交流接觸器防晃電方案對(duì)比研究

姜萬(wàn)東 周海濤 杜 佳

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交流接觸器防晃電方案對(duì)比研究

姜萬(wàn)東1周海濤1杜 佳2

（1. 江蘇國(guó)網(wǎng)自控科技股份有限公司，江蘇昆山 215311；2. 國(guó)網(wǎng)遼寧電力阜新供電公司，遼寧阜新 123000）

本文介紹了交流接觸器防晃電的兩種解決方案，即失壓再起動(dòng)方案和晃電保持方案。采用定性分析的方法，分析了母線殘壓情況、電動(dòng)機(jī)殘壓情況以及電壓恢復(fù)時(shí)是否存在直接起動(dòng)和反相位合閘的問(wèn)題，并指出采用接觸器晃電保持方案和快切裝置相結(jié)合的方式，既保證了快速恢復(fù)供電，又使系統(tǒng)沖擊電流最小。

防晃電；交流接觸器；失壓再起；防晃電保持

電網(wǎng)因雷擊、短路、重合閘、同一段設(shè)備起動(dòng)或故障以及其他原因造成電網(wǎng)電壓短時(shí)大幅度波動(dòng)、短時(shí)中斷數(shù)秒的現(xiàn)象俗稱(chēng)“晃電”[1-3]。對(duì)于交流接觸器，當(dāng)系統(tǒng)電壓發(fā)生晃電時(shí)，若電壓在某一瞬間低于接觸器線圈的釋放電壓，則使低壓馬達(dá)停止運(yùn)行進(jìn)而導(dǎo)致用戶(hù)的嚴(yán)重?fù)p失[4-5]。文獻(xiàn)[6]也指出接觸器對(duì)電壓暫降敏感度影響因素都很多。目前交流接觸器的防晃電方案主要有晃電后接觸器再起、晃電接觸器保持、采用防晃電交流接觸器和采用延時(shí)分批再起等方案。文獻(xiàn)[7]指出采用專(zhuān)門(mén)的防晃電交流接觸器不適于防晃電要求較高的場(chǎng)合，而采用分批延時(shí)再起動(dòng)不利于快速的恢復(fù)供電，只適用于晃電持續(xù)時(shí)間較長(zhǎng)電動(dòng)機(jī)停轉(zhuǎn)時(shí)分批起動(dòng)電動(dòng)機(jī)（按工藝分批起動(dòng)），避免造成對(duì)系統(tǒng)電壓的沖擊。

綜上所述，在目前交流接觸器的防晃電方案中，普遍采用的是晃電后再起接觸器和晃電時(shí)接觸器保持不釋放方案（防晃時(shí)間一般設(shè)定500～1000ms）。應(yīng)用中存在著對(duì)兩種方案的系統(tǒng)電壓情況、電動(dòng)機(jī)殘壓情況以及電壓恢復(fù)時(shí)是否系統(tǒng)存在沖擊電流等認(rèn)識(shí)較為模糊的問(wèn)題。本文采用定性分析的方式，來(lái)分析晃電時(shí)兩種方案接觸器釋放或保持吸合對(duì)母線殘壓、電機(jī)能量交互的影響情況，得出分析對(duì)比結(jié)論，并提出應(yīng)用建議。

1 接觸器防晃電的兩種方案

交流接觸器防晃電再起動(dòng)方案如圖1（a）所示。當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生晃電時(shí)，電壓降低使接觸器釋放；若電壓在再起裝置設(shè)定的防晃電時(shí)間內(nèi)恢復(fù)，則再起裝置QD繼電器接點(diǎn)閉合，使接觸器重新吸合，保證了供電回路繼續(xù)工作。其中：端子3、8為裝置提供電源（裝置內(nèi)部有儲(chǔ)能元件）并進(jìn)行晃電判斷；端子4、5接接觸器輔助位置KM，判斷接觸器運(yùn)行狀態(tài)；端子6、7為延時(shí)斷開(kāi)信號(hào)輸出給DCS，防止接觸器在晃電時(shí)輔助位置KM釋放，造成DCS誤判。

