晃电的危害及抗晃电的技术措施

晃电是指因雷击、短路或其他原因造成的电网短时电压波动或短时断电的现象。供电系统产生晃电的基本类型有:电压骤降、骤升、短时断电、电压闪变。本期专题首先介绍晃电所带来的危害,随后详细介绍抗晃电可以采取的技术手段。

晃电的概念

       电力系统在运行过程中,由于外部线路受到雷击、瞬时短路等故障造成企业内部电网相邻线路短路故障、大型电动机起动等原因,会造成电压瞬间较大幅度波动后恢复,这种现象通常称为“晃电”。

        晃电一般有以下几种情况:

        1)电压骤降、骤升。持续时间0.5个周期至1min,电压上升至标称电压的110%~180%,或下降至标称电压的10%~90%。

        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个周期至3s的供电中断。

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晃电发生时的电压波形图

晃电晃电的危害

 晃电造成的危害主要包括以下几种。

        1)由于晃电造成电压降低,运行的电机在保证相同出力的条件下,电流随之增大,容易引起电机绕组过热,空气开关、接触器触头发热等,从而引发设备故障。

2)在使用变频器控制的场合,由于一般的变频器都具有过压、失压和瞬间停电的保护功能,在电源晃电较为强烈时,有可能使变频器来低电压保护停止运行。

3)晃电发生时,由于电压的降低,可能会使接触器线圈对铁芯的吸力小于释放弹簧的弹力使接触器释放,从而造成大量电动机的跳闸,严重威胁装置安全生产。

4)由于现代化工矿企业生产装置的规模越来越大,晃电持续时间虽然比较短,但对生产的影响却十分巨大。瞬间的电压波动将造成大量电动机跳闸,设备停机。电网电压恢复后电机不能自行恢复运行,导致连续生产过程紊乱,并有可能造成生产及设备事故。对于大型装置来说,如果人工进行恢复,花费的时间比较长,而对于一些无人值守的装置,恢复的时间就更长。这对于石油、化工等连续生产装置来说,产生的诸如安全、环保、废品、原料浪费、产量降低、效益低下等一系列损失是非常巨大的。

抗晃电参数计算

(1)晃电电压(80%Ue,176V)

装置的低压电动机都是由变电所开关柜内的接触器控制,每台电机的控制回路电源都是取自本柜的电源。对于交流接触器,当电源电压低于接触器线圈额定电压的50%,时间超过1个周期(0.02s)时接触器释放;当电源电压低于80%,持续5个周期(0.1s)时接触器释放。晃电发生时,电源电压值在一瞬间(大于接触器的释放时间)降到低于接触器线圈的吸合电压,使接触器的主触头释放,同时控制回路中的自保持触点释放,造成电动机停机甩负荷。

(2)恢复电压(90%Ue,198V)

电动机起动时,其端子电压应能保证所拖动的机械(负载)要求的起动转矩,且在配电系统中引起的电压波动不应妨碍其他用电设备的工作。为此,交流电动机起动时,配电母线上的电压应符合下列要求。

1)在一般情况下,电动机频繁起动时不应低于系统标称电压的90%,电动机不频繁起动时,不宜低于标称电压的85%。

2)配电母线上未接照明或其他对电压下降较敏感的负荷且电动机不频繁起动时,不应低于标称电压的80%。

3)配电母线上未接其他用电设备时,可按保证电动机起动转矩的条件决定;对于低压电动机,还应保证接触器线圈的电压不低于释放电压。

(3)电机起动批次的确定和校核

根据电机再起动时电流模型数据分析:当电网晃电的时间在0.5s以内时,电机立即再起动的电流是额定电流的3倍左右,也即是电机在零转速起动时起动电流的一半左右。一般电网晃电的时间都比较短,通常是在100ms以下,电机立即再起动的电流倍数更低,约为额定电流的2~3倍左右,可取2.5倍计算。因此,从概念上认为电网允许可以再起动的电动机容量比零转速再起动的电动机容量大,但实际上都是按零转速再起动的电动机容量来进行核算。

生产装置按重要程度提出需要再起动的电机位号后,我们要核算变压器允许最大起动容量。如在再起动允许容量范围内的,可以设置一批起动。如不在此范围,可以分两批、三批等,每批间隔时间可设0.5s或1s。正常生产时一台变压器是带一段低压母线运行的,但是也要考虑一台变压器带两段低压母线运行的工况。

 (4)允许失电时间

 装置的重要电机如果失电的时间过长,就算电机再起动成功,但装置已联锁停车,所以目前设定的允许失电时间一般都设为10s,根据历年发生晃电的数据进行分析,电网发生单次晃电的时间都较短。

抗晃电技术介绍

(一)MRR继电器

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 ▲MRR继电器

(1)基本原理

 电机在运行状态下,当系统电压低于跌落电压设定值,接触器释放,电机跳停,系统电压在设定的允许失电时间内恢复至电压设定值,继电器将在设定的延时再起动时间后动作,接触器吸合,电机再起动。如果电网电压没有在允许的时间内恢复正常,则继电器闭锁程序,不再起动电机。

