防晃電技術(shù)及其在石化行業(yè)中的應(yīng)用

張風(fēng)平

(中國石油蘭州石化公司動(dòng)力廠，蘭州 730060)

石化行業(yè)特殊的生產(chǎn)環(huán)境對(duì)供電的可靠性有很高的要求，在生產(chǎn)過程中不允許電動(dòng)機(jī)由于供電原因而停機(jī)。但在實(shí)際生產(chǎn)過程中各種設(shè)備的供電系統(tǒng)受內(nèi)外因素的影響較多，很容易發(fā)生晃電現(xiàn)象，致使正在運(yùn)行的裝置設(shè)備停機(jī)，連續(xù)生產(chǎn)過程被迫中斷，不僅產(chǎn)生廢料和廢氣，還可能引發(fā)有毒有害物質(zhì)的泄漏，造成火災(zāi)爆炸及人員中毒死亡等事故；由于石化生產(chǎn)工藝的特殊性，裝置建立穩(wěn)定的生產(chǎn)平衡需要很長時(shí)間(一般2～5d)，給企業(yè)造成巨大損失。

在此，詳細(xì)分析晃電產(chǎn)生的原因及其對(duì)供電回路的影響，并對(duì)5種防晃電技術(shù)進(jìn)行分析比較，最后闡述防晃電技術(shù)在某石化企業(yè)的實(shí)際應(yīng)用。

由于雷擊、短路、大電機(jī)直接啟動(dòng)、某種瞬時(shí)故障或其他原因引起電網(wǎng)電壓大幅波動(dòng)甚至短時(shí)斷電，致使用電設(shè)備不能正常工作的現(xiàn)象俗稱晃電，晃電具有不可預(yù)見性[1～3]。

在石化行業(yè)，晃電發(fā)生時(shí)由接觸器控制的電機(jī)回路和其他設(shè)備會(huì)自動(dòng)停車，即使供電立即恢復(fù)正常電機(jī)也不會(huì)自動(dòng)啟動(dòng)，需由人工啟動(dòng)電氣設(shè)備，不僅浪費(fèi)時(shí)間還造成連續(xù)生產(chǎn)過程的中斷，可能引起設(shè)備損壞、爆炸及火災(zāi)等事故。

常見的晃電現(xiàn)象：電壓驟降、驟升，持續(xù)時(shí)間0.5個(gè)周波至1min(一般電壓上升或下降的幅度是額定電壓的110%～180%或10%～90%)；電壓閃變，一般表現(xiàn)為人眼對(duì)照明異常而產(chǎn)生的視覺感受；短時(shí)斷電，持續(xù)時(shí)間0.5個(gè)周波至3s的供電中斷。

2 晃電對(duì)供電回路的影響

2.1 交流接觸器

交流接觸器在低壓電動(dòng)機(jī)回路中應(yīng)用非常廣泛，所占比例很大，石化行業(yè)較大一部分電機(jī)都是由交流接觸器控制的。當(dāng)電網(wǎng)發(fā)生晃電現(xiàn)象時(shí)，由于接觸器額定電壓的下降或中斷，致使線圈對(duì)鐵芯的吸引力小于彈簧的彈力，致使接觸器釋放，造成一大批電機(jī)停止工作，使連續(xù)生產(chǎn)過程中斷，晃電現(xiàn)象對(duì)接觸器的影響如圖1所示。一般情況下，交流接觸器線圈電壓在降到額定電壓的50%時(shí)開始抖動(dòng)；降到40%或30%時(shí)接觸器釋放；在電壓低于80%或更高的情況下，一般持續(xù)幾個(gè)周期后接觸器也會(huì)釋放。因此，一旦電網(wǎng)發(fā)生晃電，就會(huì)造成接觸器不同程度的釋放，導(dǎo)致很多低壓電動(dòng)機(jī)回路停機(jī)。