交流接觸器防晃電保持方案[8]如圖1（b）所示。當(dāng)系統(tǒng)電壓發(fā)生晃電時(shí)，保持裝置判斷出電壓擾動(dòng)并可能造成接觸器釋放，迅速的切斷接觸器線圈交流電源并對(duì)其輸出相匹配的直流電源，保持接觸器繼續(xù)可靠吸合。如在保持裝置設(shè)定的防晃電時(shí)間內(nèi)交流電壓恢復(fù)，裝置切斷直流電源恢復(fù)交流電源；如果系統(tǒng)電壓未恢復(fù)，就關(guān)斷直流電源，接觸器釋放。其中：裝置的1、2為控制電源輸入；端子4、5接線圈兩端；端子3、6為電源接入同時(shí)作為晃電判斷；端子7、8為分批延時(shí)再起動(dòng)出口（選配）。

（a）接觸器防晃電再起動(dòng)方案接線圖

（b）接觸器防晃電保持方案接線圖

圖1 接觸器防晃電方案接線圖

綜上所述的兩種接觸器防晃電解決方案應(yīng)用最廣，但也一直存在優(yōu)缺點(diǎn)的爭(zhēng)論。再起動(dòng)方案的堅(jiān)持者認(rèn)為，此方案原理簡(jiǎn)單，應(yīng)用可靠，已經(jīng)基本滿(mǎn)足工程應(yīng)用的要求；而保持方案的堅(jiān)持者認(rèn)為，晃電時(shí)接觸器不脫扣可充分利用母線殘壓的支撐，電動(dòng)機(jī)不會(huì)快速停機(jī)或反轉(zhuǎn)，避免電源恢復(fù)時(shí)再合接觸器造成的沖擊。

2 系統(tǒng)晃電母線殘壓分析

系統(tǒng)晃電時(shí)母線殘壓情況可采用定性分析，若采用定量計(jì)算法須依據(jù)系統(tǒng)接線，故障類(lèi)型和精確的短路計(jì)算才能進(jìn)行，往往數(shù)據(jù)難以獲得且復(fù)雜，而采用定性分析來(lái)闡述即避免了大量的計(jì)算又能清楚地說(shuō)明問(wèn)題。母線變化趨勢(shì)如圖2所示，電源S1發(fā)生的遠(yuǎn)端故障被切除，廠用電系統(tǒng)備用電源S2切換供電過(guò)程中低壓母線電壓的變化趨勢(shì)。

圖2 高壓側(cè)電源異常時(shí)低壓母線殘壓趨勢(shì)圖

圖2中供電系統(tǒng)S1發(fā)生短路時(shí)，廠用母線電壓為短路電壓F（短路電壓的大小取決于故障類(lèi)型、廠用電等效阻抗、系統(tǒng)等效阻抗等）。短路發(fā)生至切除時(shí)間由外部系統(tǒng)決定，典型值一般為100～200ms（圖2中的qc）。短路故障切除后到備用電源未投入時(shí)間內(nèi)，廠用母線進(jìn)入到殘壓階段（殘壓大小取決于電動(dòng)機(jī)群的容量、剩余電磁能等，一般電動(dòng)機(jī)群越大殘壓值相對(duì)越高，衰減時(shí)間與負(fù)載特性相關(guān)）。殘壓持續(xù)時(shí)間取決于備用電源轉(zhuǎn)供時(shí)間（圖2中的qh）。

