電機停運時電路的暫態分析及應對研究

王樹春，王偉同，李祥苓

(天津華電南疆熱電有限公司，天津 300452）

在工業系統中，針對400V的配送電裝置均為抽屜開關，因此分析抽屜開關內配件及配電線路到負載等構成的系統就具有重要的實用價值。其系統特性可分為穩態(靜態)及暫態(動態)兩個范疇，即停止和運行的穩態和從停止到運行、再從運行到停止的暫態，平常工作時我們經常接觸到的是穩態，其實暫態才是經常出現問題的環節，因此抽屜開關及其線路到負載構成的系統的暫態行為及分析應該引起足夠的重視。

1 問題闡述

某公司深度水系統9臺抽屜開關電機正常停運操作時，斷路器跳閘。由PLC發過來啟停信號，啟動時接觸器閉合，電機啟動，當PLC發停止信號時，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，但大致歸結為6類情況,分別為電機對地絕緣低，引起斷路器過流跳閘；斷路器速斷電流設錯，啟機停機時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；斷路器質量問題，斷路器內金屬片未到固定溫度直接跳閘；斷路器選型錯誤，電機額定電流大于斷路器允許電流引起跳閘；因暫態過程引起的瞬時電流過大引起跳閘。

針對某廠故障,采用排除法，進行檢查分析如下：（1）經過實測電機與電纜對地絕緣為大于550MΩ，無問題，可以排除電機對地絕緣低，引起斷路器過流跳閘；（2）就地確認斷路器速斷電流為12倍額定電流，符合標準，且如果因定值設錯導致跳閘應是啟停均跳閘，因此排除斷路器速斷電流設錯，啟機停機時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九臺斷路器均有此問題，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，且官網購買該產品同型號并更換后故障仍發生，可排除斷路器質量問題，斷路器內金屬片未到固定溫度直接跳閘；（5）跳閘斷路器均為100A，電機額定電流均為60～75A左右，斷路器脫扣電流大于電機額定電流35%左右，符合要求排除斷路器選型錯誤，電機額定電流大于斷路器允許電流引起跳閘。

綜上所述，我們有必要猜測其跳閘原因為暫態過程引起的瞬時電流過大引起跳閘，即停止時瞬時電流使斷路器速斷保護動作，現通過暫態研究其過電流的原因：進行暫態分析我們要首先知道什么是暫態，他與穩態的區別和形成原因。穩態是指在一定條件下電路中電壓、電流已達到穩定值。暫態是指電路從一種穩態變化到另一種穩態的過渡過程(如圖2)。

圖2 穩態電路示意圖

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。

產生暫態過程的必要條件是：（1）電路發生換路，為外因；（2）電路中含有儲能原件，為內因。因為能量儲存、釋放需要一個過程，所以有電感或者（和）電容的電路存在過渡過程(如圖3)。

圖3 可發生暫態電路示意圖

由此可知，有儲能元件（電感、電容）的電路狀態發生變化時（如：電路接入電源、從電源斷開、電路參數修改等）存在過渡過程，而沒有儲能作用的電阻電路，不存在過渡過程。電路中的電壓和電源在過渡過程期間，從“舊穩態”進入“新穩態”，此時電壓、電流都處于暫時的不穩定狀態，所以過度過程又稱為電路的暫態過程。過渡過程是一種自然現象，但是有不利的方面，比如在暫態過程發生的瞬間，可能出現過電壓或過電流，致使電氣設備或元件損壞，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。換路就是電路狀態的改變：電路接通、切斷、短路或參數改變。

電容儲能不變：Wc=1/2CUc2，Uc不變，Uc（0+）=Uc（0-）

電感儲能不變：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、電流都可能發生躍變。

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

具體到某公司深度水系統9臺抽屜開關電機正常停運操作時，斷路器跳閘故障,對故障系統的開關柜接線(如圖4)進行分析可知：斷路器內部是有電感的，這就使得線路一次回路增加了電感，且電纜較長時就會對線路有對地電容，則可將一次線路簡化成圖5。