圖1 晃電現(xiàn)象對(duì)接觸器的影響

2.2 變頻裝置

針對(duì)石化行業(yè)的特點(diǎn)，一些重要裝置由于啟動(dòng)瞬時(shí)電壓大，需采用變頻器回路供電。一般輕微的晃電，會(huì)由于變頻器的自身特性，在欠壓或斷電情況下，且逆變器是電流驅(qū)動(dòng)型-GTR時(shí)，就會(huì)停止向驅(qū)動(dòng)電路輸出信號(hào)，使電動(dòng)機(jī)處在自由的制動(dòng)狀態(tài)，此時(shí)變頻器在很短的時(shí)間內(nèi)能繼續(xù)工作，對(duì)裝置不會(huì)造成影響。但是，在晃電較為強(qiáng)烈時(shí)，且逆變器為電壓驅(qū)動(dòng)型-IGBT時(shí)，就會(huì)導(dǎo)致變頻器的調(diào)速電動(dòng)機(jī)停止工作。因?yàn)楫?dāng)負(fù)載不變時(shí)，由于電網(wǎng)電壓的下降，電動(dòng)機(jī)的電流會(huì)增加，流過變頻裝置的電流也增加，導(dǎo)致變頻器熱量增加，影響變頻器的正常運(yùn)行。

一般變頻器的控制電源都采用開關(guān)電源，電網(wǎng)電壓波動(dòng)不大時(shí)，控制系統(tǒng)能夠正常運(yùn)行；電網(wǎng)電壓波動(dòng)比較嚴(yán)重時(shí)，由于工作電流增加或工作溫度升高，導(dǎo)致變頻器熱量增加[4]，導(dǎo)致控制系統(tǒng)不能正常工作、變頻器損壞同時(shí)裝置停機(jī)。

3 防晃電技術(shù)分析

3.1 采用斷電延時(shí)時(shí)間繼電器

早期的防晃電技術(shù)通常采用的是斷電延時(shí)時(shí)間繼電器，在整個(gè)過程中只有電壓恢復(fù)正常時(shí)時(shí)間繼電器的延時(shí)功能才能啟動(dòng)，也就是電源恢復(fù)正常后延時(shí)觸點(diǎn)會(huì)使電動(dòng)機(jī)的整個(gè)回路接通，實(shí)現(xiàn)電動(dòng)機(jī)的重啟動(dòng)。時(shí)間繼電器的工作原理如圖2所示。

圖2 時(shí)間繼電器工作原理

正常運(yùn)行時(shí)按下啟動(dòng)按鈕SB1給接觸器KM線圈供電，KM線圈帶電，其輔助常開觸頭閉合使接觸器形成自鎖，接觸器的主觸頭吸合，接通主回路啟動(dòng)電機(jī)；同時(shí)時(shí)間繼電器的線圈也帶電，使并聯(lián)在接觸器KM自鎖觸頭兩側(cè)的延時(shí)斷開的常開觸頭閉合。當(dāng)晃電發(fā)生時(shí)，接觸器的線圈失電，輔助觸頭和主觸頭恢復(fù)到常開狀態(tài)，斷開主回路，時(shí)間繼電器的線圈也失電。但是由于時(shí)間繼電器的輔助觸頭延時(shí)斷開，而且電機(jī)由于慣性還未完全停止，如果能在整定時(shí)間內(nèi)電壓恢復(fù)正常，斷電延時(shí)時(shí)間繼電器的延時(shí)觸點(diǎn)就不會(huì)斷開，使接觸器線圈重新帶電，主觸頭被重新接通，電動(dòng)機(jī)的主回路接通，電機(jī)重啟動(dòng)，這就有效地防止晃電的發(fā)生。當(dāng)電機(jī)正常停機(jī)時(shí)，按下停止按鈕SB2，使中間繼電器KA線圈帶電，常開觸頭閉合自鎖中間繼電器KA，并串聯(lián)在啟動(dòng)回路中的中間繼電器的常閉輔助觸頭斷開，使接觸器迅速失電，也達(dá)到了一按即停的目的。

