晃電時(shí)低壓電動(dòng)機(jī)連續(xù)運(yùn)行的保障措施

任江濤，計(jì)鵬義

(1.彬縣煤炭有限責(zé)任公司，陜西 咸陽 712000；2.陜西潤中清潔能源有限公司，陜西 咸陽 713602)

0 引言

大型工礦企業(yè)中，像火電、化工、煤礦、鋼鐵企業(yè)等，其生產(chǎn)工藝及設(shè)備對(duì)供電質(zhì)量要求很高，一、二級(jí)用電負(fù)荷較多，其中還包含一級(jí)負(fù)荷中特別重要的負(fù)荷，一般供電方式都采用雙電源供電，并輔以保安電源，如自備柴油發(fā)電機(jī)、UPS等，以上供電方式在保證基本的安全用電情況下已經(jīng)足夠[1-3]。但對(duì)于某些重要工藝設(shè)備的電動(dòng)機(jī)負(fù)荷，即使電壓瞬間異常也會(huì)導(dǎo)致整個(gè)工藝裝置停車，造成巨大損失。這里的電壓異常是指雙回路供電時(shí)其中某一段電源故障、失壓、晃電等情況，其中由于晃電現(xiàn)象導(dǎo)致的電壓瞬時(shí)中斷、降低等造成的電動(dòng)機(jī)停止運(yùn)行，進(jìn)而導(dǎo)致整個(gè)工藝裝置停車的事故最為常見。

1 晃電產(chǎn)生的原因及影響

1.1 造成晃電的主要原因

雷擊：雷擊架空線或者電力設(shè)備導(dǎo)致的系統(tǒng)電壓瞬間大幅度下降，此過程雖然時(shí)間毫秒級(jí)，但足以導(dǎo)致電壓晃動(dòng)[4-6]。

上級(jí)電網(wǎng)臨時(shí)性故障：上級(jí)電網(wǎng)由于架空線路臨時(shí)性故障導(dǎo)致的重合閘裝置動(dòng)作。保護(hù)裝置由于故障跳閘后，重合閘立即動(dòng)作并成功合閘。雖然保證了供電的連續(xù)性，但開關(guān)分合閘時(shí)間內(nèi)顯然已造成了電壓的瞬時(shí)中斷。

電力系統(tǒng)內(nèi)部或外部短路故障：電力系統(tǒng)內(nèi)部或外部發(fā)生單相對(duì)及相間短路故障時(shí)，在繼電保護(hù)裝置動(dòng)作時(shí)限內(nèi)和斷路器固有分閘時(shí)間內(nèi)，系統(tǒng)電壓受短路電流的影響會(huì)產(chǎn)生短時(shí)的嚴(yán)重下降。需要注意的是，如果主保護(hù)采用差動(dòng)保護(hù)，因其保護(hù)靈敏性很高，可以大大縮短保護(hù)范圍內(nèi)故障時(shí)的跳閘時(shí)間，從而大大減輕系統(tǒng)晃電的程度。

大容量電動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)：大容量電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)瞬間造成的系統(tǒng)電壓降低，此現(xiàn)象在前期的工程設(shè)計(jì)中完全可以避免。

1.2 晃電造成的影響及待解決的保障措施

對(duì)接觸器回路電動(dòng)機(jī)的影響：低壓電動(dòng)機(jī)電氣控制中以交流接觸器為主，占據(jù)比例相當(dāng)大。由于其自身工作特點(diǎn)，當(dāng)電網(wǎng)出現(xiàn)晃電時(shí)，會(huì)造成其操作線圈短時(shí)斷電或電壓過低，導(dǎo)致線圈對(duì)鐵芯的吸力小于釋放彈簧的彈力，使接觸器觸頭釋放，進(jìn)而導(dǎo)致電動(dòng)機(jī)停止運(yùn)行。根據(jù)不同品牌接觸器的產(chǎn)品生產(chǎn)特性，一般情況下當(dāng)系統(tǒng)電壓低于標(biāo)稱電壓80%時(shí)，且持續(xù)時(shí)間超過5個(gè)周波會(huì)導(dǎo)致接觸器無法保持而釋放，從而引起電動(dòng)機(jī)停車。

對(duì)變頻器拖動(dòng)的電動(dòng)機(jī)的影響：以變頻器控制為主的低壓電動(dòng)機(jī)，由于變頻器各種電壓和電流保護(hù)比較完善，當(dāng)變頻器直流單元母線監(jiān)測(cè)到系統(tǒng)電壓下降到整定值及整定時(shí)間時(shí)，保護(hù)動(dòng)作使驅(qū)動(dòng)電路停止工作，電動(dòng)機(jī)自由停車。

待解決的保障措施：基于此，探究系統(tǒng)電壓異常時(shí)，保證以上2種控制方式下電動(dòng)機(jī)連續(xù)運(yùn)行的技術(shù)措施，從而減小企業(yè)生產(chǎn)成本，具有重要意義。目前工業(yè)領(lǐng)域電動(dòng)機(jī)一般的控制方式分為常規(guī)接觸器控制和變頻器控制，這2類電器對(duì)于電壓異常情況下的反應(yīng)及靈敏度不在一個(gè)時(shí)間數(shù)量級(jí)上，故分別展開論述。

