油田常用交流接触器电压暂降敏感度实验研究*

2024-01-15刘维功张洪阳时振堂

安全、健康和环境 2023年12期

刘维功,刘杰,李君,张洪阳,时振堂,李炜

(1. 中石化(大连)石油化工研究院有限公司,辽宁大连 116045 2.中国石化胜利油田分公司技术检测中心,山东东营 257000)

0 前言

随着新能源发电和电力电子设备接入油田电网数量的逐渐增多,油田电网对电能质量的要求越来越高。电压暂降又称电压跌落或电压骤降(俗称“晃电”),是指电力系统中某点工频电压有效值暂时降低至额定电压的10%～90%,并持续10 ms～1 min后恢复正常的现象[1]。电压暂降具有发生频率高、事故危害大、事故原因不易察觉等特点,在近几十年内,电压暂降是导致各类敏感电气设备无法正常工作的主要原因,一般认为70%～80%的电能质量问题是由电压暂降引起的。

交流接触器是广泛应用的电器产品,用来接通或断开带负载的交流主电路或大容量控制电路。在油田企业中,通常使用交流接触器进行交流电动机拖动抽油机负荷的启停控制。目前行业内要求交流接触器应在85%额定电压下可靠吸合,在40%额定电压下可靠断开,为提高接触器抵御电压暂降的能力,通常把电磁机构的最低吸合电压设计在70%～75%额定电压[2]。交流接触器是油田电网电压暂降时影响范围最大的设备,当油田电网发生电压暂降时,交流接触器由于自身特性会发生非正常断电,大量电动机及抽油机停止导致油田大面积生产中断。

电压暂降敏感度,通常用电压幅值-持续时间平面上的电压耐受曲线描述[3]。福州大学许志红团队[2,4]建立了考虑触头运动情况的电磁机构磁路动态计算方程和仿真模型,理论分析了电压暂降幅值、持续时间、初始相位和相角变化对交流接触器工作特性的影响。华北电力大学徐永海团队[5]对不同厂家的交流接触器进行了试验研究,分别考察了电压暂降特征量以及典型电压暂降事件对交流接触器敏感度的影响。四川大学肖先勇团队[6]、陶冶[7]研究了交流接触器对电压暂降敏感度的评估方法,提高了交流接触器电压耐受曲线预测的准确性和适应性。

综上所述,研究人员对交流接触器电压暂降敏感度进行了大量研究,但尚未见到专门针对油田常用交流接触器电压暂降敏感度研究的资料。为提高油田企业电压暂降的防治水平,有必要精确研究油田常用交流接触器对电压暂降的敏感度。

1 交流接触器结构及工作机理

交流接触器结构及工作原理如图1所示,其核心结构主要包括动静触头、触头弹簧、动静铁芯、电磁线圈、短路环等。当电磁线圈接通交流电压时,线圈产生电磁吸力,动铁芯克服触头弹簧向静铁芯运动,带动动触头与静触头闭合,主回路导通,同时与主触头机械相连的辅助常开触点闭合,辅助常闭触点断开。当电磁线圈电压降低或失电时,线圈产生的电磁吸力不足或消失,动铁芯及联动部分在触头弹簧的作用力下与静铁芯分离,主回路断开,同时与主触头机械相连的辅助常开触点断开,辅助常闭触点闭合。为了减少磁路磁通不连续产生的振动,通常在静铁芯上配置短路环。

图1 交流接触器结构及工作原理

当发生电压暂降时,若交流接触器线圈电压跌落至某一数值,触头弹簧的反力和电磁吸力基本平衡,会导致交流接触器的动静触头不停地快速闭合—释放—闭合……,发生快速震动或弹跳。此时,会使电动机、电力电子设备等用电负荷快速通电—断电—通电……,可能严重损伤负荷,交流接触器的动静触头也可能发生拉弧放热甚至触头熔焊[8,9]。

2 油田交流接触器电压暂降敏感度试验方案

2.1 试验平台搭建

为研究交流接触器对电压暂降的敏感度,搭建了如图2所示的试验平台,包括2台三相交流电源、EMS61000-11C三相电压暂降发生器,正泰 CJX2系列交流接触器(容量分别为4,7.5,11,22,30,50,85,132 kW,每种容量3个),负载灯箱和示波器。三相电压暂降发生器可以任意模拟三相电压暂降的电压幅值、持续时间、初始相位。

