DVR技術在低壓電動機抗“晃電”中的應用分析

史書天

（中國石化中原石油化工有限責任公司，河南濮陽 457000）

1.“晃電”相關情況介紹

1.1 “晃電”發生的原因

“晃電”是電壓暫降（Voltage Sag）的通俗叫法，造成電壓暫降的主要原因有2種：一是電力系統發生故障，如冰雪、暴雨、雷電、大風等天氣原因導致的電力系統故障，如動物或者風箏掛線、建筑施工挖傷電纜、設備故障、人員誤操作等偶然事件導致的電力系統故障。電力系統故障造成的電壓暫降持續時間較短一般不超過2s。二是電力系統內部大型沖擊性負荷（如較大功率的電動機）的啟動、線路切換等，此類原因造成的電壓暫降持續時間較長，從幾秒到數分鐘[1]。

1.2 “晃電”時電壓的幅值變化

我國電網采用的是標稱頻率為50Hz的三相交流電力系統，三相電壓幅值相等，相位差為120°。20kV及以下三相供電電壓偏差為標稱電壓的±7%[2]。電壓暫降是指電力系統中某點電壓方均根值暫時降低至系統標稱電壓的0.01p.u.～0.9p.u.，并在短暫持續10ms～1min后恢復到正常值附近的現象[3]。電壓暫降時電壓波形的變化情況如圖1所示。

圖1 電壓暫降時電壓波形變化情況

1.3 “晃電”引起低壓電動機停運的原因

典型的低壓電動機一次回路由斷路器、交流接觸器、電動機串聯組成，正常操作時通過現場操作柱控制交流接觸器的吸合和釋放，從而實現電動機的啟動和停止，當交流接觸器的二次控制線圈得電，靜鐵芯產生電磁吸力克服彈簧彈力將動鐵芯吸合，一次回路導通，電動機啟動。交流接觸器的制造性能要求在周圍空氣溫度為-5℃～+40℃范圍內，交流接觸器在控制電源電壓為額定電壓值的85%～110%范圍內均應可靠吸合，控制電源電壓在額定電壓值的20%～75%范圍內均應釋放和完全斷開[4]。當交流接觸器的控制電源電壓低于額定電壓值的50%甚至70%，持續時間超過1個周波時，交流接觸器將自動釋放。當電網發生“晃電”時，會造成交流接觸器二次控制線圈電壓降低或者短時斷電，導致靜鐵芯產生的電磁吸力小于彈簧的彈力使交流接觸器意外釋放，一次回路斷開電動機停止運行。

2.低壓電動機常用抗“晃電”措施

根據交流接觸器的工作原理，低壓電動機常用的抗“晃電”措施主要是以防止交流接觸器的意外釋放和意外釋放后再吸合2種工作原理為主。典型的低壓電動機交流接觸器二次控制回路原理如圖2所示。

圖2 典型的低壓電動機交流接觸器二次控制回路原理圖

圖中QF為斷路器，MX為斷路器跳閘線圈，若跳閘線圈得電，斷路器跳閘一次回路斷開，電動機停止運行，當電動機正常運行時斷路器合閘，斷路器的輔助接點QF1閉合。KM為交流接觸器，若交流接觸器的二次控制線圈得電，交流接觸器吸合一次回路主觸點閉合，電動機啟動運行，當電動機正常運行時交流接觸器的二次控制線圈得電。FU1為熔斷器，當二次控制回路中存在短路、接地時，流過熔斷器的電流超過其額定電流，熔斷器過載熔斷二次控制回路斷開，當電動機正常運行時熔斷器處于導通狀態。LM為電動機綜合保護器，R1為電動機綜合保護器的常閉輸出接點，若電動機發生故障時電動機綜合保護器保護動作跳閘，R1常閉輸出接點打開并且保持，二次控制回路斷開，交流接觸器的二次控制線圈失電，交流接觸器釋放一次回路主觸點斷開，電動機停止運行，當電動機正常運行時電動機綜合保護器R1常閉輸出接點閉合。R2為電動機綜合保護器LM的接地故障保護跳閘常開輸出接點，若電動機發生接地故障時，常開輸出接點R2閉合，斷路器QF的跳閘線圈MX得電，斷路器跳閘一次回路斷開，電動機停止運行，當電動機正常運行時電動機綜合保護器R2常開輸出接點打開。SB1為電動機現場操作柱的啟動按鈕，若按下SB1，啟動按鈕的常開觸點閉合，交流接觸器的二次控制線圈得電，交流接觸器吸合一次回路主觸點閉合，電動機啟動運行，若松開SB1，啟動按鈕的常開觸點斷開，當電動機正常運行時啟動按鈕SB1常開觸點斷開。SB2為電動機現場操作柱的停止按鈕，若按下SB2，停止按鈕的常閉觸點斷開，交流接觸器的二次控制線圈失電，交流接觸器釋放一次回路主觸點斷開，電動機停止運行，若松開SB2，啟動按鈕的常閉觸點閉合，當電動機正常運行時停止按鈕SB2常閉觸點閉合。

