化工關(guān)鍵設(shè)備電壓暫降治理技術(shù)的研究與應(yīng)用

房曉鵬 邵瑞 周波

摘要：本文在闡述了電壓暫降對化工關(guān)鍵生產(chǎn)設(shè)備連續(xù)生產(chǎn)及安全的影響，通過研究，分析了化工關(guān)鍵設(shè)備受電壓暫降影響的原因。分析現(xiàn)場實際情況，給出了一個解決電壓暫降的電源快速切換方案，切換時間≤30ms，保證了化工關(guān)鍵設(shè)備的連續(xù)運行。

關(guān)鍵詞：化工關(guān)鍵設(shè)備、電壓暫降、快速切換、切換時間、30ms。

一、前言

化工企業(yè)自動化生產(chǎn)線上廣泛采用的伺服驅(qū)動、各類控制及通訊裝置等電力電子元器件，對電能質(zhì)量的要求越來越高，持續(xù)時間幾十毫秒的電壓瞬間跌落，就可導(dǎo)致敏感設(shè)備宕機，致使整個系統(tǒng)連鎖保護停車，導(dǎo)致連續(xù)生產(chǎn)過程紊亂。如操作不當還易造成設(shè)備損壞及人身傷亡的生產(chǎn)事故，且每次停、開車耗資巨大，電壓暫降已經(jīng)嚴重影響到化工生產(chǎn)的安全穩(wěn)定和經(jīng)濟運行。

統(tǒng)計表明，電壓暫降是目前最突出的電能質(zhì)量問題，因電能質(zhì)量問題導(dǎo)致工廠非計劃停產(chǎn)停機的事件中，90%是由于電壓暫降事件。

大中型企業(yè)，特別是連續(xù)生產(chǎn)作業(yè)型的企業(yè)，須配備完備的供電電源，多母線、多變壓器、多斷路器拓撲成復(fù)雜的供電系統(tǒng)。電壓級別多涉及到110KV、35KV、10（6）KV、400V。一般而言，把企業(yè)內(nèi)部的中低壓電網(wǎng)稱為內(nèi)網(wǎng)，企業(yè)外部的供電電網(wǎng)稱為外網(wǎng)。

在外網(wǎng)發(fā)生短路和企業(yè)內(nèi)網(wǎng)任何一個支路出現(xiàn)短路都會造成整個系統(tǒng)的電壓跌落，而且發(fā)生短路的支路電壓等級越高，影響面越大，跌落值也越大。短路發(fā)生后，該支路的保護裝置將動作使斷路器跳閘切除故障支路。從短路發(fā)生到故障切除的這段時間，系統(tǒng)電壓經(jīng)歷從跌落到恢復(fù)的過程，被稱為“電壓暫降”，一般暫降時間70～110ms。常常會導(dǎo)致企業(yè)的設(shè)備停運、生產(chǎn)流程中斷。

二、電壓暫降對各電氣設(shè)備的影響

2.1 電壓暫降對繼電器影響

一般繼電器線圈電壓低于額定電壓的50%時間超過1～2個周波就會釋放，因此對于有電壓暫降發(fā)生的場合，特別是控制敏感型負載的繼電器，必須考慮保證繼電器不能長久欠壓。為了避免此類事故的發(fā)生，業(yè)內(nèi)有些方案把繼電器用永磁鐵維持，使得該繼電器不依賴外電壓繼續(xù)吸合。雖然一定程度上對電壓的短時間電壓暫降起了防護作用，但此舉無疑更改了繼電器原設(shè)計的作用，留下了其他事故隱患。

2.2電壓暫降對電動機影響

工業(yè)中所用的電動機大多是異步電動機。異步電機運行時必須輸入感性無功功率，也就是說其勵磁電流必須從系統(tǒng)供給，以維持旋轉(zhuǎn)磁場。當系統(tǒng)短路引起的晃電發(fā)生后，系統(tǒng)不再給異步電動機提供勵磁電流，此時異步電動機變成異步發(fā)電機，原有的磁場在旋轉(zhuǎn)中切割定子，產(chǎn)生的定子電壓對外部短路點提供短路電流。從定子側(cè)看，此時電機等效出一個短路時間常數(shù)，該常數(shù)對3MW以下的電機而言一般為30ms左右，則100ms左右原有系統(tǒng)提供的磁場能量即可消耗完畢。