3.2 采用FS專門的防晃電交流接觸器

晃電對(duì)于系統(tǒng)的影響主要取決于電源電壓的下降速率和持續(xù)時(shí)間[5]。電容的作用是延緩電壓的下降和上升速率，F(xiàn)S防晃電交流接觸器是由一個(gè)延時(shí)控制模塊(電容)和接觸器組裝而成的，延時(shí)控制模塊安裝在接觸器側(cè)面，與接觸器構(gòu)成雙線圈，F(xiàn)S交流接觸器的工作原理如圖3所示。

圖3 FS交流接觸器工作原理

電源正常狀態(tài)下，控制模塊A3處于儲(chǔ)能狀態(tài)，接觸器的啟停與常規(guī)接觸器一樣。當(dāng)晃電發(fā)生，電壓降到接觸器的維持電壓以下時(shí)，控制模塊開始工作，以儲(chǔ)能釋放的形式保持接觸器繼續(xù)吸合，其輔助觸頭延遲發(fā)出斷開的控制信號(hào)，這樣就躲過了晃電發(fā)生的時(shí)間段，當(dāng)電網(wǎng)電壓恢復(fù)后控制模塊又轉(zhuǎn)入儲(chǔ)能狀態(tài)；如果晃電時(shí)間段超過控制模塊設(shè)定的延時(shí)時(shí)間，則接觸器釋放，電動(dòng)機(jī)停止運(yùn)行；當(dāng)停止按鈕SB2發(fā)出正常分閘指令時(shí)，接觸器的A1與A3接通(即電容短接)，所以儲(chǔ)存的電在按下停止按鈕SB2時(shí)釋放了，如此即可確保迅速可靠地停機(jī)。

3.3 采用電動(dòng)機(jī)保護(hù)器自帶的重啟功能

電動(dòng)機(jī)在各行各業(yè)中應(yīng)用非常廣泛，為了確保電動(dòng)機(jī)的安全控制和經(jīng)濟(jì)運(yùn)行，80%的電動(dòng)機(jī)回路都采用電動(dòng)機(jī)綜合保護(hù)器作為保護(hù)元件。但大部分的電動(dòng)機(jī)綜合保護(hù)器只有保護(hù)電動(dòng)機(jī)的功能，沒有發(fā)生晃電后重啟電動(dòng)機(jī)的功能。

ST500系列綜合保護(hù)器具有電機(jī)重啟功能，其工作原理如圖4所示。電源正常狀態(tài)下，綜合保護(hù)器MPD的常開觸點(diǎn)(1DO，1COM)不動(dòng)作，當(dāng)發(fā)生晃電，電壓降到接觸器的維持電壓甚至以下時(shí)，接觸器脫扣，電動(dòng)機(jī)停止運(yùn)行；如果在重啟動(dòng)設(shè)定的時(shí)間內(nèi)電網(wǎng)電壓恢復(fù)，綜合保護(hù)器MPD的常開觸點(diǎn)(1DO，1COM)閉合，接觸器線圈帶電，電機(jī)重新啟動(dòng)，即可實(shí)現(xiàn)晃電后的重啟動(dòng)功能。當(dāng)按下SB1正常停機(jī)按鈕時(shí)，綜合保護(hù)器檢測到主回路有電，其常開觸點(diǎn)(1DO，1COM)不閉合，防止了正常停機(jī)時(shí)的誤動(dòng)作，達(dá)到了安全防晃電的目的。

圖4 帶重啟動(dòng)功能的保護(hù)器的工作原理

3.4 采用UPS技術(shù)

UPS可在電網(wǎng)瞬間停電或失壓后，穩(wěn)定地向負(fù)載提供幾秒到幾十分鐘不等的電能。電網(wǎng)電壓正常時(shí)，UPS的蓄電池自動(dòng)充電，保證其時(shí)刻處于容量充足的狀態(tài)。

UPS是利用蓄電池以在停電和電壓下降時(shí)給逆變器供電的方式實(shí)現(xiàn)防晃電技術(shù)，其工作原理如圖5所示。UPS將外部交流電轉(zhuǎn)換成直流電，再通過逆變器將直流電轉(zhuǎn)換為高質(zhì)量的正弦波交流電輸出。在停電和電壓下降時(shí)則使用備用直流蓄電池給逆變器供電，可有效實(shí)現(xiàn)防晃電而造成的電機(jī)停運(yùn)現(xiàn)象。

