晃电时低压电动机连续运行的保障措施

任江涛，计鹏义

(1.彬县煤炭有限责任公司，陕西 咸阳 712000；2.陕西润中清洁能源有限公司，陕西 咸阳 713602)

0 引言

大型工矿企业中，像火电、化工、煤矿、钢铁企业等，其生产工艺及设备对供电质量要求很高，一、二级用电负荷较多，其中还包含一级负荷中特别重要的负荷，一般供电方式都采用双电源供电，并辅以保安电源，如自备柴油发电机、UPS等，以上供电方式在保证基本的安全用电情况下已经足够[1-3]。但对于某些重要工艺设备的电动机负荷，即使电压瞬间异常也会导致整个工艺装置停车，造成巨大损失。这里的电压异常是指双回路供电时其中某一段电源故障、失压、晃电等情况，其中由于晃电现象导致的电压瞬时中断、降低等造成的电动机停止运行，进而导致整个工艺装置停车的事故最为常见。

1 晃电产生的原因及影响

1.1 造成晃电的主要原因

雷击：雷击架空线或者电力设备导致的系统电压瞬间大幅度下降，此过程虽然时间毫秒级，但足以导致电压晃动[4-6]。

上级电网临时性故障：上级电网由于架空线路临时性故障导致的重合闸装置动作。保护装置由于故障跳闸后，重合闸立即动作并成功合闸。虽然保证了供电的连续性，但开关分合闸时间内显然已造成了电压的瞬时中断。

电力系统内部或外部短路故障：电力系统内部或外部发生单相对及相间短路故障时，在继电保护装置动作时限内和断路器固有分闸时间内，系统电压受短路电流的影响会产生短时的严重下降。需要注意的是，如果主保护采用差动保护，因其保护灵敏性很高，可以大大缩短保护范围内故障时的跳闸时间，从而大大减轻系统晃电的程度。

大容量电动机的启动：大容量电动机启动瞬间造成的系统电压降低，此现象在前期的工程设计中完全可以避免。

1.2 晃电造成的影响及待解决的保障措施

对接触器回路电动机的影响：低压电动机电气控制中以交流接触器为主，占据比例相当大。由于其自身工作特点，当电网出现晃电时，会造成其操作线圈短时断电或电压过低，导致线圈对铁芯的吸力小于释放弹簧的弹力，使接触器触头释放，进而导致电动机停止运行。根据不同品牌接触器的产品生产特性，一般情况下当系统电压低于标称电压80%时，且持续时间超过5个周波会导致接触器无法保持而释放，从而引起电动机停车。

对变频器拖动的电动机的影响：以变频器控制为主的低压电动机，由于变频器各种电压和电流保护比较完善，当变频器直流单元母线监测到系统电压下降到整定值及整定时间时，保护动作使驱动电路停止工作，电动机自由停车。

待解决的保障措施：基于此，探究系统电压异常时，保证以上2种控制方式下电动机连续运行的技术措施，从而减小企业生产成本，具有重要意义。目前工业领域电动机一般的控制方式分为常规接触器控制和变频器控制，这2类电器对于电压异常情况下的反应及灵敏度不在一个时间数量级上，故分别展开论述。

2 具体防晃电的技术措施及案例

目前行业内应用最广的有备用电源自动投入装置(备自投)、快速重合闸装置、备用电源快速切换装置(快切)和防晃电装置[7-9]。由于一般企业用户内部电缆线路较多，大多为永久性故障，一般不采用重合闸技术，故不再展开讨论。

防晃电装置是通过检测某台电动机回路主电路和控制回路电压作为系统电压晃动的依据，装置内用超级电容进行储能，超级电容具有充放电速度快，工作温度宽，充放电循环次数高等优点。在检测到系统晃电时，通过超级电容放电维持接触器线圈吸合，从而保证电动机连续运行，其维持时间可以自由设定，但应经严格计算和本企业电动机的重要程度综合确定，建议时间为1 s内。因为当时间设置过长电动机转速衰减较大，电压恢复正常时电动机自启动电流过大对系统造成严重冲击，或许造成更严重的事故。现阶段此产品生产厂家较多，技术较成熟，但在选择此产品时应深入研究，了解其内部充电电容及工作原理，确保产品自身的安全可靠。

快切装置以单母线分段接线方式为例，快切装置在检测到Ⅰ段进线失压时，同时装置经过内部电气量及逻辑判断动作出口跳开失压线路开关，合上母联开关以维持供电的连续性，快切装置和备自投原理大致相同，只是快切装置在切换过程中的时间相比备自投大大缩短。

