異步電機群對間隙保護動作行為影響分析

張 江

(大同煤礦集團 挖金灣煤業(yè)有限責任公司，山西 大同 037003)

隨著現(xiàn)代化礦山的電氣設(shè)備越來越多，電力系統(tǒng)容量也日漸增加，系統(tǒng)中發(fā)生故障時的單相短路電流也在不斷增加，其數(shù)值可能超過三相短路電流，對斷路器的遮斷容量產(chǎn)生影響，將會對礦井地面及井下移動變電站產(chǎn)生較大影響[1-3]. 近幾年來，我國電網(wǎng)因短路故障燒毀的變壓器數(shù)量較多，對電網(wǎng)造成了巨大的經(jīng)濟損失，而故障產(chǎn)生的過電壓對主變長時間沖擊，會對主變絕緣造成損傷。

1 失電殘壓

隨著礦井產(chǎn)能越來越大，煤礦井下異步電機數(shù)量也在增多，形成了異步電機群。在線路發(fā)生故障時，線路保護動作，斷路器跳開，正常運行的異步電機、異步機群突然失去外加電源電壓，由電動機反送電的原理可知，機電能量的轉(zhuǎn)換是一個可逆過程。假使電動機失去外部電源，而此時電動機的狀態(tài)為輸出機械能狀態(tài)，由于慣性，電動機的轉(zhuǎn)子在做旋轉(zhuǎn)運動，電動機內(nèi)部耦合電磁場的儲能發(fā)生變化，電動機轉(zhuǎn)子產(chǎn)生的磁場切割定子繞組而產(chǎn)生感應電動勢。通常情況下電動機的轉(zhuǎn)子電阻比較小，導致電動機的感應電動勢衰減時間常數(shù)較大。在主變壓器后備間隙保護動作跳閘前，異步電機可視為一穩(wěn)定的電源，此電源電壓稱為失電殘壓[4-6].

2 異步電機群對間隙保護動作行為影響研究

2.1 異步電機群

在電力系統(tǒng)分析中，異步電機的建模很重要，通常被作為電力系統(tǒng)負荷進行研究。在電力系統(tǒng)的仿真分析模型中，每個異步電動機是不可能單獨存在的，所以異步機群負荷模型通常是用總的異步電動機模型(一個單元的等效模型)來等效[7].

本文應用了一種等效電動機負荷的方法，相對簡單且易接受。異步電動機在穩(wěn)定狀態(tài)下，等效電路具有相同的形式，由一個單一的感應電動機對總的感應電動機等效電路參數(shù)的確定過程：首先，確定總的異步電動機的機械參數(shù)，而總的感應電機的瞬時行為使用電壓方程和機械方程來描述。基于這些瞬時方程，把總的感應電機線電壓擾動的瞬態(tài)響應模擬與最初的異步電動機的瞬態(tài)響應進行比較，確認總感應異步電動機模型的有效性。

總的異步電動機等效電路參數(shù)的確定過程其前提通常是負荷側(cè)為兩個并聯(lián)的異步電動機，如圖1a)所示。異步電動機IMa和IMb被等效在一個等效異步電動機IMag. 圖1a)為異步電機組的等效電路，圖1b)為總異步電機等效電路模型。

圖1 異步電機負荷模型圖

其中，r1a，r1b，r1,ag為定子阻抗；l1a，l1b，l1,ag為定子漏感；r2a，r2b，r2,ag為轉(zhuǎn)子阻抗折算到定子側(cè)；l2a，l2b，l2,ag為轉(zhuǎn)子漏感折算到定子側(cè)；LMa，LMb，LM,ag為勵磁電感；Sa，Sb，Sag為轉(zhuǎn)差，下標a，b，ag分別指電機IMa，IMb，IMag.

圖2b)中的等效電路參數(shù)值是由圖2a)等效電路的總阻抗在空載和堵轉(zhuǎn)兩種情況下確定的。

圖2 一相等效電路圖

在空載運行條件下，IMa，IMb，IMag的值幾乎為零，即Sa≈0，Sb≈0，Sag≈0，在此條件下，從輸入端看的電路總阻抗：

(1)

式中：

ω—電源角頻率；

L1,ag=l1,ag+LM,agL1b=l1b+LMb

圖2b)中，該電路的總阻抗：

(2)

其中，L1=l1,ag+LM,ag

結(jié)合式(1)與式(2)，得到下面的表達式：

(3)

(4)

在堵轉(zhuǎn)運行條件下，使轉(zhuǎn)差都為l，即Sa=Sb=Sag=1，在這個條件下，異步電機的轉(zhuǎn)子阻抗遠小于勵磁阻抗，因此圖2a)路的總阻抗為：

