楊 畢

(東北大學(xué)設(shè)計(jì)研究院(有限公司),遼寧 沈陽(yáng) 110166)

1 晃電

1.1 晃電的定義

變配電系統(tǒng)在運(yùn)行過(guò)程中,由于雷擊、短路故障、電網(wǎng)電壓大幅波動(dòng)、大型設(shè)備起動(dòng)等原因,會(huì)造成電壓瞬間較大幅度降低或者短時(shí)斷電又恢復(fù),這種現(xiàn)象通常稱為“晃電”。晃電主要包括以下幾種情況:

(1)電壓驟降、驟升,通常電壓上升至標(biāo)稱電壓的110%～180%或下降至標(biāo)稱電壓的10%～90%,持續(xù)時(shí)間在0.5 個(gè)周波至1 min 之間。

(2)電壓閃變。電壓波形包絡(luò)線呈規(guī)則的變化或電壓幅值一系列的隨機(jī)變化,一般表現(xiàn)為人眼對(duì)電壓波動(dòng)所引起的照明異常而產(chǎn)生的視覺感受。

(3)短時(shí)斷電。持續(xù)時(shí)間在0.5 個(gè)周波至3 s的供電中斷[1]。

1.2 晃電的影響

(1)晃電對(duì)供電回路控制電器的影響。當(dāng)電網(wǎng)出現(xiàn)晃電時(shí),電動(dòng)機(jī)接觸器的電壓低于其額定電壓的50%,且持續(xù)時(shí)間超過(guò)20 ms 時(shí),接觸器將會(huì)斷開;變頻器的電壓低于其額定電壓的70%,且持續(xù)時(shí)間超過(guò)20 ms 時(shí),變頻器將會(huì)被切除。最終導(dǎo)致電機(jī)停機(jī)、生產(chǎn)過(guò)程中斷。

(2)晃電對(duì)供電回路電機(jī)的影響。當(dāng)電網(wǎng)出現(xiàn)晃電時(shí),由于低電壓,會(huì)導(dǎo)致電機(jī)過(guò)流,從而使電機(jī)熱保護(hù)動(dòng)作跳閘。最終導(dǎo)致電機(jī)停機(jī)、生產(chǎn)過(guò)程中斷。

2 晃電技術(shù)分析

2.1 交流接觸器晃電

接觸器作為低壓配電系統(tǒng)的重要控制開關(guān)器件,起到接通或斷開帶負(fù)載的交流主電路和控制電路的作用。在電網(wǎng)出現(xiàn)晃電時(shí),因?yàn)殡妷核查g的下降,甚至完全失壓,低于接觸器額定電壓的50%,持續(xù)時(shí)間超過(guò)20 ms,此時(shí)電磁線圈會(huì)短暫釋放磁吸力,使得接觸器主觸頭斷開[2]。

用備自投和快切裝置來(lái)實(shí)現(xiàn)接觸器的防晃電在切換速度上也達(dá)不到防晃電的目的?，F(xiàn)以額定控制電源電壓為交流220 V 的接觸器為例,它的吸合時(shí)間一般為12～35 ms,釋放時(shí)間一般為4～20 ms。在晃電時(shí),如果后備電源投入時(shí)間不能小于接觸器的釋放時(shí)間,那么即使后備電源已經(jīng)投入,此時(shí)接觸器已經(jīng)釋放,導(dǎo)致主回路已經(jīng)失去電源。備自投和快切裝置動(dòng)作速度加上開關(guān)的動(dòng)作速度都在50～500 ms 級(jí)別以上,均大于接觸器的釋放時(shí)間。

2.2 低壓變頻器晃電

在氧化鋁廠和電解鋁廠等連續(xù)生產(chǎn)企業(yè)中,生產(chǎn)流程中對(duì)于電動(dòng)機(jī)調(diào)速的要求越來(lái)越高,需要配置大量的低壓變頻器。變頻器靠?jī)?nèi)部IGBT 的開斷來(lái)調(diào)整輸出電源的電壓和頻率,根據(jù)電機(jī)的實(shí)際需要來(lái)提供其所需要的電源電壓,進(jìn)而達(dá)到節(jié)能、調(diào)速的目的,另外,變頻器還有很多的保護(hù)功能,如過(guò)流、過(guò)壓、過(guò)載保護(hù)等等。