2.1 接触器防晃电措施

单一快切装置及备自投装置的不足：目前市面上快切装置的切换时间(包括断路器分合闸时间)最少在50 ms以上，切换时间因为硬件的固有特性无法再缩短。而普通接触器线圈在晃电时间20 ms以上时，会导致线圈释放而主触头断开，使电动机失压停止运行。从大量实际运行情况看，即使在母线残压衰减较慢的理想情况下，快切装置也不能保证全部电动机不失压而连续运行。备自投装置由于其切换条件及判断逻辑导致其切换时间更长，更难满足连续供电的要求。

单一防晃电装置在接触器回路实际使用中的缺点：在单母线分段供电系统中(多数工矿企业采用此种运行方式)，由Ⅰ段母线供电的某台电动机在Ⅰ段电源进线故障跳闸时，在没有快切装置的快速切换时，Ⅰ段母线市电已经中断，防晃电装置即使能放电保持接触器的继续吸合也无法维持电动机的连续运行。

快切和防晃电装置的配合使用在接触器回路中的实际应用：基于以上几点，若要从根本上解决此类问题，可以将此2种产品合二为一或者使用快切和防晃电装置在技术上进行合理配合。实际应用中完全可以保证某些重要电动机的连续运行，具体逻辑为若系统晃电瞬间通过防晃电装置维持主要电动机接触器的连续供电，当Ⅰ段进线电源电压故障跳闸时，通过快切装置实现故障电源的隔离及Ⅱ段电源的快速切换，在快切装置切换的短时的失电过程，接触器由防晃电装置超级电容放电维持吸合。在快切装置切换完成后，防晃电装置检测到电源正常时切换为备用状态，为下一次晃电做好准备。从许多现场反馈来看，该措施是完全可行的。因此，通过无扰动快切装置和防晃电装置相互紧密配合而保证主要电动机接触器的连续供电，理论和实际都是可行的，可以从根本上保证重要工艺设备的连续性。

2.2 变频器晃电再启动技术的应用

变频器的特点：变频器对电压的变动极其敏感，系统中由于短时的过压、失压、瞬间晃电等都可能造成变频器整流装置部分直流报电压故障而停车。而一般在化工企业中，像化工企业液氧泵和高压煤浆泵等属于特别重要设备，短时停车会使整个工艺中断，损失巨大[10-12]。在实际工业应用中，采用UPS供电及给变频器加装直流支撑技术已很成熟，但价格昂贵，对企业来说成本过高，性价比有待考究。

变频器晃电再启动技术：再启动时间可以控制在5 s以内的任意时间，且此时间需电气和工艺人员进行设备实际带负荷试验，确定出最合适的保证连续生产的控制时间，即设定时间必须控制在工艺条件允许的最大时间内。若时间过长，工艺条件由于设备转速的下降会达到联锁动作值，此时再启动是毫无意义的。具体措施是在变频器回路加装防晃电检测模块，该模块可以全面监测变频器母线欠压扰动，母线过压扰动，缺相，控制电压扰动，当电压晃动变频器报电压故障停机时，防晃电装置也通过检测主回路及控制回路电源电压而判断系统是否出现电压晃动，且在母线及控制回路电压恢复正常时立即发出干节点信号对变频器进行复位并再次启动。通过现场大量的试验证明，在此时间段内电动机的转速下降能控制在10%的范围内。因而工艺所要求的流量、压力等变化也将在10%的范围内，如此小的偏差大多数工艺装置是允许的，从而保证了生产装置的连续运行。

2.3 电缆相间短路引起的晃电案例分析

事故现象：2019年3月13日，电仪车间为生活区10 kV2#电源电缆线路送电，开关合闸后，过流Ⅰ段保护瞬时动作，同时系统晃电导致厂区内数十台低压电动机接触器失压释放(包含气化主要设备高压煤浆泵)，工艺联锁使整个化工生产过程中断。

事故分析：从故障录波装置截取波形，如图1所示。可看出，生活区10 kV电缆AC相短路，10 kV故障电流约7 600 A，故障持续时间180 ms左右，此时现场已有少量电动机接触器由于晃电导致线圈释放。可见若有短路现象发生必然会引起系统晃电，只是晃电的严重程度不同而已。

图1 录波装置所截取的波形

3 结语

在一般电气设计中，解决晃电造成的影响并不在设计的范畴，也不是供电部门的义务，且国家业务也无相关强制标准。晃电产生的原因包括企业内部原因、外部原因、自然原因等，造成的严重程度也各不相同。对于企业来说，如何在系统晃电时保证供电系统的正常平稳、保证电气设备连续运行是必须要面对的问题。结合上述措施，可以看出防晃电装置和无扰动快切装置组合在低压供电系统中的应用效果显著，基本可以避免电力系统晃电时接触器的释放引起的装置被迫停车现象。