3 防晃電再起方案特性分析

圖3（a）作為交流接觸器失壓再起防晃電方案等效分析圖。在故障發(fā)生至備用電源投入的時(shí)間（qc+qh）內(nèi)接觸器為釋放狀態(tài)（接觸器是否釋放與電壓的幅值和時(shí)間有關(guān)系），低壓電動(dòng)機(jī)群與低壓母線完全斷開(kāi)，各電動(dòng)機(jī)按自身的特性殘壓曲線自由衰減。重載電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速下降較快而輕載電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速下降較慢。重載電動(dòng)機(jī)如圖3（c）所示，電動(dòng)機(jī)儲(chǔ)存的電磁能快速的被負(fù)載消耗，電壓恢復(fù)時(shí)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速已降為0，再起裝置起動(dòng)接觸器合閘時(shí)為全壓起動(dòng)，起動(dòng)電流可達(dá)到5～8倍電動(dòng)機(jī)額定電流。輕載電動(dòng)機(jī)如圖3（d）所示，電壓恢復(fù)時(shí)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速可不為0，再起裝置起動(dòng)接觸器合閘時(shí)由于電動(dòng)機(jī)殘壓的存在易導(dǎo)致反相位合閘，引起較大的合閘沖擊。

圖3 接觸器釋放時(shí)母線殘壓與電動(dòng)機(jī)殘壓

由于在qc+qh時(shí)間內(nèi)，接觸器完全釋放，造成電動(dòng)機(jī)的殘壓不能體現(xiàn)在母線上，因此低壓母線電壓快速下降，如圖3（b）所示。此時(shí)高壓備自投或快切裝置檢測(cè)的高壓母線殘壓并不包含低壓電動(dòng)機(jī)群的殘壓，造成殘壓檢測(cè)不充分。

4 防晃電保持方案特性分析

當(dāng)采用接觸器保持方案解決晃電問(wèn)題時(shí)，在qc+qh段時(shí)間內(nèi)接觸器不釋放，如圖4（a）所示。輕載電動(dòng)機(jī)內(nèi)的電磁能量可通過(guò)母線傳輸給重載電動(dòng)機(jī)；低壓電動(dòng)機(jī)視為一個(gè)電動(dòng)機(jī)群，高壓機(jī)群與低壓機(jī)群之間通過(guò)降壓變、低壓母線進(jìn)行能量傳輸，因此電動(dòng)機(jī)之間可充分的行能量互補(bǔ)，輸出剩余電磁轉(zhuǎn)矩。

在qc+qh段時(shí)間內(nèi)（一般500ms左右）低壓機(jī)群間的能量互補(bǔ)、高低壓之間能量互補(bǔ)可使低壓電動(dòng)機(jī)群處于較為緩慢的減速段，低壓母線殘壓如圖4（b）所示。高壓側(cè)的備自投和快切裝置測(cè)量的母線殘壓值為真實(shí)的殘壓值，有利于備用電源的準(zhǔn)確投入。

（a）保持方案能量互補(bǔ)圖 （b）保持方案低壓母線殘壓

5 防晃電保持與高壓快切方案分析

備用電源快速切換裝置可避免備用電源電壓與母線殘壓在相角、頻率相差過(guò)大時(shí)合閘而對(duì)系統(tǒng)造成沖擊，如失去快速切換的機(jī)會(huì)，則裝置自動(dòng)轉(zhuǎn)為同期捕捉或判殘壓及長(zhǎng)延時(shí)切換，同時(shí)在電壓跌落過(guò)程中，可按延時(shí)甩去部分非重要負(fù)荷，以利于重要輔機(jī)的自起動(dòng)，提高廠用電切換的成功率[9]。

如圖5（a）所示，高壓側(cè)利用快切裝置，低壓側(cè)采用接觸器保持防晃電方案。快切裝置參數(shù)可按圖5（b）所示的電動(dòng)機(jī)殘壓曲線和耐受沖擊電流進(jìn)行設(shè)定。在高壓側(cè)發(fā)生短路后，進(jìn)線斷路器被保護(hù)跳開(kāi)，快切裝置將分析計(jì)算高壓母線殘壓與備用進(jìn)線電壓并進(jìn)行快速切換（滿(mǎn)足壓差、角差、頻差）。

高壓側(cè)的快切裝置在切換過(guò)程中，低壓側(cè)采用了防晃電接觸器保持方案，接觸器一直處于吸合狀態(tài)，保證了切換裝置捕捉殘壓信息的可靠性，為快速恢復(fù)供電提供了保證。

