690V三線圈變壓器在風洞實驗中的應用

沈海軍，曼納，許少倫，燕續峰，代

（1.上海交通大學,上海 200240；2.新疆特種設備檢驗研究院，新疆 烏魯木齊 83011）

根據國家低壓規范規定，在設備供電應用中10kV/690V供配電系統也作為低壓供配電系統。由于10kV/690V供配電系統電壓等級的特殊性，相對于傳統的10(6)kV/400V供配電系統應用較少，但在特定的運行環境下，它具有增大供電半徑、減小線路損耗、增加設備供配電容量、減小短路電流、增加負荷單機容量、減小供電電纜截面、減少高壓交流變頻器數量、節省供電投資及運行費用等諸多優點，隨著我校眾多大型用電實驗設備的采用，單套裝置供電容量的逐漸大型化、單機功率的大型化和供電半徑的增加，以及與之配套的配電設備和元器件品質和產品系列不斷完善，10kV/690V供電系統在我校特殊實驗室特定行業的裝置動力系統應用逐漸推廣。但是由于目前同一套裝置內的UPS、儀表電源及執行機構、照明系統和檢修電源等非動力供配電系統（以下簡稱非動力系統）仍然需要 400(230)V電源，因而形成了在一套裝置內 10kV/690V/400(230)V并存的局面。因此，如何選用裝置的配電變壓器的型式將直接影響整個裝置的投資、供電系統的可靠性和整個系統的合理性?；谝陨峡紤]，本文就上海交通大學多功能風洞實驗室裝置的10kV/690V 動力系統及 400(230)V非動力系統配置，提出了如下設計改造方案，并進行建設安裝、順利運行。

1 供電系統簡介

上海交通大學多功能風洞實驗室主要研究工作為氣-液-固多相復雜流動、強非線性自由表面水動力學、高速水下航行體流固耦合系統、非線性水波動力學等。在實驗中，通過風洞電機運轉形成高速風流，形成風洞進而進行有關研究。由于研究的需要，風速需要頻繁調整，風洞電機的負荷也會隨之變化。

1.1 負荷參數

該實驗室主要供電負荷為風洞電機，額定功率1000kW，額定電壓690V，標稱電流1028A，額定頻率30.5Hz，采用12脈電源控制。

該風洞電機為變頻調速電動機，采用兩臺SINAMICS G150變頻器控制電機轉速，適用于恒轉矩負載、恒功率負載、高性能要求，但無需再生反饋的傳動應用場合，G150采用無速度傳感器矢量控制。變頻器的參數輸入 3AC 660-690V 電流1424A，輸出3AC 660-690V 電流 1360A。

1.2 供電要求

系統供電要求如下。

（1）供電系統由10kV開關站引出一路10kV高壓電纜，再進高壓隔離開關，高壓斷路器至特殊690V變壓器再引出二臺不同相位角的690V出線柜；輔助一臺380V出線柜組成一次供電系統。用戶端為兩臺690V變頻器構成12脈電壓對風洞電機進行控制。風洞輔助電機獨立380V供電，與主電機供電控制分開。

（2）主系統變頻器，由ZSCB10/10/0/72/D,d0，y11專用變壓器提供690V兩路供電，兩路變頻器供電電源均為三相、額定頻率50Hz、額定輸入電壓690V、額定輸入電流712A，并使兩路供電變壓器輸出一組為三角形接法，另一組為星形接法、移相角30°。

（3）控制系統及輔助變頻器供電，由380V供電，三相、額定頻率50Hz、額定輸入電壓380V、額定輸入電流519A。

2 供電系統設計

2.1 系統設計

由于變頻器采用12脈控制，需要兩路三相電源為兩臺變頻器供電，移相角30°，因此系統分別選用一回路星型接法供電，另一回路采用三角形接法供電，由此對系統變壓設備提出了特殊要求，為了能滿足此實驗平臺的大容量供電要求，考慮采用高壓10kV供電，以減少線路損耗，并在就近設備端建造了特殊變壓器供電系統。

為了考慮現場的經濟可靠性，采用690V變壓器供電。同時又考慮到要求三相12脈供電需求，選取三線圈變壓器，采用高壓10kV/690△/690Y，特殊定制變壓器供電，并采用特制的施耐德mt10/690V作為出線開關，設備開關兩臺，共同對風洞電機進行供電。為滿足風洞設備的啟動運轉和變頻要求，在其附近又引入一路380V電源作為其控制系統、電腦等普通設備的供電電源。

選用10kV/690V 供電系統配電，主電源采用10kV/690△/690V三圈變壓器作為動力系統的配電變壓器，在控制系統中，則采用單獨設置10kV/400V的輔助電源。在建造變電站時，考慮到設備供電的特殊性和供電功率的可調性，考慮采用高頻變頻器控制風洞設備，經討論研究，設備方提出要求二路不同相位角的電壓供電，并滿足供電容量要達到650kW一路。

按照如上要求，經過進行了多次深入研究和探討供電方案，設計高壓供電、低壓供電系統設計系統如圖1所示。

圖1 高低壓側系統接線圖

在變電系統設計時，考慮設備的容量比較大，而且是單一用能設備，設備變頻要求高，故設計采用10kV/690V電壓系統，選購的風動設備變頻器也是690V變頻器。

2.2 設備選擇

在系統的設計中，對變壓器，開關柜，斷路器等供電設備的應用做了論證，因其電壓的特殊性，接地系統應用的不同性等問題及考慮供電的安全可靠，滿足設備的供電要求，進行了深入的研究，最后在設備選型中做如下設計。

（1）690V變壓器。為保證考慮系統投資成本及風洞電機的正常啟動，設計選用10kV/690△/690Y變壓器供電系統，變壓器選擇江蘇寶勝廠ZSCB10-1500/10/0.72/D,d0，y11。

