电机停运时电路的暂态分析及应对研究

王树春，王伟同，李祥苓

(天津华电南疆热电有限公司，天津 300452）

在工业系统中，针对400V的配送电装置均为抽屉开关，因此分析抽屉开关内配件及配电线路到负载等构成的系统就具有重要的实用价值。其系统特性可分为稳态(静态)及暂态(动态)两个范畴，即停止和运行的稳态和从停止到运行、再从运行到停止的暂态，平常工作时我们经常接触到的是稳态，其实暂态才是经常出现问题的环节，因此抽屉开关及其线路到负载构成的系统的暂态行为及分析应该引起足够的重视。

1 问题阐述

某公司深度水系统9台抽屉开关电机正常停运操作时，断路器跳闸。由PLC发过来启停信号，启动时接触器闭合，电机启动，当PLC发停止信号时，断路器跳闸(图1)。

图1 断路器跳闸线路示意图

2 断路器跳闸的原因分析

断路器跳闸原因有很多种，但大致归结为6类情况,分别为电机对地绝缘低，引起断路器过流跳闸；断路器速断电流设错，启机停机时电流大于速断值跳闸；断路器合闸不到位，同样引起电流过大跳闸；断路器质量问题，断路器内金属片未到固定温度直接跳闸；断路器选型错误，电机额定电流大于断路器允许电流引起跳闸；因暂态过程引起的瞬时电流过大引起跳闸。

针对某厂故障,采用排除法，进行检查分析如下：（1）经过实测电机与电缆对地绝缘为大于550MΩ，无问题，可以排除电机对地绝缘低，引起断路器过流跳闸；（2）就地确认断路器速断电流为12倍额定电流，符合标准，且如果因定值设错导致跳闸应是启停均跳闸，因此排除断路器速断电流设错，启机停机时电流大于速断值跳闸；（3）观察断路器合闸到位，且如果是断路器未合闸到位引起不应九台断路器均有此问题，排除断路器合闸不到位，同样引起电流过大跳闸；（4）断路器为×牌断路器，且官网购买该产品同型号并更换后故障仍发生，可排除断路器质量问题，断路器内金属片未到固定温度直接跳闸；（5）跳闸断路器均为100A，电机额定电流均为60～75A左右，断路器脱扣电流大于电机额定电流35%左右，符合要求排除断路器选型错误，电机额定电流大于断路器允许电流引起跳闸。

综上所述，我们有必要猜测其跳闸原因为暂态过程引起的瞬时电流过大引起跳闸，即停止时瞬时电流使断路器速断保护动作，现通过暂态研究其过电流的原因：进行暂态分析我们要首先知道什么是暂态，他与稳态的区别和形成原因。稳态是指在一定条件下电路中电压、电流已达到稳定值。暂态是指电路从一种稳态变化到另一种稳态的过渡过程(如图2)。

图2 稳态电路示意图

图2 电阻是耗能元件，其上电流I随电压U成比例变化，不存在过渡过程。

产生暂态过程的必要条件是：（1）电路发生换路，为外因；（2）电路中含有储能原件，为内因。因为能量储存、释放需要一个过程，所以有电感或者（和）电容的电路存在过渡过程(如图3)。

图3 可发生暂态电路示意图

由此可知，有储能元件（电感、电容）的电路状态发生变化时（如：电路接入电源、从电源断开、电路参数修改等）存在过渡过程，而没有储能作用的电阻电路，不存在过渡过程。电路中的电压和电源在过渡过程期间，从“旧稳态”进入“新稳态”，此时电压、电流都处于暂时的不稳定状态，所以过度过程又称为电路的暂态过程。过渡过程是一种自然现象，但是有不利的方面，比如在暂态过程发生的瞬间，可能出现过电压或过电流，致使电气设备或元件损坏，必须采取防范措施。

在过渡过程，可以通过换路定则及电压和电流的初始值来判断回路的变化。换路就是电路状态的改变：电路接通、切断、短路或参数改变。

电容储能不变：Wc=1/2CUc²，Uc不变，Uc（0+）=Uc（0-）

电感储能不变：WL=1/2LIL²，IL不变，IL（0+）=IL（0-）

需要注意的是，过渡过程中只有IL和UC受换路定则的约束而保持不变，电路中的其他电压、电流都可能发生跃变。

所以可以得出两个原则：（1）换路瞬间，电容元件当作恒压源，恒压源的值为Uc（0+）；（2）换路瞬间，电感元件可以当作恒流源，恒流源的值为IL（0+）。

具体到某公司深度水系统9台抽屉开关电机正常停运操作时，断路器跳闸故障,对故障系统的开关柜接线(如图4)进行分析可知：断路器内部是有电感的，这就使得线路一次回路增加了电感，且电缆较长时就会对线路有对地电容，则可将一次线路简化成图5。