但是,變頻器給控制領(lǐng)域帶來(lái)便利化的同時(shí),也帶來(lái)了各種困擾。低壓變頻器對(duì)電壓波動(dòng)的敏感度非常高。變頻器廣泛采用交-直-交的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu),且具備直流母線欠壓保護(hù)功能。在電網(wǎng)出現(xiàn)晃電時(shí),若低壓變頻器的輸入電壓降低30%,變頻器就會(huì)通過(guò)內(nèi)部判斷直流電壓大小,進(jìn)而觸發(fā)直流母線欠壓保護(hù)功能[3],導(dǎo)致變頻器出現(xiàn)非正常停車現(xiàn)象。

3 防晃電解決方案

3.1 接觸器防晃電

通常電動(dòng)機(jī)的控制回路電源,一種方式是取自主回路220 V 電源,另一種方式是取自UPS。接觸器作為控制元件的同時(shí),本身也是一個(gè)感性負(fù)載,合閘時(shí)沖擊電流大,分閘時(shí)有操作過(guò)電壓。接觸器在合閘時(shí),一般沖擊電流大小是維持電流的5～7 倍,持續(xù)時(shí)間一般為10～40 ms。接觸器在分閘時(shí),由于觸點(diǎn)斷開感性線圈,形成頻率很高的幾千伏的順變過(guò)壓。因此,在接觸器控制回路采用普通的UPS 作為防晃電解決方案時(shí),接觸器的合、分操作,對(duì)UPS形成的大電流沖擊和過(guò)電壓都會(huì)對(duì)UPS 的可靠性造成極大的挑戰(zhàn)。一旦UPS 出現(xiàn)問題,會(huì)造成整個(gè)控制系統(tǒng)電源丟失。

本文介紹一種晃電時(shí)接觸器保持不釋放的解決方案。在控制系統(tǒng)中接入接觸器防晃電裝置(以下簡(jiǎn)稱“KHD”),如圖1 所示。未接入KHD 時(shí),利用就地手動(dòng)操作和遠(yuǎn)方PLC 控制來(lái)使接觸器得電失電,進(jìn)而實(shí)現(xiàn)電機(jī)的啟停。但發(fā)生晃電時(shí),接觸器無(wú)法保持吸合狀態(tài),電動(dòng)機(jī)停機(jī);接入KHD,將其1#、2#端子分別與接觸器線圈的兩端相接;13#、14#端子分別與L3 和N 相相接,用于采集母線電壓;15#、16#端子分別與接觸器開點(diǎn)和N 相相接,作為控制電源。

圖1 接觸器防晃電方案

當(dāng)外部跳閘時(shí),電動(dòng)機(jī)主回路斷路器斷開,15#、16#端子輸出電流為0,13#、14#端子電壓正常,裝置判斷為外部跳閘,1#、2#端子不輸出直流保持電壓,接觸器瞬間釋放;發(fā)生晃電時(shí),15#、16#端子電流下降、13#、14#端子電壓下降,裝置判斷為晃電發(fā)生,迅速切斷接觸器線圈的交流電源,將內(nèi)部超級(jí)電容儲(chǔ)能的直流電壓經(jīng)過(guò)自動(dòng)控制方式輸出到接觸器線圈上,保持接觸器可靠吸合不釋放。在晃電過(guò)程結(jié)束,電壓恢復(fù)正常后,KHD 關(guān)斷內(nèi)部直流電壓輸出,將交流電壓切換到接觸器線圈兩端。KHD 切換速度快,保證接觸器在釋放前100%切換到直流狀態(tài),相比于傳統(tǒng)的電池儲(chǔ)能、高壓電容儲(chǔ)能中出現(xiàn)的儲(chǔ)能容量低、工作溫度范圍小、放電循環(huán)能力弱、壽命低等問題,超級(jí)電容具有放電速度快、充電速度快、工作溫度寬、放電循環(huán)次數(shù)多等優(yōu)點(diǎn)。

3.2 變頻器防晃電

目前,低壓變頻器的防晃電主要有變頻器失壓自復(fù)位、變頻器動(dòng)能緩沖、直流支撐和變頻器再起幾種方案。采用變頻器失壓自復(fù)位功能,需要在晃電時(shí)保證變頻器起動(dòng)信號(hào)不丟失,在采用交流控制的回路中很難實(shí)現(xiàn)[4];變頻器在發(fā)生電壓瞬間降低時(shí),可以通過(guò)變頻器的動(dòng)能緩沖功能,將負(fù)載電機(jī)中的動(dòng)能反饋到變頻器的直流母線,起到一定的彌補(bǔ)直流電壓降低功能。但缺點(diǎn)是抗擊低電壓的時(shí)間短,只起到抗擊瞬間電壓降低能力,同時(shí)和負(fù)載特性有很大關(guān)聯(lián),有局限性;直流支撐方案由于需要采用蓄電池提供的后備電能,占地和投資較大。綜上所述,變頻器失壓自復(fù)位、變頻器動(dòng)能緩沖、直流支撐并不適用于氧化鋁廠和電解鋁廠的變頻器防晃電。

