风洞电机，额定功率1000kW，额定电压690V，标称电流1028A，额定频率30.5Hz，采用12脉电源控制。

该风洞电机为变频调速电动机，采用两台SINAMICS G150变频器控制电机转速，适用于恒转矩负载、恒功率负载、高性能要求，但无需再生反馈的传动应用场合，G150采用无速度传感器矢量控制。变频器的参数输入 3AC 660-690V 电流1424A，输出3AC 660-690V 电流 1360A。

1.2 供电要求

系统供电要求如下。

（1）供电系统由10kV开关站引出一路10kV高压电缆，再进高压隔离开关，高压断路器至特殊690V变压器再引出二台不同相位角的690V出线柜；辅助一台380V出线柜组成一次供电系统。用户端为两台690V变频器构成12脉电压对风洞电机进行控制。风洞辅助电机独立380V供电，与主电机供电控制分开。

（2）主系统变频器，由ZSCB10/10/0/72/D,d0，y11专用变压器提供690V两路供电，两路变频器供电电源均为三相、额定频率50Hz、额定输入电压690V、额定输入电流712A，并使两路供电变压器输出一组为三角形接法，另一组为星形接法、移相角30°。

（3）控制系统及辅助变频器供电，由380V供电，三相、额定频率50Hz、额定输入电压380V、额定输入电流519A。

2 供电系统设计

2.1 系统设计

由于变频器采用12脉控制，需要两路三相电源为两台变频器供电，移相角30°，因此系统分别选用一回路星型接法供电，另一回路采用三角形接法供电，由此对系统变压设备提出了特殊要求，为了能满足此实验平台的大容量供电要求，考虑采用高压10kV供电，以减少线路损耗，并在就近设备端建造了特殊变压器供电系统。

为了考虑现场的经济可靠性，采用690V变压器供电。同时又考虑到要求三相12脉供电需求，选取三线圈变压器，采用高压10kV/690△/690Y，特殊定制变压器供电，并采用特制的施耐德mt10/690V作为出线开关，设备开关两台，共同对风洞电机进行供电。为满足风洞设备的启动运转和变频要求，在其附近又引入一路380V电源作为其控制系统、电脑等普通设备的供电电源。

选用10kV/690V 供电系统配电，主电源采用10kV/690△/690V三圈变压器作为动力系统的配电变压器，在控制系统中，则采用单独设置10kV/400V的辅助电源。在建造变电站时，考虑到设备供电的特殊性和供电功率的可调性，考虑采用高频变频器控制风洞设备，经讨论研究，设备方提出要求二路不同相位角的电压供电，并满足供电容量要达到650kW一路。

按照如上要求，经过进行了多次深入研究和探讨供电方案，设计高压供电、低压供电系统设计系统如图1所示。

图1 高低压侧系统接线图

在变电系统设计时，考虑设备的容量比较大，而且是单一用能设备，设备变频要求高，故设计采用10kV/690V电压系统，选购的风动设备变频器也是690V变频器。

2.2 设备选择

在系统的设计中，对变压器，开关柜，断路器等供电设备的应用做了论证，因其电压的特殊性，接地系统应用的不同性等问题及考虑供电的安全可靠，满足设备的供电要求，进行了深入的研究，最后在设备选型中做如下设计。

（1）690V变压器。为保证考虑系统投资成本及风洞电机的正常启动，设计选用10kV/690△/690Y变压器供电系统，变压器选择江苏宝胜厂ZSCB10-1500/10/0.72/D,d0，y11。

（2）690V配电柜。考虑690V电压配电柜的工作性能及绝缘要求，选用了上海柘中电气集团的GCK定制配电柜，按690V要求配置内部元器件和设备布置，满足安全供电要求。

（3）特定断路器。由于变压器的输出电压为690V，故我们选用施耐德的MT10H1-690V框架断路器，当电压等级为660/690V时Icu=85kA，满足50kA、690V的要求。施耐德断路器的一些附件，如失压脱扣器线圈、欠压脱扣器的延时继电器、弹簧储能电机、合闸和分闸线圈等的工作电压，多符合690V的要求。

（4）辅助回路。辅助电源事关系统的稳定和可靠运行，选用稳定的大楼原有进户电源380V作为辅助回路的工作电压，690V系统设备中的辅助电源是通过配备690V/220V隔离变压器降压提供。而690V系统中的隔离变压器二次侧要配备绝缘监测继电器，同时隔离变压器二次侧不接地，使之成为IT接地系统，提高控制系统的可靠性。