图4 断路器内部简化接线图

图5 串联谐振电路

（S：发热电感：过载时温度升高使双金属片弯曲顶掉开关L：电磁脱扣器线圈电感：短路时磁力增大，吸引衔铁上移顶掉开关)。

（R：电缆电机内阻等；XL：断路器内部电感与电机电感；XC：电缆对地电容)。

含线性储能元件无独立电源的二端网络，在某一特定条件下，其端口呈纯阻性，即电压、电流同相位的现象称为谐振，谐振是正弦稳态电路的一种特殊现象，电路发生谐振前后的工作状态差别很大。

图5中假使当XL=XC时，线路极易发生谐振，电感电压与电容电压向量因反向相互抵消，所以电路的电源电压就等于电阻电源，谐振时可以看成ab两点短路，电压直接加在电阻上。所以正常运行时电流就会比其他电机略大，但如果在保护装置裕度内，则不会引起跳闸。同时电容或电感虽相等但远远大于电阻，串联回路电流处处相等，那么电感与电容上就会有极大的电压，但对外不会显示。

电机启动时，因电感和电容未储能，虽然电机因为需要建立磁场导致启动电流很大，但仍未到断路器的速断电流，但当电机停止时，电流因需要抵消磁场也会变得很大，这时虽然谐振电路已经破坏，但电感有保持电流不变的特性，且电容上有极大的电压，电容也有保持电容两端电压不变的特性，就会向线路提供过电压，过电压就会使接触器拉弧困难，且同样会产生过电流，电感内的电流就等于自己保持的电流加上电容过电压造成的过电流再加上停机电流，这三者之和就很有可能超过速断电流引起断路器跳闸。

现断路器自身都有灭弧功能，但断路器的下口—接触器一般没有，我们可以通过增加电感负载等效回路来解决接触器的问题。从电工学分析，这种电感负载等效为RLC电路，RLC电路是一种由电阻R、电感L、电容C组成的电路结构。通过把阻容支路并联在线圈两端。在增加的并联支路所组成的回路中，电阻被调整到临界值，因而当开关切断载流线圈电流时不产生振荡。另一方面，由于两支路的时间常数相等，因而不管总电流随时间如何变化，通过换路定则可知两支路中的自由电流分量总是大小相等，方向相反。电源支路中自由电流分量等于零，也就是说，当开关切断线圈电流时，线圈两端的电压为零。所以这种接线方式，不仅可消除操作过电压，同时也消除了在切断感性负载时，开关触点间产生的电弧及火花。

3 运用实践与实验改造

首先防止停机时断路器跳闸就要破坏谐振，谐振的必要条件是XL=XC，XL是电机电感和断路器内电感的和，电机电感不可变，断路器的电感如果同型号的也不可变，XC时电缆对地电感，对地电感由长度决定其也不可变，虽然这些值无法减少，但我们可以增加电感和电抗。可构建如下实验方案：

（1）更换新型号断路器，如正泰。实验结果：原停机时断路器跳闸为70%，换成正泰后下降为20%。结果表明：虽然跳闸率虽有下降，方向正确但仍然无法根治。

（2）在原断路器下口增加一线圈，即电感。实验结果：跳闸率下降到0%。结果表明：成功破坏谐振后，即可不失电正常停机。

（3）在二次回路的接触器线圈上并联一个阻容回路。实验结果：跳闸率下降到30%。结果表明：加快接触器拉弧，阻止电容放电也是可行的。经过以上实验表明上述理论分析没有问题，列以下几点防范措施。

4 结语

某厂采用以下第二种方案即在断路器下口接电感后，异常消除。虽然发生谐振虽是偶然现象，但仍然不可忽视，如果线路安装的断路器定值不对或其他原因造成无法跳开，极有可能因过电流跳开变压器下口或者烧毁电机，针对不同厂400V抽屉开关内不同结构，可以参考上述理论和方法，在此进行推广。防范措施如下：

（1）更换不带速断的普通断路器，普通断路器内无脱扣线圈电感，即减少一次回路的电感，再给开关柜增加综保，利用综保的电流速断进行保护，对应上述实验一。

（2）可在断路器下口增加一电感破坏谐振，对应上述实验二。

（3）在接触器线圈上并联一个阻容回路，加快接触器的失电动作，阻止谐振回路里电容的过电压放电，对应上述实验三。当接触器电源被切断后，电感线圈内的电压脉冲能量能够通过并联的电容回路吸收，而为了防止电容的电流过大以及可能再次与电感产生电谐振，在电容器回路中串联一个电阻来降低电流，加快线圈的失电过程，使得触点能够更安全的完成动作。而当接触器正常得电时，电容的存在可以避免阻容回路上一直通过较大电流，从而造成不必要的能量损失或者烧坏电阻。所以在阻容回路里电阻一般较小，而电容抗一般较大。虽然触电火花产生在于主电路接通的接触器触点上，和布置在控制回路上的阻容回路没有直接关系。但是接触器动作时间加快也有利于减小接触器开断时的电弧。