電壓暫降結(jié)束后，系統(tǒng)電壓恢復(fù)時加到電機定子上的電壓將重新建立異步機內(nèi)部的旋轉(zhuǎn)磁場，此時電網(wǎng)對異步機產(chǎn)生的電流將是一個6-7倍于其額定電流的沖擊電流，即數(shù)字上等于其啟動電流，沖擊時間也約為100ms左右，即磁場建立和磁場衰減的時間。該沖擊電流可能會造成電機的微機保護動作，如果是大量電機一起啟動，過大的沖擊電流會造成線路主開關(guān)過流跳閘，嚴重情況下會因電機群瞬間吸收過多無功而使電網(wǎng)電壓長時間過低。

因此如果能在100ms之前，特別是盡量短的時間內(nèi)恢復(fù)電機的定子電壓，例如如果能在30ms以內(nèi)恢復(fù)電機的供電，則電機此時衰減剩余的電壓和磁場能量尚在40%以上，由于時間較短，此時產(chǎn)生的沖擊電流為額定電流的2倍左右，對系統(tǒng)的沖擊小。

2.3電壓暫降對變頻器影響

常用的變頻器大都采用交-直-交電壓型變頻方式。在外電壓不能充電時，其內(nèi)部電容的電壓降落是典型的指數(shù)函數(shù)：，其中的， Pn是電機的輸出功率，C是電容值。如果直流母線的脈動電壓的波紋系數(shù)是5%（電壓從最大值到最小值的降落不超過5%），則τ=42.5ms。

當電網(wǎng)出現(xiàn)電壓暫降時，直流母線電壓高于交流側(cè)電壓，此時二極管受到反向電壓而不導(dǎo)通，交流側(cè)不能向直流側(cè)提供能量。此時電容C上存儲的電場能量維持著向電機的運行，能量的輸出導(dǎo)致電容上的電壓下降，且在42.5ms時電壓降到的36%左右。在電壓凹陷結(jié)束的時刻，交流電壓突然恢復(fù)，通過整流線路重新在直流母線上產(chǎn)生陡升電壓，它的幅值基本上是，與電容上的當時殘存的電壓U之間會出現(xiàn)一個電壓差。恢復(fù)的時刻越遲，U 就越大，電容和整流二極管上產(chǎn)生的電流沖擊就越大，嚴重時會損壞電容和整流二極管。

為了防止此類損害，變頻器中設(shè)計了保護功能，即當直流電壓下降到U0的70%（部分廠家）時，立即封鎖變頻器的觸發(fā)脈沖，使電容器不再繼續(xù)向電機提供能量，把殘存的電壓保持在0.7 倍的U0。

同時變頻器一般可以設(shè)置100ms內(nèi)瞬時電壓暫降時間，此情況下可以高壓飛車啟動。保證連續(xù)供電。

三、現(xiàn)有防電壓暫降方法及問題

3.1 防電壓暫降交流接觸器

防電壓暫降交流接觸器是針對普通接觸器在電壓暫降時自動釋放的特點而改進的。簡單的如節(jié)能型交流接觸器，其邏輯是降低接觸器釋放電壓的門檻值。當電壓暫降發(fā)生、電壓跌至接觸器的維持電壓以下時，模塊以儲能釋放的方式保持接觸器繼續(xù)吸合，當電壓恢復(fù)后又繼續(xù)儲能。此類接觸器對雷電、短時重合閘造成的瞬間電壓暫降起了較好的作用，但是對永久性短路故障或者時間稍長的、其他原因造成的電壓暫降或失電顯然是無法發(fā)揮作用的，因為其本質(zhì)不具備備用電源投入功能，當負荷電源必須切換時，任何以防瞬時抖動為目的的方法措施都是無能為力的。

