劉維功,劉 杰,李 君,張洪陽,時振堂,李 煒

(1. 中石化(大連)石油化工研究院有限公司,遼寧大連 116045 2.中國石化勝利油田分公司技術檢測中心,山東東營 257000)

0 前言

隨著新能源發(fā)電和電力電子設備接入油田電網(wǎng)數(shù)量的逐漸增多,油田電網(wǎng)對電能質量的要求越來越高。電壓暫降又稱電壓跌落或電壓驟降(俗稱“晃電”),是指電力系統(tǒng)中某點工頻電壓有效值暫時降低至額定電壓的10%～90%,并持續(xù)10 ms～1 min后恢復正常的現(xiàn)象[1]。電壓暫降具有發(fā)生頻率高、事故危害大、事故原因不易察覺等特點,在近幾十年內,電壓暫降是導致各類敏感電氣設備無法正常工作的主要原因,一般認為70%～80%的電能質量問題是由電壓暫降引起的。

交流接觸器是廣泛應用的電器產(chǎn)品,用來接通或斷開帶負載的交流主電路或大容量控制電路。在油田企業(yè)中,通常使用交流接觸器進行交流電動機拖動抽油機負荷的啟?？刂?。目前行業(yè)內要求交流接觸器應在85%額定電壓下可靠吸合,在40%額定電壓下可靠斷開,為提高接觸器抵御電壓暫降的能力,通常把電磁機構的最低吸合電壓設計在70%～75%額定電壓[2]。交流接觸器是油田電網(wǎng)電壓暫降時影響范圍最大的設備,當油田電網(wǎng)發(fā)生電壓暫降時,交流接觸器由于自身特性會發(fā)生非正常斷電,大量電動機及抽油機停止導致油田大面積生產(chǎn)中斷。

電壓暫降敏感度,通常用電壓幅值-持續(xù)時間平面上的電壓耐受曲線描述[3]。福州大學許志紅團隊[2,4]建立了考慮觸頭運動情況的電磁機構磁路動態(tài)計算方程和仿真模型,理論分析了電壓暫降幅值、持續(xù)時間、初始相位和相角變化對交流接觸器工作特性的影響。華北電力大學徐永海團隊[5]對不同廠家的交流接觸器進行了試驗研究,分別考察了電壓暫降特征量以及典型電壓暫降事件對交流接觸器敏感度的影響。四川大學肖先勇團隊[6]、陶冶[7]研究了交流接觸器對電壓暫降敏感度的評估方法,提高了交流接觸器電壓耐受曲線預測的準確性和適應性。

綜上所述,研究人員對交流接觸器電壓暫降敏感度進行了大量研究,但尚未見到專門針對油田常用交流接觸器電壓暫降敏感度研究的資料。為提高油田企業(yè)電壓暫降的防治水平,有必要精確研究油田常用交流接觸器對電壓暫降的敏感度。

1 交流接觸器結構及工作機理

交流接觸器結構及工作原理如圖1所示,其核心結構主要包括動靜觸頭、觸頭彈簧、動靜鐵芯、電磁線圈、短路環(huán)等。當電磁線圈接通交流電壓時,線圈產(chǎn)生電磁吸力,動鐵芯克服觸頭彈簧向靜鐵芯運動,帶動動觸頭與靜觸頭閉合,主回路導通,同時與主觸頭機械相連的輔助常開觸點閉合,輔助常閉觸點斷開。當電磁線圈電壓降低或失電時,線圈產(chǎn)生的電磁吸力不足或消失,動鐵芯及聯(lián)動部分在觸頭彈簧的作用力下與靜鐵芯分離,主回路斷開,同時與主觸頭機械相連的輔助常開觸點斷開,輔助常閉觸點閉合。為了減少磁路磁通不連續(xù)產(chǎn)生的振動,通常在靜鐵芯上配置短路環(huán)。

