2023年万洲电气—浅谈操作过电压下的高压电机软起动保护措施.doc

浅谈操作过电压下的高压电机软起动保护措施. 万洲电气股份 唐金龙 ：交流电动机的起动一直是人们关注的一个课题，尤其是高压大容量交流电动机，随着其用量的急剧增加，软起动问题就变得更加突出。本文从操作过电压产生机理出发, 阐述操作过电压对高压电动机的危害, 通过对高压电机在各种情况下操作过电压的探讨分析,，提出高压固态软起动器操作过电压的保护措施及对策，实现高压软起动器高可靠性的要求。 关键词： 高压电机 软起动 操作过电压 晶闸管 措施 1．引言 众所周知，高压鼠笼式电动机在空载全压直接起动时，起动电流会到达额定电流的5～7倍。当电动机容量相对较大时，该起动电流将引起电网电压急剧下降，电压频率也会发生变化，这会破坏同电网其它设备的正常运行，甚至会引起电网失去稳定，造成更大的事故。交流高压电机在起动和停止时及真空断路器来关合和开断电路时会伴随有过电压产生，由于电网中的电气元件发生电磁振荡而形成幅值大、频率高的操作过电压，对电动机的绝缘及起动设备造成威胁，影响电动机甚至整个传动系统的正常运行。操作过电压值有时会到达额定电压的5倍以上，这样高的过电压会对电机的绝缘造成严重的危害。为了解决大型电动机直接起动时电流过大的危害问题。通常使用软起动装置，高压固态软起动器于上世纪80年代初在国外得到应用，90年代初引入国内，其具有体积小、起动性能优越、智能化、保护功能多等特点得到用户认可，但由于其相对昂贵的价格和认知度较低等原因，一直未引起中国用户的重视。近四五年，随着人们对软起动器的逐渐了解和认同，才得到了广泛的应用，并保持快速增长的势头。对操作过电压分析及采取相应保护技术可提高国内高压固态起动器的可靠性。 对于操作过电压，目前人们都是采取一些防范危害的方法，如安装压敏电阻、阻容装置等，而对如何去抑制操作过电压的产生，往往考虑的较少。对于操作过电压，许多软起动方法无能为力的。万洲电气股份研制成功的高压固态软起动器的过压保护技术可以很好地解决这个问题.。 2、操作过电压产生原因的分析 内部过电压是在电网额定电压的根底上产生的，所以随着电网等级的升高，内部过电压的幅值也按比例增加。通常，在中性点非直接接地的电网中，最大的过电压那么可以到达四倍以上。操作过电压是内部过电压的一种类型，出现在由于“操作〞引起的过渡暂态过程中。所谓“操作〞，既包括断路器的正常或事故操作，例如分、合闸空载线路，也包括接地故障、断线故障等。“操作〞的结果，该处的阻抗参数在某时刻发生突变，系统中的各个电气元件上的电压、电流值将从原来的初始值过渡到新的工频稳态值。随着电网额定电压的升高，采用系统中性点直接接地，线路长度和传输容量增加，使操作过电压及其影响增大。电力系统中各种操作过电压的发生原因、过程各异，影响因素也很多，但其根源均为电力系统内部存储的电磁能量发生交换和振荡。过电压的幅值、波形与电网结构和参数、中性点接地方式、断路器性能、运行接线及操作方式、限压保护装置的性能等多种因素有关。 2.1．真空断路器投合电动机的操作过电压 真空断路器投合、断开高压电动机时，可以将其看为感性负载，快速暂态过电压会沿着传输线路以波的形式到达电动机端口。实际的传输线路不可能完全没有衰减和变形，但是由于真空断路器和电动机之间的输电线路很短，一般回路电缆长度在50～200m范围内，所以可以忽略操作过电压传输时由于输电线路损耗而引起的电压波的衰减和变形。在后面的分析中，可以近似认为真空断路器在投合、断开电动机时产生的操作过电压沿着输电线路，以波的传输形式几乎无畸变地传输到电动机的机端。真空断路器投合高压电动机的相应的单相等效电路： 图1为单相电感负荷电路的简化等值电路图，图中电容均用集中电容代替，电路中所有电阻均忽略〔因电阻的作用只是对振荡的阻尼〕。 