3.2 不間斷電源（UPS）

目前業(yè)內(nèi)采用UPS預(yù)防電壓暫降的做法有2種：其一是簡單小功率的UPS只給二次元件如接觸器的控制回路供電，這種方法與前所述的方法本質(zhì)是一樣的，功能結(jié)果也相同。其二是對主回路的設(shè)備，包括變頻器和電動機實現(xiàn)電網(wǎng)與UPS的不間斷切換，這種方法的成本代價極高，即使短時間的主回路供電，其成本也是不可想象的。而且這種方法短時之后，也必須依靠備自投的功能切換到電網(wǎng)備用電源。

3.3已有的快速切換裝置存在的問題

根據(jù)電壓暫降的需求，以及上述多種措施的不足，已經(jīng)有企業(yè)意識到了實現(xiàn)快速切換裝置的必要性，并提出了快速切換、首次同相切換、剩余電壓切換、延時切換等多種方式。但是分析則可發(fā)現(xiàn)這些‘快速切換裝置立足的基礎(chǔ)都是存在不足的。

① 某些快切裝置使用的是常規(guī)的斷路器，卻認為斷路器合閘的時間在數(shù)毫秒內(nèi)完成，完全脫離了現(xiàn)實。

② 由于斷路器的固有時間和離散度，無法捕捉特定時刻進行分合閘的操作。

③ 這些設(shè)備和其多種切換方式，混淆了短路和開路，認為短路狀態(tài)下十多個周波后仍然有較強的電壓。

④ 由于一路負載側(cè)發(fā)生故障，故障未排除就切換導(dǎo)致另外一路電源也發(fā)生跳閘事故，導(dǎo)致全廠停電。

四、方案的提出和實施

4.1方案提出與實施

經(jīng)過大量的試驗和計算總結(jié)如下：

★ 開關(guān)電源、交流接觸器、低壓繼電器可容忍電壓暫降的時間一般為20～30ms。

★ 電磁閥可容忍電壓暫降的時間不大于40ms。

★ 電動機群可容忍電壓暫降的時間不大于30ms。

當前對電壓暫降和失電的方法存在的問題，主要還是斷路器的固有動作時間在40ms以上，不能滿足變頻器、電機和開關(guān)電源等的要求;

綜合前面所述，開關(guān)分閘與合閘動作的快慢，是電壓暫降和失電現(xiàn)象的根本，也是解決危害的根本。

根據(jù)現(xiàn)場實際情況及上述情況分析決定采用新型無擾動切換裝置進行故障快切。新型無擾動切換裝置主要由執(zhí)行部件電源進線快速斷路器K1和電源進線快速斷路器K2、快速控制器以及電流電壓信號采集器組成。快速控制器應(yīng)用獨特的瞬態(tài)算法，能在2ms內(nèi)對電壓和電流的突變做出即使判斷，分析內(nèi)網(wǎng)和外網(wǎng)故障狀況，并發(fā)出相應(yīng)的控制指令。快速斷路器采用快速渦流驅(qū)動開關(guān)，其合閘時間可以做到10ms左右，分閘時間可以控制在5ms以內(nèi)，開斷能力不小于40KA。采用快速識別技術(shù)的微機綜合控制器的快速過流保護，可以在發(fā)生短路故障后的2ms左右識別出短路電流的幅值并預(yù)測出過零點，從而在電流的第一次過零點完成開斷。

4.2 實施效果

整體切換時間（快速控制器+真空斷路器總共時間）：當外網(wǎng)失電或短路時，快切動作，控制器發(fā)出：主快速開關(guān)K1分閘，備用快速開關(guān)K2合閘指令，實現(xiàn)電源切換，整體切換過程投入時間≤30ms。其中控制器判斷時間≤10ms;執(zhí)行部件快速真空斷路器分閘時間≤5ms，合閘時間≤12ms。極短的時間內(nèi)切斷故障線路，躲過各電氣敏感元件的電壓暫降忍受時間，實現(xiàn)關(guān)鍵設(shè)備在外網(wǎng)故障時連續(xù)運行。

五、參考文獻

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