站用電切換中調相機循泵電機的瞬態分析*

張玉良, 馬宏忠, 蔣夢瑤, 劉一丹

(1.河海大學 能源與電氣學院,江蘇 南京 211100;2.國網江蘇省電力有限公司 檢修分公司,江蘇 南京 211106)

0 引 言

中國現階段的交直流混聯電網已經實現了巨大的發展，尤其是特高壓(UHV)直流輸電，其電壓等級和規模均已達到世界前列，打破了中國經濟能源分布不均的格局[1-2]。然而UHV變電站交直流的并列運行易使其換流站直流端的電壓支撐不足，新能源的匯集接入和電力大規模的外送極有可能導致系統過電壓以及換相失敗等故障。為解決換流站電壓調節能力不足的問題，換流站配置了大容量調相機進行無功調節[3-5]。

目前在運行的大容量調相機一般是雙水內冷式，其冷卻系統延伸到機組外，由大功率380 V低壓異步電機帶動多組水泵進行循環冷卻。站用電系統則是由多組站用變壓器、380 V低壓配電屏、交流供電網絡、動力電及生活用電等用電設備構成[6-7]。站用電對于UHV變電站是非常重要的基礎設施，保證了變電站各項設備的穩定工作。

變電站會對站用電進行定期檢修，并做站用電雙電源切換以及備自投的試驗[8-10]。然而在站用電的切換過程中，不可避免地存在短暫的失電時間，當重新上電時，再次投入的電網電壓與異步電機殘余電壓的相位和幅值的差異，極易導致異步電機中出現巨大的沖擊電流，引發系統多級跳閘，若不能及時合閘，則會導致調相機過熱，出現嚴重故障。

目前國內外對于異步電機重新投入使用的大部分研究將重點放在了電機起動和備自投的應用中，而對于雙電源切換的研究較少。文獻[11]通過建立dq坐標系下的動態數學模型對電機斷電及重合閘過程進行了仿真分析，但尚未細致分析失電殘壓和相位信息，且需要復雜的數值計算。文獻[12]利用頻差和相位差提出了一種同步調相機的并網策略，但該方法對異步電機卻不適用。

由交流電機的基本原理可知[13-15]，異步電機的定轉子磁場在其正常運行時相對靜止，旋轉磁場與轉子內電流相互作用，形成電磁轉矩，轉子則以轉差率s相對其運動。在系統電源切換過程中，由于開關切換的物理性質，會有短時間的斷電情況存在。異步電機的定子磁場會由于斷電而突然消失，其轉子中的感應電流在三相電斷開的瞬間也會變為續流電流，并逐步衰減直至消失。按能量方向理解，則是在轉子電感中存儲的能量，斷電后在回路中漸漸消散。電機轉子中衰減的電流感應出衰變的旋轉磁場，定子繞組中則感應出電壓，并隨著時間逐步衰減。

雙電源切換過程中，在電機重新上電時其機端電壓是電機失電后殘余電壓與電源電壓的向量差，該值將直接影響沖擊電流的大小[16]。本文對雙電源切換時三相異步電機失電和重合閘的瞬態特性進行了仿真計算，發現了沖擊電流隨時間的變化規律，其最大值與最小值分別略滯后于相位相反和相位相同的點，由此提出了一種基于失電殘壓和電源電壓幅值差的切換方法，并建立相關模型對其進行了分析。

1 失電殘壓

電源切換時在斷電的瞬間，異步電機三相電源消失，其定子電流應該突降至零值，旋轉磁勢也應該突降至零值，但異步電機轉子繞組是閉合回路，其磁通不能產生突變，因此在轉子繞組回路中將會出現感應電流，以平衡由于定子電流突變而導致的磁通變化。該續流電流是直流性質的，并且會跟隨轉子繞組的時間常數進行較為緩慢的衰減。轉子與其繞組中電流生成的旋轉磁場相對靜止，該旋轉磁場相對于定子則以ωr的轉速旋轉。電機失電后轉速會不斷下降，轉子繞組中的續流電流也會不斷減小，而定子繞組中的感應電勢即為失電殘壓，并以(1-s)ω0的角速度在持續衰減。

以三相異步電機的理想模型為基礎，其定子電壓可表示如下：

(1)

式中：ψa、ψb、ψc為異步電機定子繞組的磁鏈；p為對時間的微分；Ra、Rb、Rc為定子電阻；ia、ib、ic為定子電流。

異步電機的線電壓則可以表示為

(2)

電機定子和轉子繞組電流以及轉速等信息均會在失電的瞬間存留，而在電機失電后，其定子電流會降至零。因此，在電機失電的瞬間可以由磁鏈守恒得到推導式如下：

(3)

式中：Iso為電機失電前定子電流；Iro為電機失電前轉子電流；Ir為電機失電后轉子電流；Lrs為定子電感；Lrr為轉子電感；ψro-為電機失電瞬間前的磁鏈；ψro+為電機失電瞬間后的磁鏈。

在異步電機失電后，式(1)、式(2)變為

(4)

(5)