圖1 交流接觸器結構及工作原理

當發(fā)生電壓暫降時,若交流接觸器線圈電壓跌落至某一數(shù)值,觸頭彈簧的反力和電磁吸力基本平衡,會導致交流接觸器的動靜觸頭不停地快速閉合—釋放—閉合……,發(fā)生快速震動或彈跳。此時,會使電動機、電力電子設備等用電負荷快速通電—斷電—通電……,可能嚴重損傷負荷,交流接觸器的動靜觸頭也可能發(fā)生拉弧放熱甚至觸頭熔焊[8,9]。

2 油田交流接觸器電壓暫降敏感度試驗方案

2.1 試驗平臺搭建

為研究交流接觸器對電壓暫降的敏感度,搭建了如圖2所示的試驗平臺,包括2臺三相交流電源、EMS61000-11C三相電壓暫降發(fā)生器,正泰 CJX2系列交流接觸器(容量分別為4,7.5,11,22,30,50,85,132 kW,每種容量3個),負載燈箱和示波器。三相電壓暫降發(fā)生器可以任意模擬三相電壓暫降的電壓幅值、持續(xù)時間、初始相位。

圖2 交流接觸器電壓暫降敏感度試驗平臺

三相電壓暫降發(fā)生器輸出三相220 V交流電,因此將交流接觸器的380 V電磁線圈兩端接到電壓暫降發(fā)生器輸出端的任意兩相上,并進行電壓相位的換算。圖2所示連接的電壓相位如圖3所示,測量380 V線圈電壓交流接觸器時,使用的是AC之間的線電壓,而電壓暫降初始相位的設置是按照A相的相電壓為基準的,因此,需要將設置的電壓暫降初始相位減去150°,才是真實的電壓暫降電壓初始相位。判斷電壓暫降期間交流接觸器的主觸頭處于斷開或閉合狀態(tài),可以通過燈箱負載和示波器電壓波形綜合判斷。燈滅表示主觸頭斷開,燈亮表示主觸頭閉合。

圖3 電壓暫降初始相位關系

2.2 試驗步驟

a) 將三相電壓暫降發(fā)生器接入電源1,輸出A、B、C端口的任意2個分別使用軟接線連接至交流接觸器的A1、A2電磁線圈端口;交流接觸器主觸頭回路接入電源2和燈箱負載之間,示波器探頭接在主觸頭回路上測量電壓波形。

b) 設置電壓暫降發(fā)生器的初始參數(shù)為:電壓暫降相位為0°,電壓暫降時電壓幅值為0%UN,電壓暫降持續(xù)時間為0 s。然后控制電壓暫降發(fā)生器輸出以上參數(shù)設置的電壓暫降。

c) 觀測燈箱變化和示波器電壓波形。若交流接觸器主觸頭不震顫或者不斷開,則增加電壓暫降持續(xù)時間,若發(fā)生震顫或者斷開,則減少電壓暫降持續(xù)時間。時間步長為10 ms(電壓暫降發(fā)生器的電壓暫降可設置最小時間步長為10 ms)。為了消除電磁線圈剩磁的影響,提高測量精度,每次試驗后斷電1 min再進行試驗。直至尋找到最小的使交流接觸器主觸頭明顯震顫或斷開的電壓暫降持續(xù)時間tn,記錄數(shù)據(jù)。

d) 按5%UN的步長增加電壓暫降時的電壓幅值。繼續(xù)重復步驟c),記錄數(shù)據(jù)。

e) 按30°的步長增加電壓暫降初始相位。繼續(xù)重復步驟c)和步驟d),記錄數(shù)據(jù)。

f) 整理數(shù)據(jù),繪制不同情形下電壓暫降耐受能力曲線圖,并進行分析研究。

3 油田交流接觸器電壓暫降敏感度試驗分析

影響交流接觸器電壓暫降敏感度的因素主要包括電壓暫降的電壓幅值、持續(xù)時間、初始相位、相位跳變、電網(wǎng)頻率和諧波等[10,11]。本文主要考察電壓暫降的電壓幅值、持續(xù)時間、初始相位對容量為4～132 kW的8種油田常用交流接觸器的影響。