（2）690V配電柜?？紤]690V電壓配電柜的工作性能及絕緣要求，選用了上海柘中電氣集團的GCK定制配電柜，按690V要求配置內部元器件和設備布置，滿足安全供電要求。

（3）特定斷路器。由于變壓器的輸出電壓為690V，故我們選用施耐德的MT10H1-690V框架斷路器，當電壓等級為660/690V時Icu=85kA，滿足50kA、690V的要求。施耐德斷路器的一些附件，如失壓脫扣器線圈、欠壓脫扣器的延時繼電器、彈簧儲能電機、合閘和分閘線圈等的工作電壓，多符合690V的要求。

（4）輔助回路。輔助電源事關系統的穩定和可靠運行，選用穩定的大樓原有進戶電源380V作為輔助回路的工作電壓，690V系統設備中的輔助電源是通過配備690V/220V隔離變壓器降壓提供。而690V系統中的隔離變壓器二次側要配備絕緣監測繼電器，同時隔離變壓器二次側不接地，使之成為IT接地系統，提高控制系統的可靠性。

（5）兩路690V供電接地系統。①690Y系統采用中性點直接接地的TN-S系統供主變頻器使用，為提高整個風洞690V系統供電的安全性，考慮采用了中性點電阻接地系統。選擇中性點接地電阻，可增加故障支路的零序電流，加之裝設了電流型的選擇性漏電保護后，提高了漏電保護裝置的靈敏度，能夠有選擇性地選出故障支路，抑制單相電弧接地時的過電壓。②另一路690△系統采用無中心線IT系統，配備絕緣監測裝置，對饋電回路和電機回路還需要配備RCD（剩余電流動作保護器），系統的電力儀表采集電壓參量為三相三線制，供△變頻器使用，在開關柜內安裝了三相主母線和PE排，不安裝N排。

（6）供電電纜。在選擇電纜規格上，690V系統電纜在載流量上為400V供電系統的1.732倍，線路壓降是400V系統的0.577倍，故出線電纜選用3YJV-4×185+1×95，節省了電纜的投資成本，降低約35%～40%。

3 系統調試運行問題及解決方案

3.1 △變頻器跳閘

在系統調試過程中，發現變頻器一啟動就會發生過流跳閘現象，原因分析系統存在啟動頻率過高，加速時間過短及系統外部電磁感應的干擾等問題，后通過調整啟動頻率，從1Hz緩慢上調以及在外部采取噪聲抑制措施，把噪聲濾波器安裝在變頻器的輸入端上，從而消除干擾源。采用把RC吸收器這種防沖擊電壓的吸收設備加在變頻器周圍所有控制設備控制線圈上；讓控制回路和主線路分離，使得配線距離縮短，并使用中繼方式來控制，避免屏蔽線回路過長；而且把電焊、動力等設備分開至380V系統使用，從而解決了變頻器跳閘問題。

表1 風洞電機試驗運行工況表

在系統調試中，690V三角形系統沒有中心線，故設備運行時，若對地絕緣有泄漏等問題，會對試驗人員和設備造成觸電事故。為了檢測系統中的絕緣電阻，保障供電安全，在三角形系統輸出端加裝了絕緣電阻檢測儀，按照絕緣監測儀的工作原理，當供電網絡的對地絕緣電阻小于設定值時，裝置發出聲光報警，我們把它設定在1兆歐，（對地電流690V/1MΩ=0.69mA）監測系統對地電阻低于1兆歐時發出聲光報警，達到0.02兆歐（對地電流690V/0.02MΩ=34.5mA）就會輸出報警跳閘信號，促使總開關分閘線圈啟動分閘，達到保護系統設備作用。

電網絕緣監測儀采用JYC-1A型，供電通過隔離變壓器使690V轉換為220V供電；絕緣監測點與690V三角形系統電網中的任意一相連接；監測儀的接地線牢固的接到可靠的地線上；解決了三角形系統中由于絕緣降低造成觸電及導致變頻器跳閘問題。

3.2 風洞電機采用12脈控制方法的調整

風洞電機有6個電壓輸入端，可以單變頻器控制使用，也可以二變頻器同時輸入控制使用，為解決電機的三次諧波及相位角要求，一路輸入電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，同時作用于風洞電機，使電機的轉速最高能達到800r/min。并能在低速運行時單變頻器供電使用，高速運行時，雙變頻器同時使用供電，供電方式靈活，供電使用能力大大增強。如表1所示。

3.3 風洞電機的配電接線

風洞電機采用專用變頻調速電動機，型號為YVPFD2200-30.5-CEWB，工作制S1，接法△，頻率范圍為1～30Hz，轉速為20～600r/min。在線路接線時，考慮經濟可靠、滿足載流量和接線方便等原因，特提出690V電源采用2路6根YJV-3×185的主電纜對電機6個輸入端進行接線，并在輔助風機上引入380V電源2×YJV-4×185+1×95，滿足風機輔助電源的供電要求（如圖2所示）。

4 結語

圖2 風洞電機供電線路接線圖

通過上海交通大學多功能風洞實驗的供電設計和實驗運行，總結了690V系統的設計要點，介紹了各種特種設備電壓要求和使用設計要求。在設計中考慮經濟性，節約了投資成本，并降低電能在輸送和設備運行中的損耗，提高電網效率，降低設備運行成本和維護工作量，同時保證供電質量及供電可靠性。從實踐角度而言，上海交通大學風洞實驗室供電系統項目的設計是十分成功的，自建成運行以來，系統完全滿足風洞各種實驗階段的供電要求，供電零故障，此系統為大容量電機供電創新起到推動作用，帶來了很大的技術優勢和經濟效益。