(5)

其中，ra=r1a+r2a，rb=r1b+r2b，la=l1a+l2a，lb=l1b+l2b

而圖2b)電路的總阻抗為：

(6)

其中，rag=r1,ag+r2,ag

lag=l1,ag+l2,ag

(7)

(8)

總的異步電機的轉(zhuǎn)子電阻r2,ag由式(3)和式(7)可得：

r2,ag=rag-r1,ag

(9)

為了求得總的異步電機漏感，令l1a≈l2a，l1b≈l2b，因此可得到：

(10)

(11)

總的異步電機的勵磁電感為：LM,ag=L1,ag-l2,ag穩(wěn)態(tài)運行滑差S由輸出功率決定，其中總的異步電機的輸出功率等于異步電機之和。

PO,ag=Poa+Pob

(12)

(13)

其中，Poa和Pob分別是異步電機LMa和LMb的輸出功率。

(14)

當兩個異步電機穩(wěn)定運行時，可以知道其輸出功率的大小。將式(14)帶入式(13)，可以得二次方程:

αSag+βSag+γ=0

(15)

此時，

(16)

式中，α和γ為正值，β通常情況下為負值。其中較小的根是穩(wěn)態(tài)運行滑差的值。Hag為等效的總的異步電機慣性常數(shù)，Pn,ag為等效的總的異步電機額定輸出功率，異步電機的動能等于每個異步電動機在同步轉(zhuǎn)速下的動能總和。

HagPn,ag=HaPna+HbPnb

(17)

Pn,ag=Pna+Pnb

(18)

式中：

Ha，Hb—分別為異步電機IMa和IMb的慣性常數(shù)；

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Pna，Pnb—分別為額定輸出功率，W.

(19)

仿真異步電動機的瞬時行為，需要建立電壓方程描述的定子和轉(zhuǎn)子回路。對三相異步電動機的電壓方程，是由3個轉(zhuǎn)子方程和3定子方程構(gòu)成。將這些電壓方程變換為兩相的變量，γ，δ兩變量被定義為同步旋轉(zhuǎn)坐標軸。

定子電流和轉(zhuǎn)子電流方程分別為：

[i1u,i1v,i1w]t=[C1][i1γ,i1δ,i1o]t

(20)

[i2u,i2v,i2w]t=[C2][i2γ,i2δ,i2o]t

(21)

其中，i1u(i2u)，i1v(i2v)，i1w(i2w)是定子(轉(zhuǎn)子)u相，v相和w相的電流；i1r(i2r)，i1δ(i2δ)，i1o(i2o)是定子(轉(zhuǎn)子)γ軸，δ軸和o軸的電流。

[C1]，[C2]為變換矩陣，公式如下：

(22)

[C2]=

(23)

電壓轉(zhuǎn)換方程為：

ν1γ=Pψ1γ-ψ1δPθ+r1i1r

(24)

ν1δ=Pψ1δ+ψ1γPθ+r1i1δ

(25)

ν2γ=Pψ2γ-ψ2δPθ+r2i2r

(26)

ν2δ=Pψ2δ+ψ2γPθ+r2i2δ

(27)

ψ1γ=(LM+l1)i1γ+LMi2γ

(28)

ψ1δ=(LM+l1)i1δ+LMi2δ

(29)

ψ2γ=LMi1γ+(LM+l2)i2γ

(30)

ψ2δ=LMi1δ+(LM+l2)i2δ

(31)

式中：

LM—勵磁電感，mH；

l1和l1—定子漏感和轉(zhuǎn)子漏感，H.

這些方程應用到每個異步電機模型和等效的異步電機模型中。

2.2 異步電機群對間隙保護的影響研究

在搭建用于110 kV變電站分析的PSCAD電磁仿真模型時，其模型參數(shù)的設(shè)置主要根據(jù)實際電力系統(tǒng)的參數(shù)進行設(shè)定。

在搭建的仿真模型中，本文中將選用PSCAD仿真元件庫中的電源、變壓器、輸電線路及故障設(shè)置等元件來實現(xiàn)。電源模型選用“Three-Phase Voltage Source Model 2”元件，變壓器模型選用“3-Phase 2-grinding Transformer"元件；線路模型選用“Overhead Line”型線路；故障設(shè)置模塊選用“Three Phase Fault”元件；故障設(shè)置元件選用“Timed Fault Logic”元件，其主要功能是設(shè)定故障開始時間及持續(xù)時間；測量表計選用“Multimeter”元件，其功能是實現(xiàn)表計安裝處電壓、電流的測量。

對于變電站，利用PSCAD中各元件模型搭建其電磁暫態(tài)仿真模型，其中各輸電線路參數(shù)見表1.

