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摘要：本文结合孟加拉某重油电站项目增加延时欠压（失压）脱扣功能的情况，通过分析欠压（失压）脱扣功能原理、取消的危害性以及使用中问题的对策，提出了低压开关宜采用延时欠压脱扣器及失压脱扣重合闸控制器的优化解决方案，从而使低压开关欠压（失压）脱扣功能更好地发挥作用。
关键词：低压开关；欠压；失压；脱扣；优化
孟加拉某重油电站项目利用重油为燃料，采用重油发电机组发电，装机总容量为100MW，安装6台瓦锡兰（WARTSILA）制造生产的W18V50型、功率为18415KW的重油发电机组，3台发电机的废气分别进入3台废气锅炉，锅炉蒸汽用于加热重油和润滑油，其他发电机的废气进入3个废气消声器。本工程厂用电系统采用动力中心（PC）和电动机控制中心（MCC）相结合的供电方式。415V厂用电系统分I、II两段向全厂低压电力负荷供电，单母线接线。两段母线互为备用，双套辅机和成对出现的MCC分接在两段上，两段同时工作。原则上75kW及以上电动机从PC供电，75kW以下的电动机从MCC供电，低压变压器及动力中心、电动机控制中心成对设置，建立双回路电源通道，低压变压器互为备用，自动切换。另设置一台额定功率500kW 应急柴油发电机组作为黑启动电源，该柴油发电机组对应设置一段415V启动PC 段。
1 孟加拉重油电站厂用电接线方式
2 孟加拉重油电站不安装欠压（失压）脱扣功能可能存在的问题
根据瓦锡兰厂家发电机总体设计理念和安全保护要求，应在发电机断路器和降压变压器断路器中安装欠压（失压）跳闸线圈，以便当控制电源未能向断路器控制回路和并联跳闸线圈供电时，断开/跳开断路器，跳闸线圈在控制电源故障时可提供机械联锁，以避免在就地/远程位置关闭断路器。
当跳闸线圈缺失时，后果将是：
（1）当控制电源失电，断路器既不能在远方位也不能通过保护装置保护跳闸被断开/跳开，唯一方式是打开中压柜前门，人工通过断路器内置按钮断开断路器，比较危险。
（2）当发电机不运行或电压未建立时，断路器可以闭合。
（3）当失磁时，断路器不会断开/跳开，发电机通过吸收电网电源作为电机运行，而不是向电网发电，容易使励磁机损坏。
对厂用降压变压器断路器而言：
当11kV母线失电时，中压开关柜侧和低压开关柜侧的断路器都应通过欠压功能跳闸。如果缺少欠压跳闸线圈：
（1）如果黑启动断路器能承受两级降压变压器产生的冲击电流，来自黑启动机组的415V低压电源将通过降压变直接输送至11kV母线。
（2）如果黑启动断路器不能承受冲击电流，它将在合闸过程中突然跳闸，黑启动功能将失效。
因此，为了保护发电机和发电厂的安全运行，增加欠压跳闸线圈到发电机断路器以及降压变高压侧和低压侧断路器中是很关键的，以保证控制电源失电时断路器仍然能够跳开，而不会对设备造成任何损坏。
3 失压（欠压）脱扣开关原理
欠压（失压）脱扣功能是低压开关带有的一项重要保护功能，由与其同体安装的欠压脱扣器实现。国标GB14148.1-2012《低压开关设备和控制设备 第1部分：总则》规定欠压脱扣器的动作范围为额定电压的70%~35%，零电压（失压）脱扣动作电压失在额定电压的35%~10%[1]。欠压脱扣器安装在低压断路器内，脱扣器与衔铁相连的拉杆和断路器的脱扣杆之间留有一定的间隙。其一般工作原理为：当线路和电压正常（85%~110%额定电压）时，欠压脱扣器的衔铁被其铁芯吸住，断路器处于运行（闭合）状态；当线路电压降低到70%额定电压以下时，欠压脱扣器铁芯电磁吸力减小，直至吸不住衔铁，衔铁脱开并带动拉杆撞击断路器的脱扣杆，使断路器跳闸[2]。当用电网络出线欠压时，欠压脱扣器将瞬时或经一定的延时后使断路器跳闸，断开电源以保护电线、电缆和一些重要的电力设备。当厂用电出线失压时，为防止电站恢复供电时对电器设备产生冲击，欠压脱扣器也会使断路器跳闸。
4 取消欠压（失压）脱扣功能的危害
在配电网中低压断路器的工作位置是在供电设备和受电设备的连接处，功能上看欠压脱扣器是监测受电网电压的[3]。低压断路器取消欠压（失压）脱扣功能后，当受电网处于欠压或失压状态时，低压断路器将不会进行跳闸保护。这样会对电网安全经济运行、用户负荷设备带来程度不一的损害。
4.1 对电网安全经济运行的影响
受电网失压后，如果用户侧低压断路器取消了欠压（失压）脱扣功能，在线路故障跳闸、限电、检修等情况下低压断路器将保持闭合。如果电网恢复供电，一方面由于操作过电压和冲击等原因，会造成瞬间的电压质量变化，对用户设备造成严重威胁甚至损坏；另一方面，由于所有线路的低压断路器都保持闭合，多处用户设备将同时启动，启动电流很大，引起线路瞬时过载，对电网安全运行极为不利。