2 具體防晃電的技術(shù)措施及案例

目前行業(yè)內(nèi)應(yīng)用最廣的有備用電源自動(dòng)投入裝置(備自投)、快速重合閘裝置、備用電源快速切換裝置(快切)和防晃電裝置[7-9]。由于一般企業(yè)用戶內(nèi)部電纜線路較多，大多為永久性故障，一般不采用重合閘技術(shù)，故不再展開討論。

防晃電裝置是通過檢測(cè)某臺(tái)電動(dòng)機(jī)回路主電路和控制回路電壓作為系統(tǒng)電壓晃動(dòng)的依據(jù)，裝置內(nèi)用超級(jí)電容進(jìn)行儲(chǔ)能，超級(jí)電容具有充放電速度快，工作溫度寬，充放電循環(huán)次數(shù)高等優(yōu)點(diǎn)。在檢測(cè)到系統(tǒng)晃電時(shí)，通過超級(jí)電容放電維持接觸器線圈吸合，從而保證電動(dòng)機(jī)連續(xù)運(yùn)行，其維持時(shí)間可以自由設(shè)定，但應(yīng)經(jīng)嚴(yán)格計(jì)算和本企業(yè)電動(dòng)機(jī)的重要程度綜合確定，建議時(shí)間為1 s內(nèi)。因?yàn)楫?dāng)時(shí)間設(shè)置過長電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速衰減較大，電壓恢復(fù)正常時(shí)電動(dòng)機(jī)自啟動(dòng)電流過大對(duì)系統(tǒng)造成嚴(yán)重沖擊，或許造成更嚴(yán)重的事故?，F(xiàn)階段此產(chǎn)品生產(chǎn)廠家較多，技術(shù)較成熟，但在選擇此產(chǎn)品時(shí)應(yīng)深入研究，了解其內(nèi)部充電電容及工作原理，確保產(chǎn)品自身的安全可靠。

快切裝置以單母線分段接線方式為例，快切裝置在檢測(cè)到Ⅰ段進(jìn)線失壓時(shí)，同時(shí)裝置經(jīng)過內(nèi)部電氣量及邏輯判斷動(dòng)作出口跳開失壓線路開關(guān)，合上母聯(lián)開關(guān)以維持供電的連續(xù)性，快切裝置和備自投原理大致相同，只是快切裝置在切換過程中的時(shí)間相比備自投大大縮短。

2.1 接觸器防晃電措施

單一快切裝置及備自投裝置的不足：目前市面上快切裝置的切換時(shí)間(包括斷路器分合閘時(shí)間)最少在50 ms以上，切換時(shí)間因?yàn)橛布墓逃刑匦詿o法再縮短。而普通接觸器線圈在晃電時(shí)間20 ms以上時(shí)，會(huì)導(dǎo)致線圈釋放而主觸頭斷開，使電動(dòng)機(jī)失壓停止運(yùn)行。從大量實(shí)際運(yùn)行情況看，即使在母線殘壓衰減較慢的理想情況下，快切裝置也不能保證全部電動(dòng)機(jī)不失壓而連續(xù)運(yùn)行。備自投裝置由于其切換條件及判斷邏輯導(dǎo)致其切換時(shí)間更長，更難滿足連續(xù)供電的要求。

單一防晃電裝置在接觸器回路實(shí)際使用中的缺點(diǎn)：在單母線分段供電系統(tǒng)中(多數(shù)工礦企業(yè)采用此種運(yùn)行方式)，由Ⅰ段母線供電的某臺(tái)電動(dòng)機(jī)在Ⅰ段電源進(jìn)線故障跳閘時(shí)，在沒有快切裝置的快速切換時(shí)，Ⅰ段母線市電已經(jīng)中斷，防晃電裝置即使能放電保持接觸器的繼續(xù)吸合也無法維持電動(dòng)機(jī)的連續(xù)運(yùn)行。

快切和防晃電裝置的配合使用在接觸器回路中的實(shí)際應(yīng)用：基于以上幾點(diǎn)，若要從根本上解決此類問題，可以將此2種產(chǎn)品合二為一或者使用快切和防晃電裝置在技術(shù)上進(jìn)行合理配合。實(shí)際應(yīng)用中完全可以保證某些重要電動(dòng)機(jī)的連續(xù)運(yùn)行，具體邏輯為若系統(tǒng)晃電瞬間通過防晃電裝置維持主要電動(dòng)機(jī)接觸器的連續(xù)供電，當(dāng)Ⅰ段進(jìn)線電源電壓故障跳閘時(shí)，通過快切裝置實(shí)現(xiàn)故障電源的隔離及Ⅱ段電源的快速切換，在快切裝置切換的短時(shí)的失電過程，接觸器由防晃電裝置超級(jí)電容放電維持吸合。在快切裝置切換完成后，防晃電裝置檢測(cè)到電源正常時(shí)切換為備用狀態(tài)，為下一次晃電做好準(zhǔn)備。從許多現(xiàn)場(chǎng)反饋來看，該措施是完全可行的。因此，通過無擾動(dòng)快切裝置和防晃電裝置相互緊密配合而保證主要電動(dòng)機(jī)接觸器的連續(xù)供電，理論和實(shí)際都是可行的，可以從根本上保證重要工藝設(shè)備的連續(xù)性。