其中，電機定子磁鏈在失電后變為

(6)

式中：Lar、Lbr、Lcr為定子三相電感。

根據電機轉子繞組電壓為零可以得到

(7)

式中：ψr為轉子繞組的磁鏈；Rr為轉子電阻。

結合式(4)、式(6)可以得到

(8)

式中：ω為電機定子電壓的角頻率；θm為轉子和定子同相軸線之間的夾角，即電角度。

本文以泰州UHV變電站調相機循泵電機IEC60034作為站用電切換時的研究對象進行相關計算仿真，其基本參數如表1所示。

表1 循泵電機參數

根據表1參數可對三相異步電機失電后的殘壓波形進行仿真，如圖1所示。圖1中，3 s時電機開始失電。根據圖1，電機失電后定子電壓是不斷衰減的正弦波，其幅值和頻率均在持續減小。

圖1 循泵電機失電定子電壓波形

2 重合閘的瞬態分析

由上文可知，在三相異步電機失電后的一段時間內定子繞組上的殘壓會一直存在，無法忽略。而電機失電殘壓的幅值變化與持續時間還與負載大小和電源切換時間有關。因此，需要在有失電殘壓的情況下，對三相異步電機重合閘[17-21]的瞬態進行研究。

假設電機在重新上電時定子端的殘壓存在且為us0，磁鏈ψr0以ωr的轉速相對于定子旋轉并持續衰減，轉子繞組中的續流電流Ir0同樣在持續衰減。

在定子回路中生成交流分量iss3，其衰減的時間常數為Tr。上述磁場的相互作用可由圖2闡釋。

圖2 電機重合閘時電磁場相互作用

基于定子磁鏈、轉子磁鏈以及電壓方程，利用狀態空間建模法，對三相異步電機進行數學建模：

(9)

式中：us為電機定子電壓；is為定子電流；ir為轉子電流；Rs為定子電阻；Rr為轉子電阻；Ls為定子自感；Lr為轉子自感；Mm為電機互感；ωr為轉子的角速度。

對式(9)進行拉氏變換并整理可以得到:

(10)

(11)

(12)

式(12)的分母為三次方程，即Q(s)有3個根，故可以發現s1=jω1。解上述等式式(2)，可得定子電流is在向量空間中的解:

(13)

將式(12)的結果取拉氏變換后結合式(8)可得：

is=iss1+iss2+iss3=

(14)

由上述解析式式(14)可以發現，電機失電后的殘壓us0和電源電壓的幅值差主要影響衰減的定子電流中交、直流分量，因此整體上在電機重合閘瞬間總的定子電流會有較大的變化，即當失電殘壓與電源電壓幅值差較大時，總的定子電流會大幅增加。

3 瞬態過程仿真

3.1 仿真模型

通過異步電機的結構、材料等參數利用多回路計算出電機各項電抗參數，構建出電機模型，并搭建站用電切換系統模型，如圖3所示。

圖3中系統模型整體分為電網側、軟起動模型、三相異步電機模型3部分。其中三相異步電機模型由前文所述各項參數構建，軟起動模型則由控制模塊、觸發器模塊、雙向晶閘管模塊構成。同步電壓和階躍起動信號分別經過控制模塊和觸發器模塊產生6路觸發脈沖，控制晶閘管向電機端的輸出，以模擬循泵電機軟起動器[22-23]。

圖3 站用電切換系統模型

圖4 循泵電機實測惰走曲線

3.2 沖擊電流隨時間變化規律

以站用電切換時間為0.1 s為例進行仿真，待電機起動穩定運行后，在3 s時將三相斷路器斷開，并于3.1 s時將軟起動模型接入，以此觀察重合閘時的沖擊電流。仿真結果如圖5所示。

圖5 電源切換時間為0.1 s時仿真波形

當電源切換時間為0.1 s時，沖擊電流最大為1 079 A，達額定電流7.6倍，已經遠高于軟起動時的最大電流。同時對不同的電源切換時間進行仿真，統計結果如表2所示。

為了保持每次仿真時重合閘時電源電壓均為同相位，選取0.02 s為最小時間間隔。從表2可以發現，沖擊電流分兩個階段變化：第一階段是電源切換時間為0.02～0.06 s時，沖擊電流有短暫的增長；第二階段是0.06 s以后，沖擊電流開始降低，并隨時間推移而降速變緩。

表2 不同切換時間的沖擊電流

對于第一階段的變化，根據圖1，電機失電殘壓與電源電壓的幅值差在隨時間逐步擴大。因此在最開始的幾個周期內，由于失電殘壓的幅值在逐步減小，電源電壓與失電殘壓的幅值差不斷擴大，沖擊電流會持續增長。根據圖1，從3 s失電到3.06 s，失電殘壓的周期僅增加了0.002 s，而幅值從380 V降至265 V，下降了115 V，可以忽略頻率的微小變化，認為僅幅值在發生變化；根據表2，切換時間從0.02 s至0.06 s時，沖擊電流增加了729 A，與前文式(14)得出的結論一致，即失電殘壓與電源電壓的幅值差對沖擊電流的影響占主要地位。