(2)典型接线图

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                           ▲MRR继电器接线图

 说明:MRR继电器是通过5脚和6脚之间的压差来判断电机是在运行还是停机的;2脚和8脚既是工作电源,又监测电网电压。

(3)优缺点分析

  优点:MRR继电器是专门为解决电网发生晃电而研制的,保证设定参数掉电不丢失,具有可靠性高、体积小、安装方便、接线简单等优点,可直接安装于现场低压开关柜内,且MRR继电器无用户维护的部件,如电池等。最重要的是MRR继电器本身故障时不影响设备正常运行。

 缺点:有电机运行信号参与工艺联锁的,容易因运行信号消失触发联锁,无法实现再起动功能,还有就是无法记录发生再起动的次数和时间等。

(4)参数含义

 A:允许失电时间;

 b:延时再起动时间;

UF:晃电电压值,即低电压设定值,一般设为176V;

UC:显示的实际电压值,即控制回路的电压。

(二)AIX-3B继电器

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                              ▲AIX-3B继电器

(1)基本原理

 电机在运行状态下,当系统电压低于跌落电压设定值,接触器释放,电机跳停,AIX继电器的辅助输出接点(3,4)仍然闭合,直到超过设定的时间后该辅助接点才释放,避免因电机运行状态的改变引起DCS联锁动作;当系统电压在设定的允许失电时间内恢复至电压设定值,AIX继电器将在延时启动时间设定值后动作,接触器吸合,电机再起动。如果电网电压没有在允许的时间内恢复正常,则AIX继电器闭锁程序,不再起动设备。电机正常运行情况下,AIX继电器的辅助输出接点(3,4)和接触器的常开辅助触点是同步的,即电机正常停机的时候,AIX继电器的辅助触点(3,4)也是瞬时断开的,并不会延迟释放。

(2)典型接线图(AIX-3B-12T)

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                   ▲AIX-3B-12T继电器接线图

(3)优缺点分析

 优点:AIX继电器也是专门为解决电网发生晃电而研制的,保证设定参数掉电不丢失,并可查看电机累计运行时间和再起动次数,具有可靠性高、体积小、安装方便、接线简单等优点,可直接安装于现场低压开关柜内,且AIX继电器无用户维护的部件,如电池等。继电器本身故障时不影响设备正常运行。如果电机的运行状态信号参与到DCS的联锁,则可把AIX继电器的辅助输出接点(3,4)和接触器的常开触点并联后引至DCS,发生晃电且停机后,AIX继电器的辅助输出接点(3,4)仍然闭合,直到允许时间(此时间可以设定)超过后该接点释放,避免因电机发生晃电时运行状态的改变而引起DCS联锁动作。

 缺点:暂无。

(4)AIX-3B-12T和AIX-3B-14T的区别

 AIX-3B-12T是通过判断5脚和6脚的压降来判断电机是在运行状态还是在停机状态的,而AIX-3B-14T是通过把电机主回路接触器的常开辅助触点引入到AIX的1脚和11脚来判断电机运行状态的。

(5)主要参数含义

UF:低电压值,一般为176V;

UH:恢复电压值,一般为198V;

DA:主继电器延迟闭合时间1;

DA1:主继电器延迟闭合时间2;

DB:辅继电器延迟闭合时间1;

DB1:辅继电器延迟闭合时间2;

AF:低电压允许时间1;

AF1:低电压允许时间2;

AS:辅继电器工作模式(默认为DCS),辅助触点类型选择(默认为NO)。

(三)微机电动机保护监控装置

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            ▲LM-512微机电动机保护监控装置

(1)基本原理

 微机电动机保护监控装置在正常运行时实时监测电网电压和电机的运行状态,当系统电压低于跌落电压设定值,接触器释放,电机跳停。系统电压在设定的允许失电时间内恢复至电压设定值,装置输出再起动指令,如电网晃电的时间超过设定的允许值,则不再发出再起动指令。

(2)典型接线图

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            ▲微机电动机保护监控装置接线图

(3)优缺点分析

优点:  微机电动机保护监控装置可记录发生的再起动,再起动功能比较可靠,原有的电机增加再起动功能不需要复杂的接线。

缺点:由于微机电动机保护监控装置要采集系统电压来判断是否晃电,所以其再起动试验时稍微复杂一点。

(4)参数含义(华建LM512 V5.0版本)

Ure:恢复电压值;

Udr:低电压值;

trim:立即再起动最大失电时间;

trm:延时再起动最大失电时间;

trst:延时再起动时间;

Δt:延时再起动有效时差。

(四)分批再起动装置

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             ▲FZQD-Ⅲ型电机分批再起动装置

(1)基本原理

分批再起动装置在正常运行时实时监测电网电压和电机的运行状态,当系统电压低于跌落电压设定值,接触器释放,电机跳停,系统电压在设定的允许失电时间内恢复至电压设定值,分批再起动装置按预先设定的次序分批再起动电机,从而保证生产过程的连续进行。如电网晃电的时间超过设定的允许值,则不再发出再起动的指令。因为这是电机再起动已没有什么意义,甚至会引起次生事故。电机状态检测和自起动信号的发出采用同一条两芯电流,只需并接在接触器自保持节点的两端,接线简单,工作可靠。