表1 輸電線路參數(shù)表

異步電機負荷模型見圖3.

圖3 ABB異步電機模型圖

該負載450 kW(603馬力)鼠籠式感應電動機，功率因數(shù)為0.89，額定電壓為10 kV.電機是通過使用鼠籠感應電機來仿照，見圖3. 有3種類型的格式是可用的模塊，即典型數(shù)據(jù)，明確數(shù)據(jù)和EMTP 40型格式。每一個形式的描述見表2.

表2 PSCAD中異步電機模型的格式類型表

本文中，由于大多數(shù)機器的制造商提供的數(shù)據(jù)為EMTP 40型格式，所以該模型選用EMTP 40.

根據(jù)DL/T584-2007《3～110 kV電網(wǎng)繼電保護裝置運行整定規(guī)程》中6.2.9.9條規(guī)定“中性點經(jīng)放電間隙接地的110 kV變壓器的零序電壓保護，其3U0定值一般整定為150～180 V(額定值為300 V)，在該110 kV變電站系統(tǒng)中間隙過壓定值為160 V.

當線路空載，發(fā)生A相接地故障時，零序電壓3U0最大值為128.689 V小于間隙過電壓定值160 V，間隙保護不啟動。

線路空載單相接地零序電壓見圖4，負荷側(cè)為大型異步電機單相接地零電壓見圖5.負荷側(cè)為異步機群組單相接地零序電壓圖見圖6.中性點接地運行單相接地故障零序電壓圖見圖7.

圖4 線路空載單相接地零序電壓圖

圖5 負荷側(cè)為大型異步電機單相接地零序電壓圖

線路末端負荷側(cè)為大型異步電動機、異步機群組，偏移時間為保護啟動時刻至保護動作時刻的時間間隔，其中偏移時間整定值為500 ms，與主變高后備保護動作事件記錄中Ⅰ段間隙保護動作延時時間相同。在此時間內(nèi)零序電壓一直大于Ⅰ段間隙過壓定值160 V，導致Ⅰ段間隙保護動作，跳開主變高壓側(cè)開關(guān)和低壓側(cè)開關(guān)。

圖6 負荷側(cè)為異步機群組單相接地零序電壓圖

圖7 中性點接地運行單相接地故障零序電壓圖

由圖5和6分析可得，線路末端負荷側(cè)為大型異步電動機零序電壓3U0，最大值為259.589 V，經(jīng)過500 ms間隔的整定值，零序電壓3U0為176.823 V，仍大于間隙過壓定值160 V. 線路末端負荷側(cè)為異步機群組時，零序電壓3U0最大值為233.718 V，經(jīng)過500 ms間隔，零序電壓3U0為189.190 V，也大于間隙過壓定值160 V，間隙保護動作。由于電動機突然停電后，會產(chǎn)生反電動勢，導致主變低壓側(cè)仍存在電壓，反應在主變高后備保護中即為間隙電壓。

實際該110 kV變電站中，發(fā)生A相接地故障，取主變高后備保護裝置啟動的錄波截圖，零序電壓一直大于Ⅰ段間隙過壓定值160 V，實線標線處為間隙保護啟動時刻，圖5,6記錄了保護啟動變位信息(保護啟動0～1).

3 主變高間隙保護的防誤動研究

過電壓對主變長時間的沖擊，會對主變的絕緣造成損傷，因此研究過電壓的產(chǎn)生和消除具有十分重要的意義。

在特定的條件下，電力系統(tǒng)將會出現(xiàn)工作電壓異常升高的現(xiàn)象。而此現(xiàn)象稱為過電壓，屬于電力系統(tǒng)中的電磁擾動。電氣設(shè)備的絕緣不僅長期耐受工作電壓，而且還要能夠耐受過電壓的影響，電力系統(tǒng)運行的安全可靠才能得到保證。過電壓通常情況下分為兩大類：外過電壓和內(nèi)過電壓。

外過電壓亦可稱為大氣過電壓，其產(chǎn)生的原因是大氣中的雷云對地面放電。外過電壓可分為直擊雷過電壓和感應雷過電壓。雷閃直接擊中電氣設(shè)備導電部分時所出現(xiàn)的過電壓被稱為直擊雷過電壓。直擊雷過電壓的幅值一般為上百萬伏，電工設(shè)施絕緣被破壞，產(chǎn)生短路接地故障。感應雷過電壓的生成是由于雷閃擊中電工設(shè)備附近地面，與此同時，空間電磁場產(chǎn)生急劇的變化，導致一些未直接遭受雷擊的設(shè)備感應出過電壓。