圖5 UPS防晃電技術(shù)工作原理

3.5 采用AIX-3B低壓電機(jī)再啟動(dòng)控制器

AIX-3B低壓電機(jī)再啟動(dòng)控制器可實(shí)時(shí)監(jiān)測電網(wǎng)電壓和電機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)，有效實(shí)現(xiàn)防晃電。當(dāng)電網(wǎng)發(fā)生瞬間晃電時(shí)，接觸器的自保持觸點(diǎn)斷開，使得現(xiàn)場正在運(yùn)行的電機(jī)因電網(wǎng)晃電而停機(jī)。如果電網(wǎng)電壓在允許的時(shí)間內(nèi)恢復(fù)正常，再啟動(dòng)控制器的輔助觸點(diǎn)接通，對(duì)掉電釋放的接觸器進(jìn)行再次接通，使電機(jī)重新啟動(dòng)；如果電網(wǎng)電壓沒有在允許的時(shí)間內(nèi)恢復(fù)正常，則閉鎖程序，不再啟動(dòng)設(shè)備。AIX-3B低壓電機(jī)再啟動(dòng)控制器的動(dòng)作時(shí)序如圖6所示，其中，T為掉電時(shí)間周期，Tm為掉電響應(yīng)時(shí)間上限，如果T大于Tm則再啟動(dòng)控制器不動(dòng)作。

圖6 AIX-3B低壓電機(jī)再啟動(dòng)控制器的動(dòng)作時(shí)序

AIX-3B低壓電機(jī)再啟動(dòng)控制器的的接線如圖7所示，其中2、8腳為工作電壓，同時(shí)作為電壓輸入判斷；5、6腳引自交流接觸器的自保持接點(diǎn)信號(hào)；AIX-3B框內(nèi)的A為主繼電器的輸出接點(diǎn)，其容量為10A/250V(AC)。

圖7 AIX-3B低壓電機(jī)再啟動(dòng)控制器的接線示意圖

正常情況下2、8腳帶電，5、6腳常開接點(diǎn)不動(dòng)作，當(dāng)出現(xiàn)晃電并且在允許的時(shí)間范圍內(nèi)電網(wǎng)恢復(fù)正常，5、6接點(diǎn)閉合，控制器按預(yù)先設(shè)定的再啟動(dòng)時(shí)間啟動(dòng)已停止的電機(jī)。現(xiàn)場如有多臺(tái)電機(jī)需要分批再啟動(dòng)，只需將AIX-3B低壓電機(jī)再啟動(dòng)控制器設(shè)定不同再啟動(dòng)時(shí)間，即可實(shí)現(xiàn)。該控制器體積小，安裝、接線方便，還可以實(shí)現(xiàn)分批啟動(dòng)，避免了同時(shí)啟動(dòng)對(duì)電網(wǎng)造成的沖擊。

AIX-3B低壓電機(jī)再啟動(dòng)控制器可對(duì)異步電動(dòng)機(jī)群在電網(wǎng)晃電失壓后，按照設(shè)定的時(shí)間對(duì)被控電動(dòng)機(jī)實(shí)現(xiàn)快速自動(dòng)再啟動(dòng)。晃電過程中，裝置實(shí)時(shí)判斷電網(wǎng)電壓是否滿足設(shè)定的啟動(dòng)條件，當(dāng)電網(wǎng)條件不能滿足再啟動(dòng)要求時(shí)，裝置進(jìn)入等待-檢測-判斷的循環(huán)程序，并進(jìn)行晃電時(shí)間的計(jì)算；當(dāng)電網(wǎng)滿足啟動(dòng)要求，且在晃電允許的時(shí)間內(nèi)，裝置按照設(shè)定的時(shí)間發(fā)出再啟動(dòng)信號(hào)。在晃電允許時(shí)間內(nèi)，電網(wǎng)電壓沒有恢復(fù)正常，將閉鎖程序，不再發(fā)出再啟動(dòng)控制命令。