图2 交流接触器电压暂降敏感度试验平台

三相电压暂降发生器输出三相220 V交流电,因此将交流接触器的380 V电磁线圈两端接到电压暂降发生器输出端的任意两相上,并进行电压相位的换算。图2所示连接的电压相位如图3所示,测量380 V线圈电压交流接触器时,使用的是AC之间的线电压,而电压暂降初始相位的设置是按照A相的相电压为基准的,因此,需要将设置的电压暂降初始相位减去150°,才是真实的电压暂降电压初始相位。判断电压暂降期间交流接触器的主触头处于断开或闭合状态,可以通过灯箱负载和示波器电压波形综合判断。灯灭表示主触头断开,灯亮表示主触头闭合。

图3 电压暂降初始相位关系

2.2 试验步骤

a) 将三相电压暂降发生器接入电源1,输出A、B、C端口的任意2个分别使用软接线连接至交流接触器的A1、A2电磁线圈端口;交流接触器主触头回路接入电源2和灯箱负载之间,示波器探头接在主触头回路上测量电压波形。

b) 设置电压暂降发生器的初始参数为:电压暂降相位为0°,电压暂降时电压幅值为0%UN,电压暂降持续时间为0 s。然后控制电压暂降发生器输出以上参数设置的电压暂降。

c) 观测灯箱变化和示波器电压波形。若交流接触器主触头不震颤或者不断开,则增加电压暂降持续时间,若发生震颤或者断开,则减少电压暂降持续时间。时间步长为10 ms(电压暂降发生器的电压暂降可设置最小时间步长为10 ms)。为了消除电磁线圈剩磁的影响,提高测量精度,每次试验后断电1 min再进行试验。直至寻找到最小的使交流接触器主触头明显震颤或断开的电压暂降持续时间tn,记录数据。

d) 按5%UN的步长增加电压暂降时的电压幅值。继续重复步骤c),记录数据。

e) 按30°的步长增加电压暂降初始相位。继续重复步骤c)和步骤d),记录数据。

f) 整理数据,绘制不同情形下电压暂降耐受能力曲线图,并进行分析研究。

3 油田交流接触器电压暂降敏感度试验分析

影响交流接触器电压暂降敏感度的因素主要包括电压暂降的电压幅值、持续时间、初始相位、相位跳变、电网频率和谐波等[10,11]。本文主要考察电压暂降的电压幅值、持续时间、初始相位对容量为4～132 kW的8种油田常用交流接触器的影响。

分析电压暂降敏感度,需要绘制电压幅值-持续时间平面上的电压耐受能力曲线(Voltage Tolerance Curve,简称VTC)。某个线圈电压380 V、11 kW交流接触器在电压暂降初始相位为0°时的VTC如图4所示。测量VTC后,可以找出不同影响因素下交流接触器的最大持续时间和最小持续时间,得到其敏感度的上下限,交流接触器电压耐受能力曲线簇的上、下限代表了交流接触器敏感度的最高、最低边界。

图4 初始相位0°时,11 kW交流接触器的VTC

3.1 电压暂降初始相位影响分析

选取某个线圈电压为380 V、11 kW交流接触器,在不同电压暂降初始相位下进行试验并绘制VTC,如图5所示。绘制不同电压暂降初始相位下的最大、最小正常工作时间随初始相位的关系曲线,如图6所示。

图5 不同电压暂降初始相位下VTC簇

图6 最大、最小正常工作时间随初始相位的变化

由图5和图6可见:交流接触器对于0°起始点下电压暂降的敏感度最低。交流接触器对于90°起始点下电压暂降的敏感度最高,且残压越大,持续时间越长。电压暂降的初始相位对于交流接触器的耐受度曲线有较大的影响,其关系近似满足四分之一对称性,即每隔0°～90°为一个周期。电压暂降曲线簇基本位于电压暂降初始相位0°～90°,因此,可以仅对电压暂降初始相位为0°和90°进行测试,得到电压暂降敏感度的上下限范围。