（5）两路690V供电接地系统。①690Y系统采用中性点直接接地的TN-S系统供主变频器使用，为提高整个风洞690V系统供电的安全性，考虑采用了中性点电阻接地系统。选择中性点接地电阻，可增加故障支路的零序电流，加之装设了电流型的选择性漏电保护后，提高了漏电保护装置的灵敏度，能够有选择性地选出故障支路，抑制单相电弧接地时的过电压。②另一路690△系统采用无中心线IT系统，配备绝缘监测装置，对馈电回路和电机回路还需要配备RCD（剩余电流动作保护器），系统的电力仪表采集电压参量为三相三线制，供△变频器使用，在开关柜内安装了三相主母线和PE排，不安装N排。

（6）供电电缆。在选择电缆规格上，690V系统电缆在载流量上为400V供电系统的1.732倍，线路压降是400V系统的0.577倍，故出线电缆选用3YJV-4×185+1×95，节省了电缆的投资成本，降低约35%～40%。

3 系统调试运行问题及解决方案

3.1 △变频器跳闸

在系统调试过程中，发现变频器一启动就会发生过流跳闸现象，原因分析系统存在启动频率过高，加速时间过短及系统外部电磁感应的干扰等问题，后通过调整启动频率，从1Hz缓慢上调以及在外部采取噪声抑制措施，把噪声滤波器安装在变频器的输入端上，从而消除干扰源。采用把RC吸收器这种防冲击电压的吸收设备加在变频器周围所有控制设备控制线圈上；让控制回路和主线路分离，使得配线距离缩短，并使用中继方式来控制，避免屏蔽线回路过长；而且把电焊、动力等设备分开至380V系统使用，从而解决了变频器跳闸问题。

表1 风洞电机试验运行工况表

在系统调试中，690V三角形系统没有中心线，故设备运行时，若对地绝缘有泄漏等问题，会对试验人员和设备造成触电事故。为了检测系统中的绝缘电阻，保障供电安全，在三角形系统输出端加装了绝缘电阻检测仪，按照绝缘监测仪的工作原理，当供电网络的对地绝缘电阻小于设定值时，装置发出声光报警，我们把它设定在1兆欧，（对地电流690V/1MΩ=0.69mA）监测系统对地电阻低于1兆欧时发出声光报警，达到0.02兆欧（对地电流690V/0.02MΩ=34.5mA）就会输出报警跳闸信号，促使总开关分闸线圈启动分闸，达到保护系统设备作用。

电网绝缘监测仪采用JYC-1A型，供电通过隔离变压器使690V转换为220V供电；绝缘监测点与690V三角形系统电网中的任意一相连接；监测仪的接地线牢固的接到可靠的地线上；解决了三角形系统中由于绝缘降低造成触电及导致变频器跳闸问题。

3.2 风洞电机采用12脉控制方法的调整

风洞电机有6个电压输入端，可以单变频器控制使用，也可以二变频器同时输入控制使用，为解决电机的三次谐波及相位角要求，一路输入电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，同时作用于风洞电机，使电机的转速最高能达到800r/min。并能在低速运行时单变频器供电使用，高速运行时，双变频器同时使用供电，供电方式灵活，供电使用能力大大增强。如表1所示。

3.3 风洞电机的配电接线

风洞电机采用专用变频调速电动机，型号为YVPFD2200-30.5-CEWB，工作制S1，接法△，频率范围为1～30Hz，转速为20～600r/min。在线路接线时，考虑经济可靠、满足载流量和接线方便等原因，特提出690V电源采用2路6根YJV-3×185的主电缆对电机6个输入端进行接线，并在辅助风机上引入380V电源2×YJV-4×185+1×95，满足风机辅助电源的供电要求（如图2所示）。

4 结语

图2 风洞电机供电线路接线图

通过上海交通大学多功能风洞实验的供电设计和实验运行，总结了690V系统的设计要点，介绍了各种特种设备电压要求和使用设计要求。在设计中考虑经济性，节约了投资成本，并降低电能在输送和设备运行中的损耗，提高电网效率，降低设备运行成本和维护工作量，同时保证供电质量及供电可靠性。从实践角度而言，上海交通大学风洞实验室供电系统项目的设计是十分成功的，自建成运行以来，系统完全满足风洞各种实验阶段的供电要求，供电零故障，此系统为大容量电机供电创新起到推动作用，带来了很大的技术优势和经济效益。