低压用电系统的抗晃电方案分析

1. 背景
化工，冶金等连续生产型企业的工艺流程要求供电不中断，而系统电压的短时波动，会造成低压电动机的重要控制元件-接触器跳开，同时会造成变频器失压停机，造成整条生产线停机，引起巨大的损失，因此对于低压回路的抗晃电措施，当前有大量的研究分析，本文列出几种应用比较多的抗晃电措施，对其实现方案以及优缺点进行分析，供方案选择时参考。

2.抗晃电方案分析
2.1 无扰动电源切换
采用备用电源是提高系统可靠性的重要手段。

针对备用电源的切换，传统的备自投是无法满足要求的，一般采用无扰动切换装置。

400V带备用电源的典型接线图如下所示，进线1是主电源，进线2为备用电源，正常情况下母联断路器CB3断开，进线2处于热备用状态。

当进线1发生故障后，CB1打开，CB3闭合，实现备用电源的切换。

图 2.1 无扰动电源切换原理图
如果上述过程采用备自投装置实现，切换时间为秒级。

这是因为母线的主要负载为电动机，当电源失点后，电动机工作在发电机状态，母线电压幅值逐渐降低，母线电压的频率也逐渐变小（电动机转速由于负载的作用逐渐降低），降低的速度取决于电动机的负荷容量，当电动机负荷容量比较高时，母线电压降低缓慢，备自投需要等待母线电压降低小于定值（例如30%）才能和母线断路器，这个时间可能长达几秒, 这么长的时间，电动机的转动惯量已经消耗殆尽，此时电动机相当于全部重新启动，启动时间长，生产工作中断。

为了解决上述问题，可以采用无扰动电源切换装置，当前已经有厂家开发，其原理与中高压的快切是类似的，主要的切换逻辑是快速切换和同期捕捉切换。

快速切换是快切启动后，立即比较压差，频差和相位差，如果小于定值，可以立即进行切换，因为此时母线失电时间很短，电动机转速降低不多，此时合闸对系统冲击很小， 一般整个切换持续时间小于200ms.
同期捕捉切换是当快速切换失败后，此时可以实时跟踪电源和母线的压差，频差和角差，当角差为第一次为0时，进行合闸，此时的冲击也比较小，这个时间一般小于600ms。

从上面可以看出，无扰动电源切换的最短时间为200ms，而低压的交流接触器在失压10ms以上就会跳开，因此在400V低压系统使用无扰动电源切换装置的前提是要保证接触器在失压600ms时不断开，下面介绍接触器抗晃电时会进行说明。

2.2 变频器抗晃电
变频器在化工也和冶金企业中应用很多，主要用于变频调速节能,其抗晃电需要根据变频器本身的特点实现，当前应用比较多的方案主要有动能缓冲技术以及直流支撑DC-BANK 技术。

2.2.1 动能缓冲技术
交直交变频器的原理图如下所示，根据功能可以分为整流部分，直流母线，逆变部分。

图 2.2.1 变频器原理图
一般变频器都默认投入欠压保护，不过此欠压保护的动作定值不是基于输入三相电压，而是直流母线电压，当输入发生晃电后，直流母线电压缓慢降低，降低到定值后，欠压保护动作，变频器停机，并且需要输入故障复位信号才能再次启动。

因此，对于变频器的抗晃电，需要关闭此保护，或者将欠压保护动作定值设置到足够小，防止在晃电期间欠压保护动作，动作定值需要综合负载的转动惯量和系统晃电时间来确定。

只是设置低压保护的定值不足以实现变频器的抗晃电，需要利用变频器的动能缓冲功能（动能缓冲是西门子变频器的对这个功能的名称定义，英威腾变频器叫掉电不停机功能）。

此功能的核心是在瞬时失压后，当直流母线电压下降到动能缓冲激活阀值时，利用电动机及所带负载的高转速、大惯性,把再生能量回馈到变频器,维持直流母线电压，这个要求
逆变器部分的控制策略改变，控制核心为保证直流母线电压，电网电压恢复后，直流母线电压靠整流部分恢复。

相关实际测试表明，此功能可以实现1s以内的晃电不停机。

2.2.2 直流支撑DC-BANK技术
动能缓冲技术受电动机负载的转动惯量影响比较大，如果转动惯量小，则回馈能量不足以支撑直流母线电压，允许晃电时间可能只有几十ms。