(2)典型接线图

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 ▲FZQD-Ⅲ型装置与现场的接线简图

(3)优缺点分析

优点:电机在晃电情况下能按照参数的设置进行分批再起动;装置可记录历史发生的晃电时间及电机的累计运行时间,显示电机的运行状态。再起动电机批次可在1~16内任意整定,每批再起动的电机数目可在1~96内任意整定。首批再起动的时间可在0~25.5s范围内任意整定,整定级差0.1s。每批再起动的时间间隔可在0~25.5s范围内任意整定,整定级差0.1s。当实际电压高于快速再起动电压设定值时,再起动时间自动缩短一半。

 缺点:再起动柜动作后,只能在事件显示屏中找到装置是否有动作的记录,无法查找出有多少台,是哪些电机进行了再起动。这些需要通过后台通信上传截图才能做进一步的分析。难以完成设备试验,且装置出现故障时影响面大。

(4)参数含义

Vs:低电压值,当母线电压低于该值时,装置判断为晃电;

Vh:恢复电压值,当母线电压恢复到高于该值时,装置允许再起动;

Vf:快速再起动电压值,当母线电压恢复到高于该值时,装置自动缩短一半再起动时间;

Tmax:晃电允许时间,当晃电时间超过该值时装置闭锁,不再发出再起动信号。

(五)控制电源改UPS电源

(1)基本原理

在低压配电柜里构建独立的控制电源配电系统,由UPS给电机控制回路提供电源。在系统发生短时的晃电时,接触器的线圈能够依靠UPS提供的可靠电源正常工作,保持主触头的吸合,避免了由于晃电引起的电机停机甩负荷事故。

(2)优缺点分析

优点:可以解决有电机运行信号参与工艺联锁,需要0s起动的电机防晃电问题,且结构简单,抽屉里的二次控制回路改造简单。由于UPS可支持冗余技术,即用多台UPS给共同的负载供电,可以保证系统更高可靠性的要求。应用范围广,不仅可以应用在电机控制回路上,对于变频器等设备的控制回路也可以应用。

缺点:UPS价格贵、成本高、维护工作量大;只适用于有工艺联锁停机的电机控制回路,当UPS总输出有故障时将影响全部改UPS电源的电机。

(六)FS接触器

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                           ▲FS接触器

(1)基本原理

FS接触器在电源正常状态下,接触器的起动和停止与常规接触器一样,FS接触器的控制模块处于储能状态。当有晃电发生,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,控制模块又转入储能状态。FS接触器线圈有三根线,分别是A1,A2,A3。A3主要是用于判断电源是否发生晃电,如果A3未监测到有晃电,则接触器的释放不会延时。

(2)典型接线图

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                           ▲FS接触器接线图

(3)优缺点分析

优点:控制模块使用了特殊的电源转换部件,使得FS接触器的体积和安装结构保持了原有的特征。另外它不依赖辅助工作电源和辅助机械装置,因而体积和一般接触器一样,控制器附加在接触器侧面,体积小。利用电源储能的原理,实现延时释放。新型FS接触器与常规接触器接线相比仅需增加A3点接电源,改造方便。

缺点:FS接触器在长时间工作后,控制器故障率较高,当控制器出现故障后会导致接触器无法吸合或接触器吸合不好等问题,且当控制回路存在感应电压时,接触器无法正常释放。

(七)永磁接触器

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                         ▲永磁接触器

(1)基本原理

永磁交流接触器是利用磁极的同性相斥、异性相吸的原理,用永磁驱动机构取代传统的电磁铁驱动机构而形成的一种微功耗接触器。安转在接触器联动机构上极性固定不变的永磁铁,与固化在接触器底座上的可变极性软磁铁相互作用,从而达到吸合、保持与释放的目的。软磁铁的可变极性是通过与其固化在一起的电子模块产生十几到二十几毫秒的正反向脉冲电流,而使其产生不同的极性。根据现场需要,用控制电子模块来控制设定的释放电压值,也可延迟一段时间再发出反向脉冲电流,以达到低电压延时释放或断电延时释放的目的。

(2)典型接线图

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                       ▲永磁接触器接线图

(3)优缺点分析

 优点:永磁交流接触器合闸保持依靠的是永磁力,而不需要通过线圈通过电流产生电磁力来进行合闸保持,只有电子模块的0.8~1.5mA的工作电流,故节电效果明显,同时线圈无温升。不受电压波动的影响,避免了带电运行时电压降低所造成的跳闸和烧坏线圈、触头现象。

缺点:接触器线圈吸合与释放均由电子模块控制,如电子模块故障接触器将无法跳闸。如此时电机过流,保护无法使接触器跳闸可能会使电机过热烧毁。线路感应电压比较高时易于干扰电子模块,可能会出现接触器无法释放问题。因控制模块安装于接触器本体内部,如损坏则需要更换整台接触器,成本高。

(4)参数设置

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