手動啟動低壓電動機時交流接觸器控制回路動作過程：操作人員按下電動機現場操作柱啟動按鈕SB1，啟動按鈕的常開觸點閉合，交流接觸器的二次控制線圈得電，交流接觸器吸合一次回路主觸點閉合，電動機啟動運行，交流接觸器常開輔助接點KM1閉合，操作人員松開啟動按鈕SB1，啟動按鈕SB1的常開觸點斷開，但是交流接觸器的二次控制線圈通過其常開輔助接點KM1仍然得電，電動機仍然保持運行。

手動停止低壓電動機時交流接觸器控制回路動作過程：操作人員按下電動機現場操作柱停止按鈕SB2，停止按鈕的常閉觸點打開，交流接觸器的二次控制線圈失電，交流接觸器釋放一次回路主觸點斷開，電動機停止運行。

發生“晃電”前低壓電動機正常運行，電動機綜合保護器的常閉輸出接點R1閉合，啟動按鈕SB1的常開觸點斷開，交流接觸器二次回路常開輔助接點KM1閉合，停止按鈕SB2的常閉觸點閉合，交流接觸器的二次控制線圈通過常開輔助接點KM1得電。發生“晃電”時，交流接觸器二次控制線圈的電壓降低或者短時斷電，靜鐵芯產生的電磁吸力小于動鐵芯彈簧的彈力使交流接觸器意外釋放，同時交流接觸器的常開輔助接點KM1斷開，交流接觸器釋放一次回路主觸點斷開，電動機因“晃電”停止運行。

2.1 交流接觸器增加瞬時閉合延時打開輔助接點

瞬時閉合延時打開輔助接點的動作特性是當交流接觸器吸合一次回路主觸點閉合時，交流接觸器的瞬時閉合延時打開輔助接點瞬時閉合。當交流接觸器釋放一次回路主觸點斷開時，交流接觸器的瞬時閉合延時打開輔助接點延時打開。低壓電動機交流接觸器增加瞬時閉合延時打開輔助接點的二次控制回路原理如圖3所示。

圖3 增加瞬時閉合延時打開輔助接點的二次控制回路原理圖

發生“晃電”前低壓電動機正常運行，電動機綜合保護器的常閉輸出接點R1閉合，啟動按鈕SB1的常開觸點斷開，交流接觸器瞬時閉合延時打開輔助接點KM1閉合，停止按鈕SB2的常閉觸點閉合，交流接觸器的二次控制線圈通過瞬時閉合延時打開輔助接點KM1得電。發生“晃電”時，交流接觸器二次控制線圈電壓降低或者短時斷電，靜鐵芯產生的電磁吸力小于動鐵芯彈簧的彈力使交流接觸器意外釋放，此時交流接觸器的瞬時閉合延時打開輔助接點KM1仍然閉合，在“晃電”過程中電壓的幅值不斷的波動，一旦靜鐵芯產生的電磁吸力大于彈簧彈力，交流接觸器便立即吸合，因為電力系統故障造成的“晃電”持續時間較短一般不超過2s，我們可以設置交流接觸器的瞬時閉合延時打開輔助接點延時打開的時間為3s，這樣經過2s的“晃電”后，即使交流接觸器釋放一次回路主觸點斷開，但是此時交流接觸器的瞬時閉合延時打開輔助接點KM1仍然閉合，當電壓恢復時，交流接觸器的二次控制線圈通過瞬時閉合延時打開輔助接點KM1得電，交流接觸器吸合一次回路主觸點閉合，電動機恢復運行，避免了因“晃電”造成的意外停止運行。

2.2 電動機綜合保護器增加再啟動接點

部分電動機綜合保護器具有再啟動功能，電動機綜合保護器能夠實時監測低壓電動機的運行狀態、工作電壓，當發生“晃電”后，經過預先設定的再啟動延時時間，電動機綜合保護器的再啟動接點R3閉合，交流接觸器的二次控制線圈得電，交流接觸器吸合一次回路主觸點閉合，電動機啟動運行。電動機綜合保護器的再啟動接點R3的二次控制回路原理如圖4所示。

圖4 再啟動接點R3的二次控制回路原理圖

發生“晃電”前低壓電動機正常運行，電動機綜合保護器的常閉輸出接點R1閉合，啟動按鈕SB1的常開觸點斷開，交流接觸器常開輔助接點KM1閉合，停止按鈕SB2的常閉觸點閉合，交流接觸器的二次控制線圈通過常開輔助接點KM1得電。發生“晃電”時，交流接觸器二次控制線圈電壓降低或者短時斷電，靜鐵芯產生的電磁吸力小于動鐵芯彈簧的彈力使交流接觸器意外釋放，“晃電”后，經過預先設定的再啟動延時時間，電動機綜合保護器LM的再啟動常開接點R3閉合，交流接觸器的二次控制線圈得電，交流接觸器吸合一次回路主觸點閉合，電動機啟動運行，交流接觸器常開輔助接點KM1閉合，電動機綜合保護器LM的再啟動常開接點R3打開，但是交流接觸器的二次控制線圈通過常開輔助接點KM1仍然得電，電動機仍然保持運行。