分析電壓暫降敏感度,需要繪制電壓幅值-持續(xù)時間平面上的電壓耐受能力曲線(Voltage Tolerance Curve,簡稱VTC)。某個線圈電壓380 V、11 kW交流接觸器在電壓暫降初始相位為0°時的VTC如圖4所示。測量VTC后,可以找出不同影響因素下交流接觸器的最大持續(xù)時間和最小持續(xù)時間,得到其敏感度的上下限,交流接觸器電壓耐受能力曲線簇的上、下限代表了交流接觸器敏感度的最高、最低邊界。

圖4 初始相位0°時,11 kW交流接觸器的VTC

3.1 電壓暫降初始相位影響分析

選取某個線圈電壓為380 V、11 kW交流接觸器,在不同電壓暫降初始相位下進行試驗并繪制VTC,如圖5所示。繪制不同電壓暫降初始相位下的最大、最小正常工作時間隨初始相位的關系曲線,如圖6所示。

圖5 不同電壓暫降初始相位下VTC簇

圖6 最大、最小正常工作時間隨初始相位的變化

由圖5和圖6可見:交流接觸器對于0°起始點下電壓暫降的敏感度最低。交流接觸器對于90°起始點下電壓暫降的敏感度最高,且殘壓越大,持續(xù)時間越長。電壓暫降的初始相位對于交流接觸器的耐受度曲線有較大的影響,其關系近似滿足四分之一對稱性,即每隔0°～90°為一個周期。電壓暫降曲線簇基本位于電壓暫降初始相位0°～90°,因此,可以僅對電壓暫降初始相位為0°和90°進行測試,得到電壓暫降敏感度的上下限范圍。

3.2 線圈電壓影響分析

油田常用的交流接觸器,線圈電壓多為380 V,但在較少場合下可能使用線圈電壓為220 V的型號。選用線圈電壓分別為220,380 V的11 kW交流接觸器,測試電壓暫降初始相位為0°和90°的電壓暫降耐受能力曲線,如圖7所示。

圖7 線圈電壓220,380 V 的交流接觸器的VTC

由圖7可知,功率相同、線圈電壓不同的交流接觸器電壓暫降耐受能力曲線在標幺值坐標軸系下的差別很小,可以忽略不計。

3.3 樣本差異性影響分析

為進一步分析完全相同型號的交流接觸器不同樣本的差異性,測量380 V線圈電壓、11 kW的3個交流接觸器(1#、2#和3#樣本)在電壓暫降初始相位為0°和90°的電壓暫降耐受能力曲線,如圖8所示。

由圖8可知,同一類型的交流接觸器,不同樣本之間的電壓暫降耐受能力曲線差別很小,可以忽略不計。因此,在進行某一型號的交流接觸器電壓暫降耐受能力測試實驗時,可通過測量1個或少數(shù)幾個樣本測量確定。

3.4 容量影響分析

測量380 V線圈電壓4,7.5,11,22,30,50,85,132 kW的8種型號交流接觸器在電壓暫降初始相位為0°和90°的電壓暫降耐受能力曲線,如圖9和圖10所示,進一步分析不同容量交流接觸器電壓暫降耐受能力的差異性。

圖9 初始相位0°時,不同容量交流接觸器的VTC

圖10 初始相位90°時,不同容量交流接觸器的VTC

由圖9和圖10可見:電壓暫降初始相位為0°時,交流接觸器電壓暫降耐受時間隨容量的增大而增大。即容量越大,交流接觸器抵抗電壓暫降的能力越強。電壓暫降初始相位為90°時,交流接觸器電壓暫降耐受時間隨容量的增大基本不變,一方面是因為電壓暫降初始相位為90°是交流接觸器跳閘時間最短的情況,另一方面是因為電壓暫降發(fā)生器的最小電壓暫降時間間隔為10 ms,無法進一步精確測量電壓暫降耐受時間。綜上所述,交流接觸器的容量越大,抵抗電壓暫降的能力越強。