（a）低壓晃電保持同高壓快切裝置結(jié)合等效圖

（b）電動(dòng)機(jī)殘壓曲線和耐受沖擊允許電流

圖5 晃電時(shí)快切裝置與保持方案配合

6 實(shí)例分析

蘭州某催化劑廠供電方案使用了如圖3（a）所示的主接線方式，0.4kV母線下有3臺(tái)200kW管道進(jìn)料電動(dòng)機(jī)（泵），5臺(tái)其他類(lèi)型負(fù)載電動(dòng)機(jī)。該段0.4kV母線接觸器采用了防晃電再起方案解決接觸器晃電，再起動(dòng)裝置時(shí)間設(shè)定為500ms。2015年某次晃電事故時(shí)發(fā)現(xiàn)進(jìn)料電動(dòng)機(jī)無(wú)法再起，事后分析主要原因?yàn)榛坞姇r(shí)接觸器脫扣后主管道內(nèi)部壓力較大，電動(dòng)機(jī)在回流壓力下反轉(zhuǎn)，電壓恢復(fù)后再起裝置發(fā)合閘指令時(shí)，瞬間沖擊電流過(guò)大，導(dǎo)致電動(dòng)機(jī)保護(hù)裝置跳閘使電動(dòng)機(jī)無(wú)法起動(dòng)。后期采用了接觸器保持與高壓快切裝置相結(jié)合的方案，在晃電結(jié)束后快切裝置在高壓側(cè)檢同期合閘，以避免此問(wèn)題的發(fā)生。此后發(fā)生的多次晃電事故證明，此方案均能可靠抗擊晃電事故，未造成進(jìn)料電動(dòng)機(jī)停車(chē)事故。

7 結(jié)論

本文對(duì)交流接觸器的失壓再起防晃電方案和保持防晃電方案進(jìn)行了分析，指出采用失壓再起方案時(shí)由于接觸器觸點(diǎn)已經(jīng)釋放，導(dǎo)致電動(dòng)機(jī)群之間無(wú)法進(jìn)行能量交換、高壓和低壓能量不能交換；電動(dòng)機(jī)電磁能量各自衰減，電壓恢復(fù)時(shí)再合接觸器會(huì)導(dǎo)致直接起動(dòng)或反相位合閘沖擊的問(wèn)題，同時(shí)也會(huì)導(dǎo)致備自投或快切裝置殘壓判斷不準(zhǔn)確。若采用保持防晃電方案，則不會(huì)造成上面的問(wèn)題。

用戶(hù)在充分考慮晃電持續(xù)的時(shí)間與電壓下降的情況下，可優(yōu)先采用保持防晃電方案與快切裝置動(dòng)作時(shí)間相配合，在滿(mǎn)足沖擊電流最小的情況下快速恢復(fù)備用電源，減小供電中斷時(shí)間。

本文對(duì)交流接觸器防晃電方案分析和研究，對(duì)交流接觸器防晃電的方案選擇具有一定的參考意義。

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The Comparative Study on the Anti-electricity Shaking Scheme of AC Contactor

Jiang Wandong1Zhou Haitao1Du Jia2

(1. Jiangsu State Grid Automation Technology Co., Ltd, Kunshan, Jiangsu 215311;2. Liaoning Power Grid Fuxin Power Supply, Fuxin, Liaoning 123000)

This paper introduces two solutions of anti-electricity shaking for AC contactor: lost voltage restart scheme and keep contactor not release scheme. In using the method of qualitative analysis, this paper analyzes the residual voltage of the bus, the residual voltage of the motor and the problem of whether there is a direct restart and anti-phase switching after the voltage recovery, and points out that the combination of keeping contactor not released scheme and quick switching device ensure that the power supply which can be restored quickly, and the impulse current of the system being reduced to minimum.

anti-electricity shaking; AC contactor; lost voltage restart; keep contactor not released

姜萬(wàn)東（1980-），男，遼寧朝陽(yáng)人，高級(jí)工程師，主要從事電力系統(tǒng)繼電保護(hù)及電氣控制方面的研究工作。