化工关键设备电压暂降治理技术的研究与应用

房晓鹏 邵瑞 周波

摘要：本文在阐述了电压暂降对化工关键生产设备连续生产及安全的影响，通过研究，分析了化工关键设备受电压暂降影响的原因。分析现场实际情况，给出了一个解决电压暂降的电源快速切换方案，切换时间≤30ms，保证了化工关键设备的连续运行。

关键词：化工关键设备、电压暂降、快速切换、切换时间、30ms。

一、前言

化工企业自动化生产线上广泛采用的伺服驱动、各类控制及通讯装置等电力电子元器件，对电能质量的要求越来越高，持续时间几十毫秒的电压瞬间跌落，就可导致敏感设备宕机，致使整个系统连锁保护停车，导致连续生产过程紊乱。如操作不当还易造成设备损坏及人身伤亡的生产事故，且每次停、开车耗资巨大，电压暂降已经严重影响到化工生产的安全稳定和经济运行。

统计表明，电压暂降是目前最突出的电能质量问题，因电能质量问题导致工厂非计划停产停机的事件中，90%是由于电压暂降事件。

大中型企业，特别是连续生产作业型的企业，须配备完备的供电电源，多母线、多变压器、多断路器拓扑成复杂的供电系统。电压级别多涉及到110KV、35KV、10（6）KV、400V。一般而言，把企业内部的中低压电网称为内网，企业外部的供电电网称为外网。

在外网发生短路和企业内网任何一个支路出现短路都会造成整个系统的电压跌落，而且发生短路的支路电压等级越高，影响面越大，跌落值也越大。短路发生后，该支路的保护装置将动作使断路器跳闸切除故障支路。从短路发生到故障切除的这段时间，系统电压经历从跌落到恢复的过程，被称为“电压暂降”，一般暂降时间70～110ms。常常会导致企业的设备停运、生产流程中断。

二、电压暂降对各电气设备的影响

2.1 电压暂降对继电器影响

一般继电器线圈电压低于额定电压的50%时间超过1～2个周波就会释放，因此对于有电压暂降发生的场合，特别是控制敏感型负载的继电器，必须考虑保证继电器不能长久欠压。为了避免此类事故的发生，业内有些方案把继电器用永磁铁维持，使得该继电器不依赖外电压继续吸合。虽然一定程度上对电压的短时间电压暂降起了防护作用，但此举无疑更改了继电器原设计的作用，留下了其他事故隐患。

2.2电压暂降对电动机影响

工业中所用的电动机大多是异步电动机。异步电机运行时必须输入感性无功功率，也就是说其励磁电流必须从系统供给，以维持旋转磁场。当系统短路引起的晃电发生后，系统不再给异步电动机提供励磁电流，此时异步电动机变成异步发电机，原有的磁场在旋转中切割定子，产生的定子电压对外部短路点提供短路电流。从定子侧看，此时电机等效出一个短路时间常数，该常数对3MW以下的电机而言一般为30ms左右，则100ms左右原有系统提供的磁场能量即可消耗完毕。

电压暂降结束后，系统电压恢复时加到电机定子上的电压将重新建立异步机内部的旋转磁场，此时电网对异步机产生的电流将是一个6-7倍于其额定电流的冲击电流，即数字上等于其启动电流，冲击时间也约为100ms左右，即磁场建立和磁场衰减的时间。该冲击电流可能会造成电机的微机保护动作，如果是大量电机一起启动，过大的冲击电流会造成线路主开关过流跳闸，严重情况下会因电机群瞬间吸收过多无功而使电网电压长时间过低。

因此如果能在100ms之前，特别是尽量短的时间内恢复电机的定子电压，例如如果能在30ms以内恢复电机的供电，则电机此时衰减剩余的电压和磁场能量尚在40%以上，由于时间较短，此时产生的冲击电流为额定电流的2倍左右，对系统的冲击小。

2.3电压暂降对变频器影响

常用的变频器大都采用交-直-交电压型变频方式。在外电压不能充电时，其内部电容的电压降落是典型的指数函数：，其中的， Pn是电机的输出功率，C是电容值。如果直流母线的脉动电压的波纹系数是5%（电压从最大值到最小值的降落不超过5%），则τ=42.5ms。

当电网出现电压暂降时，直流母线电压高于交流侧电压，此时二极管受到反向電压而不导通，交流侧不能向直流侧提供能量。此时电容C上存储的电场能量维持着向电机的运行，能量的输出导致电容上的电压下降，且在42.5ms时电压降到的36%左右。在电压凹陷结束的时刻，交流电压突然恢复，通过整流线路重新在直流母线上产生陡升电压，它的幅值基本上是，与电容上的当时残存的电压U之间会出现一个电压差。恢复的时刻越迟，U 就越大，电容和整流二极管上产生的电流冲击就越大，严重时会损坏电容和整流二极管。