在試驗過程中,交流接觸器多次出現(xiàn)持續(xù)振動的現(xiàn)象,即磁鐵不斷地吸合釋放,這會使鐵芯和線圈嚴重發(fā)熱,損傷交流接觸器。通過實驗發(fā)現(xiàn),這種持續(xù)振動的現(xiàn)象多發(fā)生在電壓暫降幅值在0.55 p.u.～0.65 p.u.(p.u.為標幺值)時,且電壓暫降初始相位在90°附近。由于單相接地故障多發(fā)生在電壓相位90°時,因此,交流接觸器應盡量避免電壓暫降幅值在0.55 p.u.～0.65 p.u.的情況,這可能發(fā)生嚴重事故。

4 油田交流接觸器防止電壓暫降措施

油田交流接觸器常用的防止電壓暫降措施主要有晃電后接觸器再起、防晃電接觸器、接觸器防晃電模塊等[12]。

a) 晃電后接觸器再起,是檢測到電壓在再起裝置設定的防晃電時間內恢復時,再起裝置使接觸器重新吸合。原理簡單、應用可靠,但不利于快速恢復供電,適用于晃電持續(xù)時間較長,電動機停轉時分批起動電動機的情況。

b) 防晃電接觸器,是具有抗晃電帶延時脫扣功能的接觸器。當晃電發(fā)生時,接觸器線圈由于超級電容等器件的儲能延遲釋放,其輔助觸頭延遲發(fā)出斷開的控制信號,由此躲過晃電時間,當電源電壓恢復后,控制模塊轉入儲能狀態(tài)。若晃電時間超過控制模塊設定的延時時間,則輔助觸頭釋放,電動機跳閘。當停止按鈕發(fā)出正常分閘指令時,防晃電接觸器能正確區(qū)分并及時分閘。

c) 接觸器防晃電模塊,是在普通接觸器上增加防晃電模塊,主要分為晃電立即起動+分批再起動、防晃電再起動、晃電后延時再起動3種。防晃電模塊具有接線簡單、安裝方便、類型全面、工作性能可靠的特點。

防晃電接觸器和接觸器防晃電模塊,均在晃電時保持接觸器主回路不脫扣,可充分利用母線殘壓支撐電動機不會快速停機,避免電源恢復時再合接觸器造成的沖擊。目前,大部分防晃電接觸器和接觸器防晃電模塊已集成了晃電后再起動功能,因此,其在油田企業(yè)晃電多發(fā)區(qū)域的應用較為廣泛。

5 結論

本文通過測試油田常用8種型號交流接觸器的電壓暫降敏感度,并對比已有文獻試驗結果,得到以下結論。

a) 電壓暫降的初始相位對于交流接觸器的耐受度曲線有較大的影響,其關系近似滿足四分之一對稱性,即每隔0°～90°為一個周期?？梢詢H對電壓暫降初始相位為0°和90°進行測試,得到VTC的范圍。交流接觸器對于0°起始點下電壓暫降的敏感度最低,對于90°起始點下電壓暫降的敏感度最高。

b) 相同功率下線圈電壓為220 V和380 V的交流接觸器,電壓暫降耐受能力曲線在標幺值坐標軸系下的差別很小。

c) 同一類型的交流接觸器,不同樣本之間的電壓暫降耐受能力曲線差別很小,可以忽略不計。

d) 容量越大,交流接觸器抵抗電壓暫降的能力越強。交流接觸器在電壓幅值為0.70 p.u.時,基本都會可靠吸合;在電壓暫降幅值為0.55 p.u.～0.65 p.u.時,可能會出現(xiàn)持續(xù)振動的現(xiàn)象,且在電壓暫降初始相位90°附近時居多。

e) 油田企業(yè)應根據(jù)現(xiàn)場情況合理選擇防晃電接觸器、接觸器防晃電模塊等防晃電措施。

考慮到相同類型交流接觸器的電壓暫降耐受曲線誤差較小,本文測得的電壓暫降耐受能力曲線可為油田企業(yè)交流接觸器的選型及電壓暫降防治提供科學的參考依據(jù)。