图中：LS----电源引线电感 CS----电源侧电容 CK----开关触头两极间电容 LK----开关内联线电感 Ct----负荷电容 Lb----开关到负载之间的联线电感 Lt----负荷电感 图1的简化电路中计及7个电感电容元件，在开关开合过程中将产生十几种频率的暂态过程，每个频率均与有关的元件值有关。在简化条件下，有几个频率是重要的。 负荷侧振荡频率ft，其值为 ft= ft是开关电流开断后，负荷侧的振荡频率，对于空载变压器，电感值可达百亨数量级；对于长输电线，电容值可达数微法，这时振荡频率可能低于数百赫。对于高压电动机，其漏感为毫亨级，振荡频率可达几十千赫。这一振荡实际上也是电场能和磁场能的交换过程，如果在开关断开时二者贮存的能量之和比拟大，那么会在电容上产生很高的过电压。 2.2真空断路器断开电动机的操作过电压 一般真空断路器断开电动机时产生的操作过电压有三种类型:截流过电压、高频屡次重燃过电压(或称为高频重燃过电压、屡次重燃过电压)和三相同时断开过电压。这三种操作过电压产生的机理不同，所以其特点也不同。 在截流发生前，由于C值很小，iciL，i≈iL,设t=0时出现截流现象，截流值为i=Ich，电容上电压为uC=U0，那么出现截流时负荷侧的能量分别为CU02和LIch2。由于振荡，电场能和磁场能不断转换，总能量保持不变〔忽略电阻损耗〕。当电压达最大值时，全部电场能为CUm 2，磁场能量为零。可得 LIch2+CU02=CUm2 由此可得： Um= 式中Z=为负荷特征阻抗。 由于负荷特征阻抗往往很大，所以Um也很大。在三相电路中，各相的截流过电压相互影响，会使过电压更大。 截流过电压的特点是: ①、截流过电压的上下与真空断路器的截流值几的大小有关，截流值I，越大，过电压越高。 ②、截流现象一般只发生在断开小电流时。试验说明，大电流的陡度越大，截流值就越小，当断开电流超过一定值(约几百安)，发生截流的时机就很小。 ③、电磁能量相互转换的振荡频率很高时，可以到达数千赫兹，高的频率必然伴随着高的电压陡度。 ④、相对地过电压和相间过电压按相对地电容和相间电容比例分配，通常相对地过电压为相间过电压的2/3。 ⑤、电动机和变压器的容量越小，截流过电压越高，因为负载回路中电容较小，电感较大，波阻抗较大。 ⑥、实测证明，回路电缆长度在50～200m，范围内，截流过电压最高。 ⑦、截流过电压的上下具有一定的随机性。 ⑧、在断开中、小容量电动机负载的情况下，易出现三相同时截流过电压。 2.3 开断电动机时的截流过电压 断路器在开断电动机过程中，如果电弧不是在电流过零时熄弧而是出现截流，那么在电机上将出现截流过电压，已如前述，理论上的最大值为 Um= 式中：Z=为电机的特征阻抗。 当IchZ>3U0时，U02项可以略去不计，此时Um=IchZ 高压电动机的特征阻抗一般在几百欧到几千欧之间，电机容量越小，特征阻抗越大，因此开断中小容量电机容易出现危险的截流过电压，而开断大电机时，过电压常常较低。特征阻抗Z=中的C应为电机和连接电缆的电容之和，故当连接电机和开关的电缆较长时，对抑制截流过电压有显著的作用。 3、高压固态软起动器的过电压保护对策 由前面的分析可知，操作过电压的大小是直接与开关前面的电压上下有关的，它是各种高频振荡的产生之源。因高压固态软起动器的核心调压器件是晶闸管，所以过压保护设计是高压固态软起动器的关键设计环节之一。晶闸管是一个大功率的半导体器件，容易导致损坏的几个重要参数是额定电压〔通常制造厂将断态重复峰值电压VDRM和反向重复峰值电压VRRM中较小值作为额定电压〕 、断态电压临界上升速率dv/dt等。