另外，国标GB50052-2009《供配电系统设计规范》规定，中断供电将造成人身伤亡的、重大政治影响的、重大经济损失的一级负荷及部分二级负荷，必须配备备用电源[4]。对这一类型的用户，如果拆除欠压脱扣器，在电网故障断电后，用户侧断路器将不跳闸，而此时备用电源切入供电将产生电流倒灌的情况，危害到电网及人身安全。
电网欠压运行，对电网的安全与经济运行都极为不利。在安全方面，运行电压过低（降到70%额定电压以下）时，将可能导致电网无功功率缺额增大与电压进一步下降的恶性循坏，严重的最终可能导致配电网系统崩溃，从而造成大面积停电事故；另外，额定负载时变压器的有功损耗是其空载损耗的几倍甚至几十倍，因此当传输功率较大时，欠电压运行将导致变压器过电流[5]，并可能因此损坏变压器，进而危及电网安全运行。在经济方面，配电网传输的功率不变（负载没变化）时，欠电压意味着过电流，而电流越大配电网损耗（线路损耗、变压器损耗，与电流平方成正比）就越大。
4.2 对用户用电设备的影响
电网用户侧负荷主要有交流电动机及家用电器，且交流电动机占负荷的很大比例。国标GB50055-2011《通用用电设备配电设计规范》第2.4.10条指出，交流电动机的低电压保护应符合下列规定：低电压保护器件宜采用低压断路器的欠压脱扣器或接触器的电磁线圈[6]。即如果用户有使用交流电动机，宜安装欠压脱扣器。
如果用户侧低压断路器取消欠压（失压）脱扣功能，则当欠电压很严重（如＜70%额定电压）时，低压断路器将不会跳闸，从而致使相关用户的用电设备处于欠压运行状态，这将产生许多不良后果，尤其是电动机。由于电动机的最大转矩与运行电压的平方成正比，因此它的最大转矩将随着电网电压的下降而急剧下降。当最大转矩下降到临界转矩（即正好与负载阻尼转矩相平衡的转矩）时，电压再稍微下降，电动机就会发生疲倒、堵转，致使其工作电流急剧上升并达到数倍额定电流，最终可能因电流过大而烧毁绕组、引起短路。若不采取任何保护措施，将很快烧毁电动机[7]。另外，异步电动机端电压降低时，其定子和转子电流将增大，若长期处于低电压运行，势必加速其绝缘材料的老化，从而缩短使用寿命。
5欠压（失压）脱扣功能使用的优化对策
具有欠压（失压）脱扣功能的低压断路器在使用中存在的矛盾事实上只有两个：一是因电网瞬时波动、闪变、断电引起低压断路器跳闸导致用户突然停电；二是供电部门恢复供电时手动合闸工作量大、速度慢。只要解决好这两个问题，就无需取消欠压脱扣器，同时可以避免因此带来的种种危害。
第一个问题可采用延时欠压脱扣器加以解决。其一般工作原理是：在低压断路器开始工作时，电源通过欠压延时装置对欠压脱扣器充电，使其保持吸合并监视电网状态，同时欠压延时装置通过内部电路储备电能。当电网电压处于额定电压的70%~35%或瞬时断电时，电源无法提供足够的电压保持欠压脱扣器的吸合，此时欠压延时装置释放储备的电能，对欠压脱扣器供电，使其得以延时动作。一般地，电力系统中除因永久性故障引起的暂时不可恢复的供电外，大多数为瞬时性故障。采用延时欠压脱扣器后，对于一般性短时电压波动、闪变等，低压断路器将不会跳闸，对于长时低于欠压脱扣器动作电压即75%额定电压，此时的电网状况已非常恶劣，理应跳闸保护用户设备。
对于第二个问题，则可以设计一种智能自动合闸控制装置，它能够在线路恢复供电时，自动将因失压脱扣动作而跳闸的低压断路器合闸，从而避免繁重的人工合闸。根据低压断路器与欠压脱扣器的工作特点，这种智能自动合闸控制装置应具备以下功能：
（1）能够自动识别低压断路器的跳闸是否因欠压（失压）脱扣引起，若是则在具备合闸条件时控制断路器自动合闸，否则控制器不输出合闸信号（如由于人工分段或过流保护分断时）；
（2）能够设置或随机生成合闸延迟时间，以避免多个断路器同时合闸给电网带来的冲击；
（3）具有负荷侧有电时闭锁合闸并发出告警信号的功能，以防止用户自备电源投入运行时向电网倒送电；
（4）具有合闸失败告警与再次合闸的功能，以确保合闸成功；
（5）实现自动合闸与手动合闸互为备用。
目前，孟加拉重油电站项目厂变高、低压侧均采用具有延时欠压（失压）脱扣功能的断路器，以防止出线以上问题，运行效果良好。
6 结论
低压断路器使用延时欠压脱扣器及失压脱扣重合闸控制器的优化方案，既可避免误动，又可保护用户设备，还可节省来电合闸的工作量，很大程度提高了供电可靠性和配电自动化程度。
参考文献
[1]GB14048.1-2012，低压开关设备和控制设备 第1部分：总则[S]。
[2]低压断路器设计与制造[M]。
[3]低压空气断路器的运行故障研讨[J]。
[4] GB50052-2009，供配电系统设计规范[S]。
[5]电能质量[M]。
[6]通用用电设备配电设计规范[S]。
[7]接触器对电动机欠压保护的探讨[J]。
论文作者:蔡春燕1, 于国新2
论文发表刊物:《建筑实践》2019年第14期
论文发表时间:2019/10/29
标签：断路器论文; 电压论文; 电网论文; 功能论文; 低压论文; 重油论文; 孟加拉论文; 《建筑实践》2019年第14期论文;