为了防止此类损害，变频器中设计了保护功能，即当直流电压下降到U0的70%（部分厂家）时，立即封锁变频器的触发脉冲，使电容器不再继续向电机提供能量，把残存的电压保持在0.7 倍的U0。

同时变频器一般可以设置100ms内瞬时电压暂降时间，此情况下可以高压飞车启动。保证连续供电。

三、现有防电压暂降方法及问题

3.1 防电压暂降交流接触器

防电压暂降交流接触器是针对普通接触器在电压暂降时自动释放的特点而改进的。简单的如节能型交流接触器，其逻辑是降低接触器释放电压的门槛值。当电压暂降发生、电压跌至接触器的维持电压以下时，模块以储能释放的方式保持接触器继续吸合，当电压恢复后又继续储能。此类接触器对雷电、短时重合闸造成的瞬间电压暂降起了较好的作用，但是对永久性短路故障或者时间稍长的、其他原因造成的电压暂降或失电显然是无法发挥作用的，因为其本质不具备备用电源投入功能，当负荷电源必须切换时，任何以防瞬时抖动为目的的方法措施都是无能为力的。

3.2 不间断电源（UPS）

目前业内采用UPS预防电压暂降的做法有2种：其一是简单小功率的UPS只给二次元件如接触器的控制回路供电，这种方法与前所述的方法本质是一样的，功能结果也相同。其二是对主回路的设备，包括变频器和电动机实现电网与UPS的不间断切换，这种方法的成本代价极高，即使短时间的主回路供电，其成本也是不可想象的。而且这种方法短时之后，也必须依靠备自投的功能切换到电网备用电源。

3.3已有的快速切换装置存在的问题

根据电压暂降的需求，以及上述多种措施的不足，已经有企业意识到了实现快速切换装置的必要性，并提出了快速切换、首次同相切换、剩余电压切换、延时切换等多种方式。但是分析则可发现这些‘快速切换装置立足的基础都是存在不足的。

① 某些快切装置使用的是常规的断路器，却认为断路器合闸的时间在数毫秒内完成，完全脱离了现实。

② 由于断路器的固有时间和离散度，无法捕捉特定时刻进行分合闸的操作。

③ 这些设备和其多种切换方式，混淆了短路和开路，认为短路状态下十多个周波后仍然有较强的电压。

④ 由于一路负载侧发生故障，故障未排除就切换导致另外一路电源也发生跳闸事故，导致全厂停电。

四、方案的提出和实施

4.1方案提出与实施

经过大量的试验和计算总结如下：

★ 开关电源、交流接触器、低压继电器可容忍电压暂降的时间一般为20～30ms。

★ 电磁阀可容忍电压暂降的时间不大于40ms。

★ 电动机群可容忍电压暂降的时间不大于30ms。

当前对电压暂降和失电的方法存在的问题，主要还是断路器的固有动作时间在40ms以上，不能满足变频器、电机和开关电源等的要求;

综合前面所述，开关分闸与合闸动作的快慢，是电压暂降和失电现象的根本，也是解决危害的根本。

根据现场实际情况及上述情况分析决定采用新型无扰动切换装置进行故障快切。新型无扰动切换装置主要由执行部件电源进线快速断路器K1和电源进线快速断路器K2、快速控制器以及电流电压信号采集器组成。快速控制器应用独特的瞬态算法，能在2ms内对电压和电流的突变做出即使判断，分析内网和外网故障状况，并发出相应的控制指令。快速断路器采用快速涡流驱动开关，其合闸时间可以做到10ms左右，分闸时间可以控制在5ms以内，开断能力不小于40KA。采用快速识别技术的微机综合控制器的快速过流保护，可以在發生短路故障后的2ms左右识别出短路电流的幅值并预测出过零点，从而在电流的第一次过零点完成开断。

4.2 实施效果

整体切换时间（快速控制器+真空断路器总共时间）：当外网失电或短路时，快切动作，控制器发出：主快速开关K1分闸，备用快速开关K2合闸指令，实现电源切换，整体切换过程投入时间≤30ms。其中控制器判断时间≤10ms;执行部件快速真空断路器分闸时间≤5ms，合闸时间≤12ms。极短的时间内切断故障线路，躲过各电气敏感元件的电压暂降忍受时间，实现关键设备在外网故障时连续运行。

五、参考文献

[1]魏荣进;电压暂降检测与扰动源辨识方法的分析与研究[D];湖南大学;2012年

[2]徐攀峰;周勇;检测电压暂降特征量的有效值算法[A];第十届中国科协年会科技创新与工业强市战略论坛论文汇编[C];2008年

[3]黄智春;浅析现代电能质量的问题[J];科技经济市场;2007年08期