2.3 應用電動機再啟柜的再啟動接點

電動機再啟動柜將需要再啟動的低壓電動機集中控制，當發生“晃電”后，經過預先設定的再啟動延時時間，電動機再啟動柜的再啟動接點Kn閉合，交流接觸器的二次控制線圈得電，交流接觸器吸合一次回路主觸點閉合，電動機啟動運行。電動機再啟動柜的再啟動接點Kn的二次控制回路原理如圖5所示。

圖5 再啟動柜的再啟動接點Kn的二次控制回路原理圖

發生“晃電”前低壓電動機正常運行，電動機綜合保護器的常閉輸出接點R1閉合，啟動按鈕SB1的常開觸點斷開，交流接觸器常開輔助接點KM1閉合，停止按鈕SB2的常閉觸點閉合，交流接觸器的二次控制線圈通過常開輔助接點KM1得電。發生“晃電”時，交流接觸器二次控制線圈電壓降低或者短時斷電，靜鐵芯產生的電磁吸力小于動鐵芯彈簧的彈力使交流接觸器意外釋放，“晃電”后，經過預先設定的再啟動延時時間，電動機再啟動柜的再啟動接點Kn閉合，交流接觸器的二次控制線圈得電，交流接觸器吸合一次回路主觸點閉合，電動機啟動運行，交流接觸器常開輔助接點KM1閉合，電動機再啟動柜的再啟動接點Kn打開，但是交流接觸器的二次控制線圈通過常開輔助接點KM1仍然得電，電動機仍然保持運行。

3.低壓電動機常用抗“晃電”措施缺點分析

低壓電動機交流接觸器增加瞬時閉合延時打開輔助接點屬于防止交流接觸器“意外釋放”類的抗“晃電”措施。由于電動機的轉矩與電壓的二次方成正比，當電動機的電壓降低到額定電壓的10%時，電動機的實際轉矩只有額定轉矩的81%，同時負荷電流將增大5%～10%以上，溫升將增高10%～15%以上，絕緣老化程度將增加一倍以上，從而明顯地縮短電動機的使用壽命[5]。發生“晃電”時電壓下降的程度通常遠遠低于額定電壓的10%，此時額定轉矩的下降程度、負荷電流的增加程度、溫升的增高程度、絕緣的老化程度都會大幅度增加，電動機的使用壽命會明顯地縮短，增加了電動機正常運行時發生故障意外停止運行的風險。

電動機綜合保護器增加再啟動接點、使用電動機再啟動柜的再啟動接點屬于典型的交流接觸器意外釋放后再吸合類的抗“晃電”措施。此類措施電動機會有一個停止運行、再次啟動的過程，會對正常的工藝流程產生一個擾動，特別是對潤滑油油壓敏感的大機組，若潤滑油泵停運，再啟動或者互切不及時，潤滑油油壓不能及時建立，會引發大機組油壓低聯鎖停車。

4.動態電壓恢復器（DVR）技術的應用

動態電壓恢復器（Dynamic Voltage Restorer）簡稱DVR，是串聯于電源和負荷之間的電壓源型電力電子補償裝置，用于快速補償系統電壓暫降。動態電壓恢復器實時檢測系統電壓，一旦系統電壓發生暫降，動態電壓恢復器啟動補償，產生一個幅值和相角可調的電壓，與系統電壓疊加后，保證負荷端電壓不受影響。動態電壓恢復器工作原理如圖6所示。

圖6 動態電壓恢復器工作原理圖

動態電壓恢復器的系統組成如圖7所示，進線開關由斷路器、接觸器等機械開關構成，與旁路斷路器、出線開關配合實現在不影響敏感負載供電的情況下，進行動態電壓恢復器的投切，以便進行檢修和維護。超級電容是儲能單元，可根據敏感負載的負荷大小配置相應容量的超級電容，當動態電壓恢復器在補償狀態時向敏感負載提供有功功率。逆變器是動態電壓恢復器的核心元件，是基于全控器件的電壓源型換流器，將直流電壓換流成交流電壓，用來補償系統的電壓暫降。重要的低壓電動機為敏感負載，接在動態電壓恢復器的敏感負載側。

圖7 動態電壓恢復器的系統組成圖

低壓電動機正常運行時，動力電源通過進線開關、晶閘管、出線開關向低壓電動機供電。發生“晃電”時，動態電壓恢復器檢測到系統電壓暫降，動態電壓恢復器通過儲能元件超級電容啟動補償，在1ms的響應時間內，產生一個幅值和相角可調的電壓，與系統電壓疊加后，保證供給敏感負荷的電壓幅值、相位不變，低壓電動機二次控制回路中交流接觸器的二次控制線圈電壓不變，交流接觸器持續吸合，避免了低壓電動機因為“晃電”造成意外停止運行。

5.結語

通過分析電力系統發生“晃電”的原因我們可以知道，引發“晃電”的因素復雜隨機、難以預測、不可避免，但是可以治理，伴隨著DVR技術的應用，可以有效地減少“晃電”對化工裝置的影響，為裝置的安全平穩運行提供有力的保障。