淺析抗晃電技術在化工企業的應用

王德州，王德亞

(1.棗莊杰富意振興化工有限公司，山東 棗莊 277000；2.棗莊學院，山東 棗莊 277000)

“晃電”現象是化工企業電力系統中經常出現的問題，會引起瞬間斷電或電壓驟降。“晃電”現象影響化工企業生產系統正常運行，對化工企業安全生產造成嚴重威脅。本文通過對“晃電”產生的原因、特點、危害等分析,結合我公司化工生產的特點及抗晃電技術的應用，為其他化工企業解決晃電故障提供技術方面的參考。

1 晃電的概念

電壓有效值降至標稱值的10%至90%稱為電壓暫降/驟降，持續時間為10 ms至1 min(典型持續時間為10～600 ms)的電能質量事件之一。電壓暫降如果比較嚴重，將使用電設備停止運行，或引起所生產系統紊亂和癱瘓，或導致生產系統非計劃停車。

引起電壓暫降的原因大體可分為三類，第一類是電力系統原因：當輸配電系統發生短路故障、感應電機啟動、開關操作、變頻器以及電容組的投切等事件；第二類是自然原因：雷擊、暴雨、暴雪等；第三類是無法預料的偶然因素：人為操作失誤、建筑施工造成輸電系統損壞等等。其中，引起電壓暫降的主要原因是短路故障、感應電機啟動和雷擊。保護裝置會因雷擊時造成的絕緣子閃絡或對地放電而發生動作，導致供電電壓暫降。這種暫降波及范圍廣，持續時間大于100 ms；電機全電壓啟動時，需要從電源汲取的電流值為滿負荷時的500%～800%，這一大電流流過系統阻抗時，將會引起電壓突然下降；短路故障可能會引起系統遠端供電電壓較為嚴重的跌落，化工生產過程中對電壓敏感的電氣設備的正常工作會受此影響，發生生產系統癱瘓停車，造成嚴重的經濟損失。

2 有關電壓驟降之國際標準

國際電氣與電子工程師協會(IEEE)將電壓暫降定義為供電電壓有效值下降到額定值的90%～10%，持續時間為10 ms～1 min；國際電工委員會(IEC)將其定義為下降至額定值90%～1%，持續時間為10 ms～1 min。兩大主流對于電壓驟降的定義與規范基本一致，都屬于電壓驟降的定義范圍。

3 晃電的成因

導致晃電現象的原因是多方面的，比如說:突如其來的雷擊;外界物體的接觸;疾風及其他自然環境影響導致的線路故障;備用電源切換故障所引發的現象等。所有這些故障會引起電力設備瞬間斷電或電壓突然下降，目前，仍是電力系統無法完全避免的，不能徹底解決的難點，晃電現象發生概率遠高于完全停電。

4 晃電的特點

一是突發性，無法事先預知；二是短暫性，維持時間只有僅僅 1～2 s，甚至到幾百微妙。雖然發生時間短，但卻后果嚴重。

5 晃電的危害

“晃電”發生時，由于電壓的降低,電機運行電流增大，易引起電氣設備發熱，造成設備故障，同時會使接觸器釋放，從而造成大量電動機的跳機；在使用變頻器控制的場合在電源“晃電”比較嚴重時，會觸發變頻器低壓保護動作，設備停止運行，生產裝置安全生產受到嚴重威脅。大部分的低壓電動機是由接觸器控制，普通接觸器會因供電系統的短暫失壓工作在臨界釋放區或者立即釋放。通常當電壓低于線圈額定電壓的50%，時間超過一個周期時接觸器釋放；當電壓低于額定電壓80%，持續五個周期時接觸器也會釋放。晃電過后，電動機失電停止運轉。母線恢復正常后，需要人工去逐臺恢復開啟，浪費大量的時間，使得生產被迫中止。這種現象尤其是對連續性、不間斷生產系統，造成嚴重損害。

我公司作為苯酐(鄰苯二甲酸酐)生產的化工企業，深受“晃電”威脅。由于我公司苯酐生產系統安裝使用了SIS系統(Safety Instrumented System 安全儀表系統)，一旦遭受“晃電”影響，不允許停頓設備(2臺變頻熔鹽泵)發生停頓并且觸發SIS連鎖，從而導致生產系統癱瘓，裝置停車。據統計，2017年全年因雷雨天造成“晃電”導致苯酐停車事故高達7起，給公司造成約150萬元的損失。

6 抗晃電技術的應用

6.1 概念

抗晃電技術，旨在防止電源電壓發生晃電時暫時跌落或者消失，一般維持在很短的時間內，讓電源電壓不會出現間斷，設備持續運行的技術。這種技術應用于化工企業生產過程設備，這些設備極易受到電壓暫降的影響，因為設備內任何一個元件由于電源出現問題都會使整個流程停止運轉。常受電壓暫降影響的重要設備有可編程邏輯控制器(PLC)、可調速驅動裝置、冷卻裝置控制、機械裝置、直流電機驅動等。

6.2 主要技術

針對晃電突發性、短暫性特點，現介紹以下抗晃電技術進行交流探討：

6.2.1 分批自啟動技術

分批自啟動技術是通過斷電延時時間繼電器來實現的，時間繼電器因為失電而延時斷開，電壓在整定時間內恢復正常，電動機啟動回路因時間繼電器的延時觸點而接通，電機重新二次啟動。

