邊華彬

（神華鄂爾多斯煤制油分公司，內(nèi)蒙古 鄂爾多斯 017209）

1 概 述

大型煤化工企業(yè)變配電系統(tǒng)一般配置220 kV、110 kV、35 kV、6 kV以及0.4 kV的電壓等級，因其工藝流程的特殊性，配置電驅(qū)動設(shè)備較多。為滿足工藝高溫和高壓等條件，裝配了8 800 kW、4 500 kW以及4 000 kW等利用同步勵磁、軟啟動以及變頻等控制設(shè)施進(jìn)行啟動的大型高壓電動機(jī)組。煤化工企業(yè)中大部分用電設(shè)備都采用了繼電保護(hù)裝置、接觸器以及繼電器等元件組成的保護(hù)控制回路。當(dāng)系統(tǒng)遭遇晃電時，電壓值和時限值達(dá)到了設(shè)備運(yùn)行的極限，會導(dǎo)致大批量電驅(qū)設(shè)備停運(yùn)，影響生產(chǎn)裝置的長周期運(yùn)行，給工廠帶來巨大的經(jīng)濟(jì)損失。

2 應(yīng)用原因

隨著煤化工系統(tǒng)電網(wǎng)的并網(wǎng)，煤化工生產(chǎn)裝置的系統(tǒng)電壓等級和電驅(qū)動設(shè)備逐漸增多，同時也增加了供電設(shè)備因瞬時遭受雷擊、短路或其他原因造成晃電的概率。瞬間的電壓波動將造成大批量電動機(jī)跳閘，機(jī)組停運(yùn)，電力系統(tǒng)恢復(fù)后需要人工進(jìn)行逐臺恢復(fù)。對于電動機(jī)回路較多的裝置來說，恢復(fù)的時間較長，一些無人值守的裝置，則需要更長的時間。

3 常規(guī)的配置及不足

3.1 常規(guī)母線備自投配置

為保障供電電源的可靠性，煤化工的電氣系統(tǒng)通常采用兩個或兩個以上的電源進(jìn)行供電，采用備自投裝置進(jìn)行相互備用。當(dāng)其中一路電源因晃電失去電壓時，另一路電源通過備自投裝置檢測失電回路的電壓和電流值。當(dāng)滿足切換條件時，備自投裝置開始進(jìn)行自動切換，一般切換完成的時間在600 ms以上。由于完成整個備自投切換過程的時間較長，很多用電設(shè)備控制回路中的繼電器和接觸器已經(jīng)失電，因此容易導(dǎo)致大批量用電設(shè)備停運(yùn)。

3.2 常規(guī)電動機(jī)回路配置

一般高壓電動機(jī)的低電壓保護(hù)設(shè)定值在70%Ue左右，動作時限為500 ms，只要電壓值和時限同時滿足條件才觸發(fā)保護(hù)動作。低壓電動機(jī)的控制回路主要由交流接觸器和空氣開關(guān)組成，交流接觸器工作電壓按IEC標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定要求，額定電壓的80%為臨界可靠吸合電壓，額定工作電壓的20%～70%為臨界釋放電壓?，F(xiàn)場使用的電磁式交流接觸器一般在50%Ue釋放，當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生晃電時極易出現(xiàn)因瞬間欠壓而釋放的情況，導(dǎo)致批量電機(jī)停運(yùn)。

3.3 常規(guī)變頻器回路的配置

變頻器根據(jù)濾波方式的不同分為電壓源型和電流源型兩種，均采用常見的交直交結(jié)構(gòu)，由整流回路、中間回路以及逆變回路3部分組成。變頻器設(shè)置的低電壓保護(hù)，主要的檢測單元在整流回路中的直流環(huán)節(jié)。當(dāng)系統(tǒng)電壓跌落至60%Ue，時限達(dá)到30 ms以上時，檢測單元會觸發(fā)變頻器停機(jī)保護(hù)，變頻器所拖動的所有電動機(jī)組會全部停機(jī)。

4 常見的解決方案

4.1 將母聯(lián)備自投改為快速切換

快切裝置具有工作電源和備用電源雙向選擇的切換功能，優(yōu)化于備自投功能只能由工作電源向備用電源切換的單一性。裝置通過快速檢測，滿足向量角度在55°以內(nèi)和殘壓值在90%Ue頻差的條件下，可在50 ms內(nèi)完成快速切換，優(yōu)化了傳統(tǒng)備自投裝置切換完成周期長的問題。因相角大、頻差高以及相位超前等原因錯過最佳快切時間時，根據(jù)殘壓的特性曲線，通過相角、頻率以及幅值變化的不斷在線追蹤，計(jì)算殘壓與系統(tǒng)電壓向量相位重合時的時間，實(shí)現(xiàn)精確過零點(diǎn)合閘。