针对此问题，当前许多企业研发了DC-BANK直流支撑技术。

图 2.2.2 DC-BANK系统
从图2.2.1中可以看出，变频器直流母线的正负极是由专门的接线端子的，可以采用蓄电池或者超级电容组成专门的直流系统，晃电后向变频器的直流母线供电，保证电动机的正常运行，当前的产品一般可以保证电动机正常工作1分钟以上。

这里执行单元的核心是压差控制模块，执行单元需要采用静态开关，普通QF或者接触器10ms以上的动作时间是无法达到要求的，只有静态开关才能达到us级别的动作时间。

对于静态开关的控制，传统的做法是采样变频器的直流母线电压，低于定值时，输出控制信号给静态开关，这样整个控制系统复杂，并且动作时间长（2ms以上）；当前比较主流的是采用压差控制技术，自动比较变频器母线电压和DC-BANK的直流侧电压，大于定值则自动启动静态开关，这种方案的动作时间小于0.5ms， 动作时间短，可靠性高。

对于有大量变频器的现场，可以采用一套蓄电池储能系统，采用多个独立的执行单元和控制单元，给不同的变频器直流母线供电，节省投资，当然蓄电池的总容量需要满足多台电动机在抗晃电期间连续运行。

2.3 接触器抗晃电
低压电动机采用接触器来控制，而接触器控制电源一般直接取自交流低压母线，当系统发生晃电时，接触器会首先跳开，导致整条生产线停车。

因此，针对接触器的抗晃电实现模式主要有下面三种。

2.3.1 晃电再启动
这个方法比较传统，从最开始采用PLC和电动机启动柜实现，到现在普遍采用电动机保护控制器实现。

此方法优点是实现难度低，投资少，可以实现晃电再启动和分批再启动，缺点是接触器会脱扣，且来电后至少80ms才可以闭合接触器，接触器脱扣后DCS连锁会导致再启动失败，只能在没有连锁的回路实现。

针对上面的问题，有厂家开发专门的抗晃电模块，当前代表的厂家是深圳倍通(价格预计在700元左右)；其原理主要是将出口并联在启动按钮上（如下图的6，8端子），监测到发生晃电立即闭合出口，使得接触器的控制回路一直是接通的，这样来电后可以立即闭合，相比晃电再启动，优点是来电后20ms就可以闭合接触器，对于DCS连锁停机问题，解决方案是输出另一个DO（5，7端子）并联接触器的辅助触点给DCS，防止进行连锁停车。

2.3.2 抗晃电接触器
这个有几种实现方式，采用永磁接触器，采用空气延时模块，接触器内部做储能模块，优点是接触器不脱扣，且延时可以设置，可以实现工艺的连续运行。

永磁接触器的缺点是需要控制设备发出反向的控制脉冲才能使其断开，如果系统是长期停电，控制设备本身需要能够工作到设置的延时，整个系统比较复杂。

接触器断电延时模块的缺点是接触器的正常打开也需要延时这个时间，影响正常运行的控制，并且延时精度比较低。

内置储能模块的缺点是接触器只能采用特定厂家的，应用受限，且接触器内部有电子元器件会降低整个接触器的寿命。

2.3.3 储能型抗晃电模块
这个是近几年兴起的，代表的厂家是万利达，江苏国网自控等，采用接触器交流线圈可以直流保持的特点，采用外置模块实现接触器晃电保持，3种型号可以适应市面的全部接触器。

优点是实现接触器不脱扣，延时在5s内可设置，与接触器分离，其故障不影响接触器正常运行，缺点是价格比较高，普遍在1000元左右，推广受限。

接触器在晃电期间保持闭合，对于配合无扰动电源切换装置实现电源的切换是比较重要的。

普通的交流接触器线圈电压小于0.7Ue时，接触器就会释放，这会导致这台电动机从母线上脱离，母线电压无处于发电状态的电动机支撑，电压会迅速下降。

3.结论
综合分析上面的抗晃电方案，无扰动电源切换和储能型抗晃电模块配合使用，可以达到比较好的效果。

无扰动电源切换可以在电压下降到接触器脱扣值之前，完成切换；如果快速切换失败，接触器一定会脱扣，则储能型抗晃电模块可以保持接触器，在同期捕捉过程中实现切换。