交流接触器防晃电方案对比研究
2017第四届轨道交通供电系统技术大会
会议由中国电工技术学会主办，将于2017年11月28日在北京铁道大厦召开，研讨电工科技最新研究成果对轨道交通供电领域所带来的革新影响和应用前景，推进协同创新。浏览会议详情和在线报名参会请长按识别二维码。
江苏国网自控科技股份有限公司、国网辽宁电力阜新供电公司的研究人员姜万东、周海涛、杜佳，在2017年第10期《电气技术》杂志上撰文，介绍了交流接触器防晃电的两种解决方案：失压再启动方案和晃电保持方案。
并采用定性分析的方法，分析了母线残压情况、电动机残压情况以及电压恢复时是否存在直接启动和反相位合闸的问题。并指出采用接触器晃电保持方案和快切装置相结合的方式，既保证了快速恢复供电，也使系统冲击电流最小。
电网因雷击、短路、重合闸、同一段设备启动或故障以及其他原因造成电网电压短时大幅度波动、短时中断数秒的现象俗称“晃电”[1-3]。对于交流接触器，当系统电压发生晃电时，若电压在某一瞬间低于接触器线圈的释放电压，导致低压马达停止运行会导致用户的严重损失[4-5]，文献[6]也指出接触器对电压暂降敏感度影响因素都很多。
目前交流接触器的防晃电方案主要有晃电后接触器再启、晃电接触器保持、采用防晃电交流接触器和采用延时分批再启等方案。文献[7]指出采用专门的防晃电交流接触器不适于防晃电要求较高的场合，而采用分批延时再启动不利于快速的恢复供电，只适用于晃电持续时间较长电动机停转时分批启动电动机（按工艺分批启动），避免造成对系统电压的冲击。
综上所述，目前交流接触器的防晃电方案中，普遍采用的是晃电后再启接触器和晃电时接触器保持不释放方案（防晃时间一般设定500～1000ms）。应用中存在着对两种方案的系统电压情况、电动机残压情况以及电压恢复时是否系统存在冲击电流等认识较为模糊问题。
本文采用定性分析的方式，来分析晃电时两种方案接触器释放或保持吸合对母线残压、电机能量交互的影响情况，得出了分析对比结论并提出应用建议。
1 接触器防晃电的两种方案
交流接触器防晃电再启动方案如图1（a）所示，当系统发生晃电时，电压降低使接触器释放；若电压在再启装置设定的防晃电时间内恢复，再启装置QD继电器接点闭合，使接触器重新吸合，保证了供电回路继续工作。
其中：端子3，8为装置提供电源（装置内部有储能元件）并进行晃电判断；端子4，5接接触器辅助位置KM，判断接触器运行状态；端子6，7为延时断开信号输出给DCS，防止接触器在晃电时辅助位置KM释放，造成DCS误判。
交流接触器防晃电保持方案[8]如图1（b）所示，当系统电压发生晃电时，保持装置判断出电压扰动并可能造成接触器释放，迅速的切断接触器线圈交流电源并对其输出相匹配的直流电源，保持接触器继续可靠吸合。
如在保持装置设定的防晃电时间内交流电压恢复，装置切断直流电源恢复交流电源；如果系统电压未恢复，则关断直流电源，接触器释放。其中：装置的1，2为控制电源输入；端子4，5接线圈两端；端子3，6为电源接入同时作为晃电判断；端子7，8为分批延时再启动出口（选配）。
（a）接触器防晃电再启动方案接线图
（b）接触器防晃电保持方案接线图
图1 接触器防晃电方案接线图
上面所述的两种接触器防晃电解决方案应用最广，但也一直存在优缺点的争论。再启动方案的坚持者认为，此方案原理简单，应用可靠，已经基本满足工程应用的要求；而保持方案的坚持者认为，晃电时接触器不脱扣可充分利用母线残压的支撑，电动机不会快速停机或反转，避免电源恢复时再合接触器造成的冲击。
2 系统晃电母线残压分析
系统晃电时母线残压情况可采用定性分析，若采用定量计算法须依据系统接线，故障类型和精确的短路计算才能进行，往往数据难以获得且复杂，而采用定性分析来阐述即避免了大量的计算又能清楚地说明问题。
母线变化趋势如图2所示：电源S1发生的远端故障被切除，厂用电系统备用电源S2切换供电过程中低压母线电压的变化趋势。
图2 高压侧电源异常时低压母线残压趋势图
图2中供电系统S1发生短路时，厂用母线电压为短路电压UF（短路电压的大小取决于故障类型、厂用电等效阻抗、系统等效阻抗等）。短路发生至切除时间由外部系统决定，典型值一般为100~200ms（图2中的Tqc）。
短路故障切除后到备用电源未投入时间内，厂用母线进入到残压阶段（残压大小取决于电动机群的容量、剩余电磁能等，一般电动机群越大残压值相对越高，衰减时间与负载特性相关）。残压持续时间取决于备用电源转供时间（图2中的Tqh）。
