聯鎖故障分析及排查方法和防范措施

范文進

(揚子石油化工設計工程有限責任公司，南京 210048)

在某低溫乙烯儲運裝置的試車過程中，出現冷凍機組聯鎖跳車故障，致使冷凍機組壓縮機吸入帶液丙烯氣，最終造成機組受損，耽誤了工期，造成了巨大的經濟損失。筆者針對該故障進行分析，并總結故障的排查方法，提出了必要的防范措施，希望能夠對今后相關項目的現場施工及調試有所幫助。

1 故障現象

為保證控制的可靠性，冷凍機組的二次控制回路采用220 V(DC)系統，原理如圖1所示。圖中STP為二次控制回路的啟停開關，信號由儀表控制系統輸出；KM為直流繼電器，該繼電器觸點串入電機控制主回路，實現電機的啟動和停止。

圖1 控制回路原理示意

正常運行時，STP閉合，KM得電，電機主回路閉合；當聯鎖發生時，STP斷開，KM失電，電機主回路斷開，電機停止運行。但現場試車時，聯鎖信號正常產生，而KM并沒有失電。并且調試人員發現，在電機啟動后，開關柜有聲光報警。

經確認，開關柜聲光報警是由直流系統的絕緣監測裝置產生的，因而初步判斷為直流系統存在接地干擾。通過調試人員排查，用搖表測出控制信號電纜對地電阻為2.5 kΩ，根據國家電網公司2005年3月發布的《直流電源系統運行規范》第9章第28條規定： 220 V直流系統兩極對地電壓絕對值差超過40 V或絕緣對地電阻降低到25 kΩ以下，48 V直流系統任一極對地電壓有明顯變化時，應視為直流系統接地，可認為該故障是由直流系統接地引起的。最終調試人員檢查信號電纜，發現信號電纜絕緣層已破損。

2 故障分析

因工作需要，直流電源系統只允許在絕緣監測裝置內有一處接地，其正、負極均應是絕緣的。根據平衡電阻橋絕緣監測原理，圖1的詳細原理如圖2所示，圖2中R1，R2為絕緣監測裝置內部的檢測電阻，R+，R-為直流系統正負極對地絕緣電阻，C+，C-為直流系統正負極對地等效電容。

圖2 控制回路詳細原理示意

根據上述故障現象，即啟停開關STP閉合后，絕緣檢測裝置發出聲光報警，可以斷定，接地不應發生在A和C點，而是發生在B點，B點接地后，其等效原理圖如圖3所示。

圖3 B點接地后控制回路原理示意

圖3中R為搖表測出的接地電阻(2.5 kΩ)，正是由于該電阻遠小于25 kΩ，造成電源正母線通過開關STP和該電阻接地，使得絕緣監測裝置產生聲光報警。

根據圖3所示，當開關STP閉合時，BC間電壓UBC=Us=220 V(DC)，繼電器KM得電動作，電機運行。同時，電容C-通過接地電阻R充電，當工藝聯鎖產生時，STP斷開，電容C-通過閉合回路DBCE放電，KM維持得電狀態，根據電路三要素法，可計算出UBC。

在STP斷開的0時刻，UBC不可突變，則：

UBC=UBC(0+)=Us=220 V

(1)

根據閉合回路DBCE的電容和電阻關系可知：

T=RC

(2)

式(2)中，T為時間常數，計算忽略了繼電器KM及電纜的等效電阻，從而得到STP斷開后的UBC如下：

UBC=220e-t/T

(3)

當UBC大于繼電器KM的動作電壓時，電機主回路仍不能斷開，壓縮機仍繼續運行，直到UBC降至繼電器KM動作電壓以下，KM失電，電機才能停止運行，原理如圖4所示：

圖4 UBC與UKM關系

圖4中，UKM為繼電器動作的最低電壓，t0時刻UBC=UKM，圖4中陰影部分為繼電器的動作區域，即t0之前，電機都無法停止運行，也正是該段時間過長，致使壓縮機吸入帶液丙烯氣，并使油氣分離器缺油，導致整個機組受損。