圖4 斷路器內部簡化接線圖

圖5 串聯諧振電路

（S：發熱電感：過載時溫度升高使雙金屬片彎曲頂掉開關L：電磁脫扣器線圈電感：短路時磁力增大，吸引銜鐵上移頂掉開關)。

（R：電纜電機內阻等；XL：斷路器內部電感與電機電感；XC：電纜對地電容)。

含線性儲能元件無獨立電源的二端網絡，在某一特定條件下，其端口呈純阻性，即電壓、電流同相位的現象稱為諧振，諧振是正弦穩態電路的一種特殊現象，電路發生諧振前后的工作狀態差別很大。

圖5中假使當XL=XC時，線路極易發生諧振，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，諧振時可以看成ab兩點短路，電壓直接加在電阻上。所以正常運行時電流就會比其他電機略大，但如果在保護裝置裕度內，則不會引起跳閘。同時電容或電感雖相等但遠遠大于電阻，串聯回路電流處處相等，那么電感與電容上就會有極大的電壓，但對外不會顯示。

電機啟動時，因電感和電容未儲能，雖然電機因為需要建立磁場導致啟動電流很大，但仍未到斷路器的速斷電流，但當電機停止時，電流因需要抵消磁場也會變得很大，這時雖然諧振電路已經破壞，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，就會向線路提供過電壓，過電壓就會使接觸器拉弧困難，且同樣會產生過電流，電感內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載等效回路來解決接觸器的問題。從電工學分析，這種電感負載等效為RLC電路，RLC電路是一種由電阻R、電感L、電容C組成的電路結構。通過把阻容支路并聯在線圈兩端。在增加的并聯支路所組成的回路中，電阻被調整到臨界值，因而當開關切斷載流線圈電流時不產生振蕩。另一方面，由于兩支路的時間常數相等，因而不管總電流隨時間如何變化，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，當開關切斷線圈電流時，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，同時也消除了在切斷感性負載時，開關觸點間產生的電弧及火花。

3 運用實踐與實驗改造

首先防止停機時斷路器跳閘就要破壞諧振，諧振的必要條件是XL=XC，XL是電機電感和斷路器內電感的和，電機電感不可變，斷路器的電感如果同型號的也不可變，XC時電纜對地電感，對地電感由長度決定其也不可變，雖然這些值無法減少，但我們可以增加電感和電抗。可構建如下實驗方案：

（1）更換新型號斷路器，如正泰。實驗結果：原停機時斷路器跳閘為70%，換成正泰后下降為20%。結果表明：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。實驗結果：跳閘率下降到0%。結果表明：成功破壞諧振后，即可不失電正常停機。

（3）在二次回路的接觸器線圈上并聯一個阻容回路。實驗結果：跳閘率下降到30%。結果表明：加快接觸器拉弧，阻止電容放電也是可行的。經過以上實驗表明上述理論分析沒有問題，列以下幾點防范措施。

4 結語

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。雖然發生諧振雖是偶然現象，但仍然不可忽視，如果線路安裝的斷路器定值不對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，針對不同廠400V抽屜開關內不同結構，可以參考上述理論和方法，在此進行推廣。防范措施如下：

（1）更換不帶速斷的普通斷路器，普通斷路器內無脫扣線圈電感，即減少一次回路的電感，再給開關柜增加綜保，利用綜保的電流速斷進行保護，對應上述實驗一。

（2）可在斷路器下口增加一電感破壞諧振，對應上述實驗二。

（3）在接觸器線圈上并聯一個阻容回路，加快接觸器的失電動作，阻止諧振回路里電容的過電壓放電，對應上述實驗三。當接觸器電源被切斷后，電感線圈內的電壓脈沖能量能夠通過并聯的電容回路吸收，而為了防止電容的電流過大以及可能再次與電感產生電諧振，在電容器回路中串聯一個電阻來降低電流，加快線圈的失電過程，使得觸點能夠更安全的完成動作。而當接觸器正常得電時，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。雖然觸電火花產生在于主電路接通的接觸器觸點上，和布置在控制回路上的阻容回路沒有直接關系。但是接觸器動作時間加快也有利于減小接觸器開斷時的電弧。