第二階段中從0.06 s至0.10 s，電機失電后轉速和電壓均下降較快，沖擊電流因此也有大幅下降。從0.1 s至0.3 s，電機轉速下降稍緩，但已明顯下降，且負載轉矩較大，因此重合閘時為了提供足夠的轉矩，軟起動器會將電壓保持較高的狀態，沖擊電流下降較緩。而0.5 s以后電機轉速已下降過半，軟起動器在接入瞬間提供的電壓不會達到峰值，并隨轉速的下降速度持續降低，因此沖擊電流下降略快，并開始低于軟起動時的最大電流。

3.3 基于幅值差的切換方法

將三相異步電機模型負載調整為類水泵負載后，令電機在0 s時起動，穩定運行后斷開電源，并在不同時刻重新接入軟起動模型。通過ode23t算法仿真獲取電機斷電后殘壓和重新接入軟起動器時的電源電壓及相位等信息，作出圖6所示失電殘壓與電源電壓幅值差關系圖。

圖6 失電殘壓與電源電壓幅值差關系

三相異步電機在失電后，殘壓的幅值與頻率均在持續減小，失電殘壓與電源電壓相位差和幅值差也在持續變化。根據圖6，失電殘壓與電源電壓幅值差的最大值為二者第一次相位差達191.34°時，即滯后相位相反的點10°左右。類似地，電壓幅值差最小值出現在滯后相位相同的點10°左右。但隨著時間的推移，電壓幅值差出現極大極小值點的相位差會逐漸滯后并擴大，如第二次極大值出現在二者相位差約為235°時，極小值出現在二者相位差約為91°時。這個滯后的量取決于失電殘壓衰減的快慢，衰減越快則頻率越小，即該滯后的量越大。

沖擊電流的大小主要取決于失電殘壓和電源電壓的幅值差，而沖擊電流的最小值點略滯后于相位相同的點，因此可以選擇失電殘壓與電源電壓幅值差最小的時刻進行重合閘操作，以減小沖擊電流并獲得較為理想的瞬態轉矩。

目前變電站中對于電機斷電后重合閘主要有直接重合閘、檢同期、啟用備自投等3種常用方法。

直接重合閘即是在系統斷電后立即進行重合閘操作，在變電站站用電系統中體現為雙電源裝置的自動切換，但限于設備的硬件性能特性，一般需要300～1 000 ms完成重合閘動作。根據表2的仿真結果，在這一時間段內進行重合閘操作會產生極大的沖擊電流，極易致使保護設備動作。

檢同期合閘主要是針對兩側電壓幅值基本相同的設備，找尋失電殘壓和電源電壓相位相同的點進行重合閘操作。根據上述仿真結果，三相異步電機的失電殘壓幅值是持續衰減的，又因為其頻率也在持續衰減，導致二者幅值差的極大值點和極小值點分別滯后于相位相反和相同的點。因此，該方法對調相機循泵電機存在較大誤差且成本較高。

啟用備自投是延長雙電源切換時間，讓備自投開始運行，待主設備完全停機后，再從備用設備切換回主設備，讓主設備重新起動。該方法雖不會引起保護設備動作，但讓系統整體恢復正常狀態需要較長的時間，甚至會導致調相機因過熱而出現故障。

綜上所述，目前常用的3種方法均存在不足，因此本文提出基于失電殘壓和電源電壓幅值差的切換方法，可以在盡可能降低沖擊電流的同時快速進行重合閘操作。

根據沖擊電流的變化規律，本文提出如下降低站用電切換失敗概率的建議，供維護設計人員參考。

(1) 由于重合閘后短暫的時間內沖擊電流會隨兩側的頻差和角差的增大而增大，因此如若電源開關水平較高(10 ms級)，則可以直接投切，不會產生過大的沖擊電流。

(2) 重合閘后在一定的時間后，沖擊電流會隨著時間逐步降低，但由于軟起動器的特性，當反向轉矩依然在一定范圍內時，為提供足夠的起動轉矩，沖擊電流會大于正常起動電流。因此，當開關水平較低時，應適當延長電源切換時間，直至沖擊電流低于電機正常起動最大電流，從而保證站用電切換過程不會出現多級跳閘的情況。

(3) 可以根據失電殘壓與電源電壓幅值差來判定重合閘時刻，在該幅值差達到最小值時再進行投切操作。

4 結 語

在變電站站用電切換的過程中，在循泵電機失電后，轉子電流不會突變，定子繞組中則會感應出失電殘壓，且該殘壓的頻率和幅值持續衰減。因此，電機失電后重合閘的瞬間會產生較大的沖擊電流。本文針對該問題對電源切換過程中失電和重合閘的瞬態進行分析，發現了最大沖擊電流根據電機失電時間長短，先短暫增長再持續減小的規律，且沖擊電流的最大值滯后于相位相反的點，該滯后的量由失電殘壓衰變的速率決定，因此可以根據失電殘壓和電源電壓的幅值差來確定投切的時刻。