所以高压固态软起动器必须采取相应的保护措施来防止电网系统中的操作过电压对晶闸管的损坏。 3.1晶闸管额定电压 晶闸管的额定电压反响其耐压能力，此参数如选得不合理在使用中容易导致晶闸管过压击穿，通常我们在选型设计时考虑以下因素，一是单相串并联晶闸的反向重复峰值电压VRRM〔计算时按最大值考虑〕，二是过电压冲击系数，此系数宜按1.5考虑。三是电压升高系数通常按1.1倍考虑。四是电压裕度系数，一般取2~3，可根据不同系统来取值。如对于10KV电网的交流电机，高压固态软起动器的每相反向串并联阀组件晶闸管的额定电压总和＞10KV/x1.5x1.1x2.5x≈27KV，通常晶闸管选用10只及以上的6500V的晶闸管进行反向串并联。 3.2 反向串并联晶闸管的要求     在高压固态软起动器需要多只可控硅串并联，然而，由于每个晶闸管静态和动态参数不一致，简单地把它们串联或并联起来，会使管子毁坏，须采取相应的措施。 （1） 均压的必要性 A、由于晶闸管漏电流不同，串联使用时将会使这们承受的电压不同，将 SCR1和SCR2串联起来，由于SCR2的反向漏电流比SCR1的小，使得SCR2承受的反向电压Vr2大于SCR1的Vr1,而整个电路的耐压:Vr1+Vr2 图4 图5 串联晶闸管反向电压的分配 B、由于晶闸管导通时间或触发电路有差异，在串联回路中，将会使几乎全部输入正向电压加在最后导通的管子，这势必会起过管子的耐压。串联可控硅是以Vt〔导通压降〕及Qrr〔反向恢复电荷〕参数作为调选依据，其中串联可控硅Vt差异在5%以内，反向恢复电荷差异在3﹪以内。 　　〔2〕均压措施 A、尽可能选择静态特性和动态特性一致的元件，如正反向漏电流、开通时间、关断时间等参数可能一致，此外还要注意元件的温度特性，因为漏电流、耐压、开通及关断时间都是随温度而变化的。 B、在设计触发电路时，必须使所有串联元件同时导通与关断，最好用同一触发信号源通过隔离元件加至串联各元件，触发脉冲必须要有足够的幅度和前沿陡度。 C、加静态均压电阻及动态阻容保护 假设晶闸管的导通及关断时刻瞬时不同会在每只晶闸管两端电压产生差异，为减少这种差异性，通常在晶闸管SCR两端加装加静态均压电阻及动态阻容。通过静态均压电阻的电流为晶闸管的漏电流的2～5倍进行选择，动态均压阻容可减少电压上升率dv/dt过大的影响，具体参数如以下列图所示： 3.2，采用避雷器或过电压保护器嵌位晶闸管两端电压。 在反向串并联可控硅组成的阀组件后端或阀组件两端加装过电压保护器或避雷器来防止操作过电压的影响，如以下列图〔注FV为避雷器〕。避雷器的操作冲击电流残压所用的操作冲击电流的波头时间为30～100ms。其电流幅值那么按避雷器的不同标称电流系列、不同类型以及不同额定电压分别规定了不同的数值。 图6：避雷器的安装形式 3.3，阀组件内单只晶闸管的过压保护。 由晶闸管组成的调压装置在运行时出现的过电压可分为外因过电压和内因过电压两类，外因过电压主要来自雷击和系统中的开关操作过程，内因过电压主要来自阀组内部晶闸管的周期开关过程，以及串联的晶闸管之间因开通或关断性能差异造成的瞬态电压分配不均。由于晶闸管的过电压能力很低，因此晶闸管阀必须有针对各种过电压的保护措施。对于外因过电压可以用避雷器使阀组承受的电压限制在安全值范围内，但是内因过电压就需要有BOD保护电路。 BOD元件是在硅片上扩散出的PNPN结构，其正向特性像晶闸管，但无门极，当到两端的电压超过规定的转折电压时迅速导通。BOD元件能屡次导通而不损坏，且它有雪崩特性，开通时间比晶闸管短。我们采用的BOD器件是德IXYS公司的IXBOD1-09，该器件选用了高质量的硅材料，并采用了较厚的玻璃钝外表保护，所以它具有精确而稳定的转折电压，加上它本身的雪崩特性，可以在