另外，AIX-3B低壓電機(jī)再啟動(dòng)控制器的抗干擾性能好、功耗又低，故在使用過程中無需專用電源。采用密封結(jié)構(gòu)使其環(huán)境適應(yīng)性好，實(shí)現(xiàn)了使用期間的免維護(hù)。并且只需將產(chǎn)品并接在啟動(dòng)按鈕和控制電源兩端，原有的二次接線不需要改動(dòng)。

4 防晃電技術(shù)的比較

上述幾種技術(shù)都不同程度地實(shí)現(xiàn)了防晃電功能，其性能和優(yōu)缺點(diǎn)比較見表1。可見，采用再啟動(dòng)控制器作為防晃電技術(shù)，不僅經(jīng)濟(jì)、可靠、安裝方便且線路改造簡單，而且實(shí)現(xiàn)了分批再啟動(dòng)。另外，再啟動(dòng)控制器的體積小，在低壓抽屜式開關(guān)柜中安裝方便，線路改造簡單，不用更換接觸器，節(jié)約了成本。

表1 五種防晃電技術(shù)的性能與優(yōu)缺點(diǎn)比較

5 防晃電技術(shù)在石化行業(yè)中的應(yīng)用

目前，中國石油蘭州石化公司煉油區(qū)的關(guān)鍵生產(chǎn)裝置有8套，公用工程裝置8套。查閱近幾年的故障統(tǒng)計(jì)，結(jié)果表明每次電網(wǎng)波動(dòng)均造成系統(tǒng)電壓降低，致使部分低壓接觸器脫扣，導(dǎo)致裝置生產(chǎn)波動(dòng)。因此，采取有效的防晃電技術(shù)將電網(wǎng)波動(dòng)對(duì)生產(chǎn)的影響降到最低是必要的。為了全面掌握晃電現(xiàn)象對(duì)裝置造成的影響，更好地進(jìn)行防晃電技術(shù)的實(shí)施，分別對(duì)該公司煉油區(qū)的幾套關(guān)鍵裝置進(jìn)行調(diào)查，詳見表2。

表2 煉油區(qū)關(guān)鍵裝置晃電影響調(diào)查

(續(xù)表2)

(續(xù)表2)

可以看出，晃電對(duì)石化企業(yè)關(guān)鍵機(jī)組的影響主要是體現(xiàn)在進(jìn)料泵、油泵、回流泵、循環(huán)泵、鼓風(fēng)引、引風(fēng)機(jī)、空冷器及壓縮機(jī)等設(shè)備上。這些關(guān)鍵設(shè)備發(fā)生晃電停機(jī)后會(huì)造成不同程度的影響，機(jī)泵作用不同造成的危害和影響也不同。

經(jīng)過調(diào)研，蘭州石化公司已經(jīng)在煉油區(qū)幾套關(guān)鍵裝置的關(guān)鍵機(jī)組上配置了再啟動(dòng)控制器，實(shí)現(xiàn)設(shè)備的晃電再啟動(dòng)，保證連續(xù)生產(chǎn)的順利進(jìn)行。

6 結(jié)束語

有效降低或防止因晃電現(xiàn)象而引發(fā)的設(shè)備損壞和因停產(chǎn)而導(dǎo)致的經(jīng)濟(jì)損失，一定會(huì)催生越來越多的防晃電技術(shù)。電機(jī)再啟動(dòng)控制器技術(shù)是對(duì)供、配電系統(tǒng)故障后的補(bǔ)救措施之一，目的是進(jìn)一步提高供、配電系統(tǒng)對(duì)電動(dòng)機(jī)供電的可靠性。通過改造原有電動(dòng)機(jī)的控制回路，對(duì)關(guān)鍵裝置關(guān)鍵設(shè)備的電動(dòng)機(jī)回路配置再啟動(dòng)控制器，實(shí)現(xiàn)了設(shè)備的防晃電。電機(jī)再啟動(dòng)控制器技術(shù)的應(yīng)用，進(jìn)一步提高了供、配電系統(tǒng)供電的可靠性，減少了裝置因晃電而造成的安全和環(huán)保事故。

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