3.2 线圈电压影响分析

油田常用的交流接触器,线圈电压多为380 V,但在较少场合下可能使用线圈电压为220 V的型号。选用线圈电压分别为220,380 V的11 kW交流接触器,测试电压暂降初始相位为0°和90°的电压暂降耐受能力曲线,如图7所示。

图7 线圈电压220,380 V 的交流接触器的VTC

由图7可知,功率相同、线圈电压不同的交流接触器电压暂降耐受能力曲线在标幺值坐标轴系下的差别很小,可以忽略不计。

3.3 样本差异性影响分析

为进一步分析完全相同型号的交流接触器不同样本的差异性,测量380 V线圈电压、11 kW的3个交流接触器(1#、2#和3#样本)在电压暂降初始相位为0°和90°的电压暂降耐受能力曲线,如图8所示。

由图8可知,同一类型的交流接触器,不同样本之间的电压暂降耐受能力曲线差别很小,可以忽略不计。因此,在进行某一型号的交流接触器电压暂降耐受能力测试实验时,可通过测量1个或少数几个样本测量确定。

3.4 容量影响分析

测量380 V线圈电压4,7.5,11,22,30,50,85,132 kW的8种型号交流接触器在电压暂降初始相位为0°和90°的电压暂降耐受能力曲线,如图9和图10所示,进一步分析不同容量交流接触器电压暂降耐受能力的差异性。

图9 初始相位0°时,不同容量交流接触器的VTC

图10 初始相位90°时,不同容量交流接触器的VTC

由图9和图10可见:电压暂降初始相位为0°时,交流接触器电压暂降耐受时间随容量的增大而增大。即容量越大,交流接触器抵抗电压暂降的能力越强。电压暂降初始相位为90°时,交流接触器电压暂降耐受时间随容量的增大基本不变,一方面是因为电压暂降初始相位为90°是交流接触器跳闸时间最短的情况,另一方面是因为电压暂降发生器的最小电压暂降时间间隔为10 ms,无法进一步精确测量电压暂降耐受时间。综上所述,交流接触器的容量越大,抵抗电压暂降的能力越强。

在试验过程中,交流接触器多次出现持续振动的现象,即磁铁不断地吸合释放,这会使铁芯和线圈严重发热,损伤交流接触器。通过实验发现,这种持续振动的现象多发生在电压暂降幅值在0.55 p.u.～0.65 p.u.(p.u.为标幺值)时,且电压暂降初始相位在90°附近。由于单相接地故障多发生在电压相位90°时,因此,交流接触器应尽量避免电压暂降幅值在0.55 p.u.～0.65 p.u.的情况,这可能发生严重事故。

4 油田交流接触器防止电压暂降措施

油田交流接触器常用的防止电压暂降措施主要有晃电后接触器再起、防晃电接触器、接触器防晃电模块等[12]。

a) 晃电后接触器再起,是检测到电压在再起装置设定的防晃电时间内恢复时,再起装置使接触器重新吸合。原理简单、应用可靠,但不利于快速恢复供电,适用于晃电持续时间较长,电动机停转时分批起动电动机的情况。

b) 防晃电接触器,是具有抗晃电带延时脱扣功能的接触器。当晃电发生时,接触器线圈由于超级电容等器件的储能延迟释放,其辅助触头延迟发出断开的控制信号,由此躲过晃电时间,当电源电压恢复后,控制模块转入储能状态。若晃电时间超过控制模块设定的延时时间,则辅助触头释放,电动机跳闸。当停止按钮发出正常分闸指令时,防晃电接触器能正确区分并及时分闸。

c) 接触器防晃电模块,是在普通接触器上增加防晃电模块,主要分为晃电立即起动+分批再起动、防晃电再起动、晃电后延时再起动3种。防晃电模块具有接线简单、安装方便、类型全面、工作性能可靠的特点。

防晃电接触器和接触器防晃电模块,均在晃电时保持接触器主回路不脱扣,可充分利用母线残压支撑电动机不会快速停机,避免电源恢复时再合接触器造成的冲击。目前,大部分防晃电接触器和接触器防晃电模块已集成了晃电后再起动功能,因此,其在油田企业晃电多发区域的应用较为广泛。