2.2 變頻器晃電再啟動(dòng)技術(shù)的應(yīng)用

變頻器的特點(diǎn)：變頻器對(duì)電壓的變動(dòng)極其敏感，系統(tǒng)中由于短時(shí)的過壓、失壓、瞬間晃電等都可能造成變頻器整流裝置部分直流報(bào)電壓故障而停車。而一般在化工企業(yè)中，像化工企業(yè)液氧泵和高壓煤漿泵等屬于特別重要設(shè)備，短時(shí)停車會(huì)使整個(gè)工藝中斷，損失巨大[10-12]。在實(shí)際工業(yè)應(yīng)用中，采用UPS供電及給變頻器加裝直流支撐技術(shù)已很成熟，但價(jià)格昂貴，對(duì)企業(yè)來說成本過高，性價(jià)比有待考究。

變頻器晃電再啟動(dòng)技術(shù)：再啟動(dòng)時(shí)間可以控制在5 s以內(nèi)的任意時(shí)間，且此時(shí)間需電氣和工藝人員進(jìn)行設(shè)備實(shí)際帶負(fù)荷試驗(yàn)，確定出最合適的保證連續(xù)生產(chǎn)的控制時(shí)間，即設(shè)定時(shí)間必須控制在工藝條件允許的最大時(shí)間內(nèi)。若時(shí)間過長，工藝條件由于設(shè)備轉(zhuǎn)速的下降會(huì)達(dá)到聯(lián)鎖動(dòng)作值，此時(shí)再啟動(dòng)是毫無意義的。具體措施是在變頻器回路加裝防晃電檢測(cè)模塊，該模塊可以全面監(jiān)測(cè)變頻器母線欠壓擾動(dòng)，母線過壓擾動(dòng)，缺相，控制電壓擾動(dòng)，當(dāng)電壓晃動(dòng)變頻器報(bào)電壓故障停機(jī)時(shí)，防晃電裝置也通過檢測(cè)主回路及控制回路電源電壓而判斷系統(tǒng)是否出現(xiàn)電壓晃動(dòng)，且在母線及控制回路電壓恢復(fù)正常時(shí)立即發(fā)出干節(jié)點(diǎn)信號(hào)對(duì)變頻器進(jìn)行復(fù)位并再次啟動(dòng)。通過現(xiàn)場(chǎng)大量的試驗(yàn)證明，在此時(shí)間段內(nèi)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速下降能控制在10%的范圍內(nèi)。因而工藝所要求的流量、壓力等變化也將在10%的范圍內(nèi)，如此小的偏差大多數(shù)工藝裝置是允許的，從而保證了生產(chǎn)裝置的連續(xù)運(yùn)行。

2.3 電纜相間短路引起的晃電案例分析

事故現(xiàn)象：2019年3月13日，電儀車間為生活區(qū)10 kV2#電源電纜線路送電，開關(guān)合閘后，過流Ⅰ段保護(hù)瞬時(shí)動(dòng)作，同時(shí)系統(tǒng)晃電導(dǎo)致廠區(qū)內(nèi)數(shù)十臺(tái)低壓電動(dòng)機(jī)接觸器失壓釋放(包含氣化主要設(shè)備高壓煤漿泵)，工藝聯(lián)鎖使整個(gè)化工生產(chǎn)過程中斷。

事故分析：從故障錄波裝置截取波形，如圖1所示?？煽闯觯顓^(qū)10 kV電纜AC相短路，10 kV故障電流約7 600 A，故障持續(xù)時(shí)間180 ms左右，此時(shí)現(xiàn)場(chǎng)已有少量電動(dòng)機(jī)接觸器由于晃電導(dǎo)致線圈釋放。可見若有短路現(xiàn)象發(fā)生必然會(huì)引起系統(tǒng)晃電，只是晃電的嚴(yán)重程度不同而已。

圖1 錄波裝置所截取的波形

3 結(jié)語

在一般電氣設(shè)計(jì)中，解決晃電造成的影響并不在設(shè)計(jì)的范疇，也不是供電部門的義務(wù)，且國家業(yè)務(wù)也無相關(guān)強(qiáng)制標(biāo)準(zhǔn)?；坞姰a(chǎn)生的原因包括企業(yè)內(nèi)部原因、外部原因、自然原因等，造成的嚴(yán)重程度也各不相同。對(duì)于企業(yè)來說，如何在系統(tǒng)晃電時(shí)保證供電系統(tǒng)的正常平穩(wěn)、保證電氣設(shè)備連續(xù)運(yùn)行是必須要面對(duì)的問題。結(jié)合上述措施，可以看出防晃電裝置和無擾動(dòng)快切裝置組合在低壓供電系統(tǒng)中的應(yīng)用效果顯著，基本可以避免電力系統(tǒng)晃電時(shí)接觸器的釋放引起的裝置被迫停車現(xiàn)象。