现如今,在变配电系统中由于短路故障等引起的晃电现象频繁发生,已成为主要的电能质量问题,也是困扰系统正常运行的难题。发生晃电时,接触器、变频器等保护设备将无法正常工作,从而导致电动机停机、生产过程中断、数据丢失、槽罐内料浆堆积,若不能及时恢复,会给企业造成极大的经济损失。

1 晃电

1.1 晃电的定义

变配电系统在运行过程中,由于雷击、短路故障、电网电压大幅波动、大型设备起动等原因,会造成电压瞬间较大幅度降低或者短时断电又恢复,这种现象通常称为“晃电”。晃电主要包括以下几种情况:

(1)电压骤降、骤升,通常电压上升至标称电压的110%～180%或下降至标称电压的10%～90%,持续时间在0.5 个周波至1 min 之间。

(2)电压闪变。电压波形包络线呈规则的变化或电压幅值一系列的随机变化,一般表现为人眼对电压波动所引起的照明异常而产生的视觉感受。

(3)短时断电。持续时间在0.5 个周波至3 s的供电中断。

1.2 晃电的影响

(1)晃电对供电回路控制电器的影响。当电网出现晃电时,电动机接触器的电压低于其额定电压的50%,且持续时间超过20 ms 时,接触器将会断开;变频器的电压低于其额定电压的70%,且持续时间超过20 ms 时,变频器将会被切除。最终导致电机停机、生产过程中断。

(2)晃电对供电回路电机的影响。当电网出现晃电时,由于低电压,会导致电机过流,从而使电机热保护动作跳闸。最终导致电机停机、生产过程中断。

2 晃电技术分析

交流接触器晃电

接触器作为低压配电系统的重要控制开关器件,起到接通或断开带负载的交流主电路和控制电路的作用。在电网出现晃电时,因为电压瞬间的下降,甚至完全失压,低于接触器额定电压的50%,持续时间超过20 ms,此时电磁线圈会短暂释放磁吸力,使得接触器主触头断开。

用备自投和快切装置来实现接触器的防晃电在切换速度上也达不到防晃电的目的。现以额定控制电源电压为交流220 V 的接触器为例,它的吸合时间一般为12～35 ms,释放时间一般为4～20 ms。在晃电时,如果后备电源投入时间不能小于接触器的释放时间,那么即使后备电源已经投入,此时接触器已经释放,导致主回路已经失去电源。备自投和快切装置动作速度加上开关的动作速度都在50～500 ms 级别以上,均大于接触器的释放时间。

3 防晃电解决方案

接触器防晃电

通常电动机的控制回路电源,一种方式是取自主回路220 V 电源,另一种方式是取自UPS。接触器作为控制元件的同时,本身也是一个感性负载,合闸时冲击电流大,分闸时有操作过电压。接触器在合闸时,一般冲击电流大小是维持电流的5～7 倍,持续时间一般为10～40 ms。接触器在分闸时,由于触点断开感性线圈,形成频率很高的几千伏的顺变过压。因此,在接触器控制回路采用普通的UPS 作为防晃电解决方案时,接触器的合、分操作,对UPS形成的大电流冲击和过电压都会对UPS 的可靠性造成极大的挑战。一旦UPS 出现问题,会造成整个控制系统电源丢失。

本文介绍一种晃电时接触器保持不释放的解决方案。在控制系统中接入接触器防晃电装置(以下简称“TPM”),如图1 所示。未接入TPM时,利用就地手动操作和远方PLC 控制来使接触器得电失电,进而实现电机的启停。但发生晃电时,接触器无法保持吸合状态,电动机停机;接入TPM,将其1#、2#端子分别与接触器线圈的两端相接;13#、14#端子分别与L3 和N 相相接,用于采集母线电压;15#、16#端子分别与接触器开点和N 相相接,作为控制电源。

当外部跳闸时,电动机主回路断路器断开,15#、16#端子输出电流为0,13#、14#端子电压正常,装置判断为外部跳闸,1#、2#端子不输出直流保持电压,接触器瞬间释放;发生晃电时,15#、16#端子电流下降、13#、14#端子电压下降,装置判断为晃电发生,迅速切断接触器线圈的交流电源,将内部超级电容储能的直流电压经过自动控制方式输出到接触器线圈上,保持接触器可靠吸合不释放。在晃电过程结束,电压恢复正常后,TPM 关断内部直流电压输出,将交流电压切换到接触器线圈两端。TPM 切换速度快,保证接触器在释放前100%切换到直流状态,相比于传统的电池储能、高压电容储能中出现的储能容量低、工作温度范围小、放电循环能力弱、寿命低等问题,超级电容具有放电速度快、充电速度快、工作温度宽、放电循环次数多等优点。

4 结束语

氧化铝厂和电解铝厂对供电可靠性的要求非常高,由于变配电系统晃电的发生一般都是突发性的,同时也是无法避免的,如何在晃电的情况下尽量避免非计划停车,保证供电系统的安全可靠,是电气设计人员必须考虑的问题,需要引起重视。

而上海求所电子科技有限公司生产的智能防晃电接触器可以在晃电发生时，接触器主触头在预先设定好的延时时间范围内保持不脱扣，超出设定的延时时间立即脱扣。此防晃电接触器在电源正常状态下，控制模块处于储能状态，接触器的启动和停止与常规接触器一样，当有晃电发生使电压降到接触器的维持电压以下时，控制模块开始工作，以储能释放的形式保持接触器继续吸合，当电源电压恢复后，控制模块又继续转入储能状态。很适合氧化铝厂和电解铝厂这种对供电可靠性要求非常高的工况环境，帮助企业避免因为晃电造成的损失。