4.2 應(yīng)用低壓電動機(jī)回路抗晃電接觸器

近幾年，電力市場上生產(chǎn)抗晃電接觸器和模塊的制造商越來越多。低壓電動機(jī)的供電回路空間限制了增加晃電器件體積大小的要求，普遍采取的方式是在交流接觸器上增加輔助電源。當(dāng)電網(wǎng)系統(tǒng)正常時，模塊處于儲能狀態(tài)，當(dāng)電網(wǎng)發(fā)生晃電時，通過模塊的電壓輸出延時接觸器的釋放時間。因受安裝空間的影響，其輔助電源較小，維持時間較短。其中，控制電路是接觸器模塊的核心部件，負(fù)責(zé)偵測供電回路中的晃電現(xiàn)象，進(jìn)而控制切換電路的動作。

4.3 直流支撐（DC-BANK）技術(shù)在變頻器中的應(yīng)用

動能緩沖技術(shù)受電動機(jī)負(fù)載轉(zhuǎn)動慣量的影響比較大，如果轉(zhuǎn)動慣量小，則回饋能量不足以支撐直流母線電壓，允許晃電時間可能只有幾十毫秒。采用蓄電池或者超級電容組成專門的直流系統(tǒng)，晃電后向變頻器的直流母線供電，保證電動機(jī)的正常運(yùn)行。支持晃電的時間長短主要取決于蓄電池組的容量，動力UPS后備時間可以更好地確保電機(jī)緊急處理的時間。這里執(zhí)行單元的核心是壓差控制模塊，執(zhí)行單元需要采用靜態(tài)開關(guān)，普通斷路器或者接觸器10 ms以上的動作時間是無法達(dá)到要求的，只有靜態(tài)開關(guān)才能達(dá)到μs級別的動作時間。采用壓差控制技術(shù)，自動比較變頻器母線電壓和DC-BANK的直流側(cè)電壓，大于定值則自動啟動靜態(tài)開關(guān)，這種方案的動作時間小于0.5 ms，動作時間短且可靠性高。對于有大量變頻器的裝置，可采用一套蓄電池儲能系統(tǒng)，多個獨(dú)立的執(zhí)行單元和控制單元給不同的變頻器直流母線供電，進(jìn)而提升運(yùn)作的安全穩(wěn)定性。

5 供電系統(tǒng)因晃電而導(dǎo)致的兩種模式

5.1 系統(tǒng)晃電周期短

企業(yè)低壓電機(jī)控制多采用交流接觸器，當(dāng)電壓低至接觸器額定工作電壓的55%～65%，并持續(xù)10～50 ms時，交流接觸器將釋放，導(dǎo)致低壓電機(jī)停轉(zhuǎn)，變頻器出現(xiàn)欠壓和不平衡等故障，變頻器停止工作，電機(jī)停轉(zhuǎn)。瞬時的系統(tǒng)晃電在無硬故障點(diǎn)的情況下，通過快切裝置、防晃電模塊以及直流支撐等可快速有效地恢復(fù)供電。

5.2 系統(tǒng)晃電周期長

如果因遭遇故障點(diǎn)未切除、快切裝置拒動以及系統(tǒng)母線失電造成了大面積電動設(shè)備停電，則需要緊急組織人員處理故障點(diǎn)。供電系統(tǒng)在逐級快速恢復(fù)供電的情況下，保障化工生產(chǎn)的溫度和壓力的同時，還要考慮第一時間啟用關(guān)鍵大型機(jī)組的潤滑油泵和盤車電機(jī)。大型煤化工企業(yè)中一般配置的電機(jī)設(shè)備較多，大批量的電機(jī)設(shè)備緊急恢復(fù)供電給電氣從業(yè)人員增加了較大的工作難度，同時存在安全隱患。