本文介紹一種晃電時(shí)低壓變頻器再起動(dòng)的解決方案。在控制系統(tǒng)中接入變頻器防晃電裝置(以下簡(jiǎn)稱“VDP”),如圖2 所示。未接入VDP 時(shí),利用中間繼電器接點(diǎn)作為變頻器起動(dòng)信號(hào)輸入,實(shí)現(xiàn)電機(jī)的變頻起動(dòng)。但發(fā)生晃電時(shí),電壓跌落引起中間繼電器釋放,起動(dòng)信號(hào)輸入丟失,變頻器停機(jī)。接入VDP,將其1#～3#端子分別接至三相母線處,用于采集母線電壓;15#、16#端子分別接至L11、N 相,用于采集控制電壓;4#、5#端子接至變頻器起動(dòng)信號(hào)繼電器常開接點(diǎn)兩端,作為再起動(dòng)變頻器信號(hào);6#、7#端子接至變頻器可編程的DI 端口,定義為復(fù)歸變頻。10#～12#端子分別接入運(yùn)行、故障等輸入信號(hào)。

圖2 變頻器防晃電方案

若控制電壓發(fā)生擾動(dòng),會(huì)導(dǎo)致KA1 斷開,由于KA1 常開接點(diǎn)同時(shí)接至變頻器DI 端口作為起動(dòng)信號(hào),會(huì)導(dǎo)致變頻器停機(jī)。此時(shí)VDP 會(huì)通過(guò)15#、16#端子檢測(cè)到控制電壓擾動(dòng),并通過(guò)接至VDP 輸入端的KA1 常開點(diǎn)判斷變頻器啟停狀態(tài)。若變頻器停機(jī)且電壓在設(shè)定的時(shí)間內(nèi)恢復(fù),VDP 會(huì)通過(guò)4#、5#端子輸出再起動(dòng)變頻器的脈沖信號(hào),從而起動(dòng)變頻器。

若母線電壓發(fā)生擾動(dòng),變頻器本身會(huì)檢測(cè)到電壓的不穩(wěn)定,并會(huì)報(bào)故障,使控制主回路中的常閉點(diǎn)斷開,KA1 線圈失電,KA1 接點(diǎn)斷開,變頻器停機(jī)。此時(shí)由于變頻器大多具有母線電壓跳閘故障鎖定功能,在故障狀態(tài)下無(wú)法再起動(dòng)變頻器,必須通過(guò)6#、7#端子分別接至變頻器可編程的DI 端口和+24 V公共端,復(fù)歸變頻器故障后,才能順利起動(dòng)變頻器。

裝置內(nèi)部還使用超級(jí)電容儲(chǔ)能,并對(duì)超級(jí)電容組儲(chǔ)能電壓進(jìn)行測(cè)量,以監(jiān)視超級(jí)電容組的儲(chǔ)能狀態(tài)。當(dāng)發(fā)生短時(shí)電壓跌落,控制電源消失(即裝置電源消失)時(shí),裝置由超級(jí)電容組經(jīng)過(guò)DC-DC 電源模塊繼續(xù)為裝置供電,保證裝置能繼續(xù)監(jiān)測(cè)母線及控制電壓,并在電壓恢復(fù)時(shí)可靠動(dòng)作,該超級(jí)電容組能保證裝置電源消失后能穩(wěn)定工作60 s 左右。

4 結(jié)束語(yǔ)

氧化鋁廠和電解鋁廠對(duì)供電可靠性的要求非常高,由于變配電系統(tǒng)晃電的發(fā)生一般都是突發(fā)性的,同時(shí)也是無(wú)法避免的,如何在晃電的情況下盡量避免非計(jì)劃停車,保證供電系統(tǒng)的安全可靠,是電氣設(shè)計(jì)人員必須考慮的問題,需要引起重視。希望本文對(duì)電氣設(shè)計(jì)人員的設(shè)計(jì)工作具有借鑒和指導(dǎo)意義。