3 防晃电再启方案特性分析
图3（a）作为交流接触器失压再启防晃电方案等效分析图。在故障发生至备用电源投入的时间（Tqc+Tqh）内接触器为释放状态（接触器是否释放与电压的幅值和时间有关系），低压电动机群与低压母线完全断开，各电动机按自身的特性残压曲线自由衰减。
重载电动机转速下降较快而轻载电动机转速下降较慢。重载电动机如图3（c）所示，电动机储存的电磁能快速的被负载消耗，电压恢复时电动机转速已降为0，再启装置启动接触器合闸时为全压启动，启动电流可达到5~8倍电动机额定电流。轻载电动机如图3（d）所示，电压恢复时电动机转速可不为0，再启装置启动接触器合闸时由于电动机残压的存在易导致反相位合闸，引起较大的合闸冲击。
由于在Tqc+Tqh时间内，接触器完全释放，造成电动机的残压不能体现在母线上，因此低压母线电压快速下降，如图3（b）所示。此时高压备自投或快切装置检测的高压母线残压并不包含低压电动机群的残压，造成残压检测不充分。
（a）再启方案分析系统等效分析图
（b）低压母线残压情况
（c）M1电动机残压情况
（d）M2电动机残压情况
图3 接触器释放时母线残压与电动机残压
4 防晃电保持方案特性分析
当采用接触器保持方案解决晃电问题时，在Tqc+Tqh段时间内接触器不释放，如图4（a）所示。轻载电动机内的电磁能量可通过母线传输给重载电动机；低压电动机视为一个电动机群，高压机群与低压机群之间通过降压变、低压母线进行能量传输，因此电动机之间可充分的行能量互补，输出剩余电磁转矩。
在Tqc+Tqh段时间内（一般500ms左右）低压机群间的能量互补、高低压之间能量互补可使低压电动机群处于较为缓慢的减速段，低压母线残压如图4（b）所示。高压侧的备自投和快切装置测量的母线残压值为真实的残压值，有利于备用电源的准确投入。
（a）保持方案能量互补图
（b）保持方案低压母线残压
图4 晃电接触器不释放时能量互补与母线残压
5 防晃电保持与高压快切方案分析
备用电源快速切换装置可避免备用电源电压与母线残压在相角、频率相差过大时合闸而对系统造成冲击，如失去快速切换的机会，则装置自动转为同期捕捉或判残压及长延时切换，同时在电压跌落过程中，可按延时甩去部分非重要负荷，以利于重要辅机的自启动。提高厂用电切换的成功率[9]。
如图5（a）所示，高压侧利用快切装置，低压侧采用接触器保持防晃电方案。快切装置参数可按图5（b）所示的电机残压曲线和耐受冲击电流进行设定。
在高压侧发生短路后，进线断路器被保护跳开，快切装置将分析计算高压母线残压与备用进线电压并进行快速切换（满足压差、角差、频差）。
（a）低压晃电保持同高压快切装置结合等效图
（b）电动机残压曲线和耐受冲击允许电流
图5 晃电时快切装置与保持方案配合
高压侧的快切装置在切换过程中，低压侧由于采用了防晃电接触器保持方案，接触器一直处于吸合状态，保证了切换装置捕捉残压信息的可靠性，为快速恢复供电提供了保证。
6 实例分析
兰州某催化剂厂供电方案使用了如3（a）所示的主接线方式，0.4kV母线下有3台200kW管道进料电动机（泵），5台其他类型负载电动机。该段0.4kV母线接触器采用了防晃电再启方案解决接触器晃电，再启动装置时间设定为500ms。
2015年某次晃电事故时发现进料电机无法再启，事后分析主要原因为晃电时接触器脱扣后主管道内部压力较大，电动机在回流压力下反转，电压恢复后再启装置发合闸指令时，瞬间冲击电流过大，导致电动机保护装置跳闸使电动机无法启动。
后期采用了接触器保持与高压快切装置相结合的方案，在晃电结束后快切装置在高压侧检同期合闸，避免此问题的发生。此后发生的多次晃电事故证明，此方案均能可靠抗击晃电事故，未造成进料电动机停车事故。
7 结论
本文对交流接触器的失压再启防晃电方案和保持防晃电方案进行了分析，指出采用失压再启方案时由于接触器触点已经释放，导致电动机群之间无法进行能量交换、高压和低压能量不能交换；电动机电磁能量各自衰减，电压恢复时再合接触器会导致直接启动或反相位合闸冲击的问题，同时也会导致备自投或快切装置残压判断不准确。采用保持防晃电方案，则不会造成上面的问题。
用户在充分的考虑晃电持续的时间与电压下降的情况下，可优先采用保持防晃电方案与快切装置动作时间相配合，在满足冲击电流最小的情况下快速的恢复备用电源，减小供电中断时间。
本文对交流接触器防晃电方案分析和研究，对交流接触器防晃电的方案选择具有一定的参考意义。