3 故障排查

直流電源系統在長期運行過程中，會由于環境的變化，電纜以及接頭的老化等問題，不可避免地發生直流系統接地。其接地情況包括： 按接地極性分為正接地和負接地；按接地種類可分為直接接地(金屬接地或全接地)和間接接地(非金屬接地或半接地)；按接地的情況可分為單點接地、多點接地、環路接地和絕緣降低(片接地)。

正常時，正、負極對地絕緣電阻相等，對地電壓平衡，發生一極接地時(圖2中A和C點接地)，電壓的平衡性被破壞，接地極對地電壓降低，非接地極電壓升高，直流一極接地時，一般不會立即產生寄生回路，危害保護設備的運行。但是，存在一極接地的直流系統，供電可靠性大幅降低，因為當同一極的另一地點再發生接地時，可能使信號裝置、繼電保護和控制裝置誤動作或拒動作，或者發生另外一極接地時，將導致直流系統短路，造成嚴重后果，所以不允許直流系統長期在一點接地的情況下運行，必須及時排查。

目前，直流系統都配置有絕緣監測裝置，在發生直流接地后，檢測到母線絕緣下降時，會自動投入支路巡檢功能，查出接地支路，但無法定位具體的接地點，技術上受監測點安裝數量的限制，很難將接地點縮小到一定范圍，所以該絕緣監測裝置的局限性較大。要明確定位，還可采用便攜式直流接地檢測裝置，該裝置在電力系統中廣泛應用，無需斷開直流回路，可帶電查找，極大地提高了查找的安全性。但在石化行業內，現場調試、試車過程中仍以拉回路法為主，即分別對各路空氣開關或熔斷器拉閘停電進行查找，將接地點限定在某個回路中，再用搖表對回路中的每根電纜搖測其絕緣從而鎖定接地點。

對于圖2中B點接地的情況，在試車初期，不易發現，而且在接地干擾不強時，也能維持正常運行，因而隱患較大。而對于該類接地，可將繼電器KM斷開，并短路開關STP，通過觀察絕緣監測裝置來判斷是否存在絕緣降低的情況。若有，即可采用拉回路法確定接地點的大致位置。

4 防范措施

提高系統內電氣設備的性能是保證直流系統可靠穩定運行的首要措施，如增大繼電器KM的動作功率，減小圖4中陰影部分的面積，或采用抗干擾能力強而無抗干擾電容的微機保護裝置，以減小二次控制回路的對地電容。

除此之外，由于直流系統中一般電纜多且長，容易受塵土、潮氣的腐蝕，使某些絕緣薄弱元件絕緣性能降低，甚至絕緣破壞造成直流接地。因此，還應采取以下措施來防止該類事故的發生：

1) 二次控制回路絕緣材料應選用合格的、絕緣性能高的產品，避免年久老化，施工時還應避免電纜磨傷、砸傷、壓傷和扭傷等。

2) 采用合格的接線盒等產品以及必要的防護措施，避免二次控制回路及相關設備因污穢、受潮或進水使直流系統對地絕緣下降。

3) 采取必要的填埋措施，防止老鼠、蜈蚣等爬入帶電回路，造成某些元件線頭、未使用的螺絲、墊圈等零件掉落在回路上。

4) 在設計控制電纜走向時，應遠離動力電纜，并盡量縮短電纜敷設長度，減小分布電容。

5 結束語

綜上分析，直流電源系統一點接地的概率較大，若發生在控制信號電纜側，其危害性往往比兩點接地更大，難以預防，且隱蔽性強，很難查明真正原因。同時，直流二次控制回路處在一個強電磁環境中，工頻電流電壓、系統短路故障、開關操作、雷電侵擾等各種干擾信號，均可通過雜散電容進入二次回路，不可避免地影響二次回路的正常工作。

因此，要避免發生接地事故，還應加強對系統的維護力度，如對電纜溝、接線箱等易受潮設備進行定期檢查，防止因受潮引起的直流接地引發此類事故。

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