缺點：控制線路太過繁瑣，時間同步很難做到，只能控制單臺設備，針對我們公司生產裝置，并不適用。

6.2.2 PLC控制分批自啟動

電動機順序控制啟動系統的核心是一套穩定可靠的PLC(可編程控制器)，在系統運行前，整個系統的控制邏輯是已輸入至PLC的CPU模塊的RAM存儲區，PLC失電后程序和數據的記憶由一粒3.6 V的鋰電池維持。該系統可對電動機在發生“晃電”恢復后，按照設定程序對被控電動機群分批次按排序實現連續自動快速二次啟動。

母線電壓被電壓變送器轉換為直流信號，輸入單元將直流信號轉換為數字信號，最后送給CPU模塊進行比較計算，判定電壓是否異常。母線電壓和電動機狀態被控制單元采集完成后進行邏輯分析判斷，接受操作指令，各電機啟動命令順序輸出，執行單元接受控制單元指令，執行順序啟動電機指令。

此系統維護操作可靠方便，主要應用在電動機負荷較集中的變電所，對于電動機負荷較分散的變電所，成本較高，根據分析，針對公司苯酐生產系統特點，不適用。

6.2.3 節能型交流接觸器應用

節能型交流接觸器能夠在85%～110%Ue的額定電壓值吸合，在20～75%Ue的額定電壓值釋放，能避免部分電壓下降產生的晃電影響。但對于電源在短時間內發生中斷的情況無濟于事，所以在抗晃電功能上并未廣泛應用。

6.2.4 MUPS

MUPS型電動機不間斷電源是低壓電動機群的不間斷電源系統。適用于連續生產的化工生產工藝裝置。當主電源失電后，MUPS將確保關鍵電動機組繼續運行使生產過程中有時間緊急處理、安全停車或繼續運行。

MUPS在電網發生晃電時給變頻器直流母線提供補償電壓，保證其電壓不會發生瞬間跌落或者消失，變頻器正常運行免受影響。原理簡圖如下所示。

我們通常使用變頻器的本身都具有捕捉再啟動、斷電后自動啟動及故障后自動再啟動功能，這些功能進行調節控制電動機，而不加裝MUPS，我們公司苯酐生產裝置設備熔鹽泵本身已經加裝變頻器，已具備此功能，所以沒有必要加裝MUPS。

6.2.5 抗晃電自控技術

1)針對公司苯酐生產系統特點，經公司領導研究決定，采用直流電源結合PLC、通訊模塊、檢測元件、保護元件等組成一套完備的抗晃電自控系統，如圖1、2所示。

圖1 抗晃電自控系統示意圖

圖2 變頻抗晃電直流電源系統示意圖

2)控制過程：變頻器由在線互動式直流電源負責提供補償電源，正常情況下直流電源通過控制系統給變頻器直流母線提供熱備電源，直流電源控制系統只能單向給變頻器提供電源，變頻器直流電源不能反向供電。直流電源系統配有一組免維護蓄電池，確保晃電電壓跌落時變頻器直流電壓保持不變，使得正在運行的變頻器晃電時繼續運行。在系統供電母線端取一路電源連接到智能晃電檢測控制器及電壓變送器。由晃電控制器檢測出晃電現象，并輸出信號至 PLC，發出晃電報警。晃電控制器可根據實際情況設定 “晃電”允許時間 Tm(0.1～3.0 s)。由電壓變送器檢測母線電壓，并輸出信號至 PLC，PLC 對采集到的信號實時進行分析判斷電網是否停電，如停電發出信號斷開直流輸出電源。

3)電機再啟動實現。在原電機控制柜內變頻器直流母線端，通過電纜將熱備直流電源引至變頻器直流端子。直流供電控制系統，確保晃電時變頻器可繼續運行。由變頻器進線接觸器新增 1對常開輔助節點引至端子，再通過電纜連接到 PLC 控制系統，作為晃電系統反饋運行狀態信號。

6.3 實際應用

圖3為我公司安裝使用抗晃電自控技術后發生晃電時系統工作記錄。

圖3 抗晃電系統的工作記錄

當我公司苯酐裝置正常運行電機遭遇“晃電”時，不允許停頓設備(2臺變頻熔鹽泵)，用直流不間斷電源給變頻補償電源，確保在晃電欠壓出現時變頻器仍能繼續運行，電機在規定最低轉速以上運轉，以保證監控電流繼電器不動作，實現設備持續運轉，不會觸發SIS系統(Safety Instrumented System 安全儀表系統)，從而保障裝置不跳車。自2018年4月份苯酐抗晃電系統完成后，夏季遭受雷電沖擊3次，上級變電站重合閘1次，均未對苯酐生產系統造成影響，直接為公司挽回約88萬元的損失，此次抗晃電技術的成功應用徹底避免了我公司苯酐生產系統在遭遇“晃電”時造成的停車。

7 結語

電力系統一旦發生“晃電”現象，大多會導致化工生產裝置局部停車或整體停車，從而引起生產系統癱瘓，給企業帶來重大的損失，本文介紹的幾種抗晃電技術希望能夠為不同類型不同特點化工企業在解決“晃電”問題時提供技術方面的參考，避免或者減少“晃電”造成的危害及損失。