電力系統(tǒng)運行時，內(nèi)部運行方式發(fā)生變化而產(chǎn)生的過電壓稱為內(nèi)過電壓。通常可分為暫態(tài)過電壓、操作過電壓和諧振過電壓3種。發(fā)生短路故障或者操作斷路器情況時，電力系統(tǒng)經(jīng)歷過渡過程重新達到某種暫時穩(wěn)定的狀態(tài)所出現(xiàn)的過電壓稱為暫態(tài)過電壓。操作斷路器或者突然發(fā)生短路故障時，產(chǎn)生的過電壓稱為操作過電壓，其特點是衰減較快持續(xù)時間較短。電力系統(tǒng)中存在電感、電容等儲能元件，在某些接線方式下儲能元件與電源頻率發(fā)生諧振所產(chǎn)生的過電壓被稱為諧振過電壓。

在我國60 kV及以下等級變壓器選用全絕緣的方式(即中性點處與相線端絕緣水平相等)，而110 kV及以上等級變壓器選用分級絕緣的方式(即中性點處低于相線端絕緣水平)。

參考GB 311.1—1997《高壓輸變電設(shè)備的絕緣配合》，根據(jù)礦井工況條件選取雷電和綜合耐受工頻裕度系數(shù)為0.85. 110 kV和220 kV等級變壓器中性點絕緣及耐壓水平見表3.

表3 110 kV和220 kV變壓器中性點的耐壓水平表

由表3可知，該110 kV變電站發(fā)生單相接地故障，斷路器動作，此時產(chǎn)生暫態(tài)過電壓。為防止過電壓對主變的長時間沖擊，故提出以下方案：

方案一：將該110 kV變電站的主變壓器進行中性點接地運行，線路末端負荷側(cè)為異步機群組，此時發(fā)生單相接地故障，斷路器動作，零序電壓見圖6.

由圖6可得，零序電壓3U0最大值為54.142 V遠小于間隙過電壓定值160 V，間隙保護不啟動。即一次側(cè)零序電壓為9.556 kV，通過表3可知，處于變壓器中性點的耐壓范圍。

方案二：將該110 kV變電站裝設(shè)聯(lián)切保護裝置。確定該站具有電動機負荷的10 kV線路，在110 kV開關(guān)保護動作的同時遙切該線路。

裝設(shè)聯(lián)切保護裝置單相接地故障零序電壓圖見圖8.

圖8 裝設(shè)聯(lián)切保護裝置單相接地故障零序電壓圖

由圖8可得，零序電壓3U0的最大瞬時值為127.244 V小于間隙過電壓定值160 V，即一次側(cè)零序電壓為139.96 kV，間隙保護不動作，但在50 ms內(nèi)降到變壓器中性點短時工頻耐壓72.3 kV.

方案三：將該110 kV變電站的主變壓器采用中性點經(jīng)小電抗接地的運行方式，當變壓器中性點經(jīng)小電抗接地時，處于運行過程中的變壓器進行投、切操作，通常情況下可使零序阻抗保持不變或少變，電力系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)會成為接地系統(tǒng)，則變壓器中性點的過電壓能夠得到有效抑制，同時也能夠降低變壓器中性點的絕緣等級，提高了經(jīng)濟效益，過電壓保護裝置和運行操作程序也能夠由繁瑣變?yōu)楹唵巍?/p>

以上是變壓器中性點經(jīng)小電抗接地的優(yōu)點，但在實際運行的110 kV系統(tǒng)中，將主變壓器接入小電抗后，絕緣配合如何實現(xiàn)，以及如何影響已有繼電保護的整定值等有待做迸一步的研究。

4 結(jié) 論

介紹了異步電機由于失去外加電源后產(chǎn)生失電殘壓，研究了線路末端空載、負荷側(cè)為大型異步電機和負荷側(cè)為異步機群等3種情況，應用了一種等效異步電機負荷的方法，對間隙保護動作行為研究影響，進行了主變高間隙保護的防誤動研究，并提出3種改進方案。

但本文只是通過仿真結(jié)果分析了110 kV主變高后備間隙保護的動作，并提出3種改進方案。論文中仍然存在一些問題需要解決，如將該110 kV變電站的主變壓器進行中性點經(jīng)小電抗接地運行，只是進行了理論的分析，怎樣進行絕緣配合有待進一步的研究。