6 批量再啟動功能的優(yōu)勢與實(shí)際應(yīng)用

以某煤化工企業(yè)為例，介紹再啟動功能在煤化工企業(yè)中的應(yīng)用。

6.1 功能配置

裝置組成結(jié)構(gòu)包括POW供電電源、SAM電流電壓采樣板、IO輸入輸出板、CPU主板、總線板以及人機(jī)界面6個部分。其中，POW供電電源部分采用兩個交直開關(guān)電源，輸入分別為220 V AC和220 V DC。將兩個開關(guān)電源輸出的24 V DC和5 V DC各自并聯(lián)給機(jī)柜供電，具備UPS雙電源功能，其中一個電源回路發(fā)生故障時，機(jī)柜仍可以正常工作，能保持故障信號輸出功能。SAM電流電壓采樣板中每塊采樣板可采集2段母線的信號，共6路電壓和電流信號，最多可插2塊采樣板，實(shí)現(xiàn)4段母線共12路電壓和電流信號的采集。控制器可識別2段和4段母線的任意組合電壓波動，將檢測的數(shù)據(jù)作為再啟動的一個控制依據(jù)，加快電機(jī)的的啟動過程。IO輸入輸出板分為兩線制和四線制兩種。其中，兩線制采用兩根線同時作為狀態(tài)檢測與再啟動輸出。單個機(jī)箱總線板最多可配置12塊輸入輸出板，每個通道可進(jìn)行8個電動機(jī)的狀態(tài)檢測與再啟動輸出控制。四線制的狀態(tài)檢測與再啟動輸出分別用兩根線來實(shí)現(xiàn)。單個機(jī)箱總線板最多可配置12塊輸入輸出板，每個通道可進(jìn)行6個電動機(jī)的狀態(tài)檢測與再啟動輸出控制。CPU主板采用了32位雙CPU的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，其中一個CPU專門用來數(shù)據(jù)采集，另外一個CPU負(fù)責(zé)邏輯判斷、控制以及記錄等，提高系統(tǒng)的處理能力和穩(wěn)定性。通過與采樣板通信獲取母線電壓和電流，通過與輸入輸出板通信讀取電動機(jī)運(yùn)行狀態(tài)等信號，綜合分析所采集的運(yùn)行數(shù)據(jù)，為再啟動功能提供支持。通過總線板可將再啟動范圍設(shè)置在1～16批次，每批啟動的電動機(jī)數(shù)量可設(shè)置在1～96臺。批量啟動設(shè)置要結(jié)合每臺電動機(jī)在生產(chǎn)環(huán)節(jié)中的重要程度，綜合評估考慮批量電動機(jī)功率大小等方面。人機(jī)界面通過12.1寸的觸摸顯示屏讀取電機(jī)運(yùn)行狀態(tài)，設(shè)置和修改再啟動裝置的參數(shù)，為工作提供了便捷。

6.2 原理概述

在供電系統(tǒng)發(fā)生晃電時，現(xiàn)場批量電動機(jī)因電壓驟降而停運(yùn)。通過批量再啟動裝置的在線監(jiān)測功能監(jiān)測電動機(jī)運(yùn)行狀態(tài)和系統(tǒng)電壓值，在設(shè)置允許的范圍時間內(nèi)，系統(tǒng)電壓恢復(fù)正常后，按程序設(shè)定的先后次序分批量對晃電停運(yùn)的電動機(jī)組進(jìn)行重啟，從而達(dá)到快速恢復(fù)生產(chǎn)運(yùn)行的目的。如果電壓恢復(fù)水平較高，則自動縮短再啟動間隔時間，加快現(xiàn)場恢復(fù)過程。如果晃電時間超過設(shè)定的允許值，則自動閉鎖再啟動程序。裝置能準(zhǔn)確地識別單相電壓波動、兩相電壓波動、三相電壓波動、多段母線的任意電壓波動、電壓連續(xù)波動以及母線間備自投成功等多種晃電組合，可靠地捕捉導(dǎo)致接觸器線圈釋放的晃電電壓波動，最短時間達(dá)20 ms。如果批量啟動的電動機(jī)數(shù)量比較多，所在母線段的進(jìn)線框架斷路器的過流速斷保護(hù)設(shè)定值小于所有電機(jī)同時再啟動的沖擊電流時，需要采用分批分期的再啟動模式。在供電系統(tǒng)發(fā)生瞬時晃電時，再啟動裝置立即計(jì)算統(tǒng)計(jì)各電動機(jī)的運(yùn)行狀況和晃電發(fā)生時間，并不斷檢測系統(tǒng)電壓值。若恢復(fù)時間已超過系統(tǒng)的設(shè)定值，則判據(jù)為故障未恢復(fù)，暫不執(zhí)行再啟動功能并向后臺系統(tǒng)告警。若在設(shè)定時間內(nèi)恢復(fù)正常，則開啟再啟動功能，此時遭受晃電而停運(yùn)的電機(jī)組重新按設(shè)定的程序執(zhí)行啟動[1]。

6.3 實(shí)施與應(yīng)用

某煤化工企業(yè)安裝了1臺分批量再啟動裝置，分12個批次對73臺電動機(jī)組進(jìn)行分批量再啟動。配置原則主要考慮以下幾個方面。按照生產(chǎn)工藝要求，將循環(huán)密封油泵和油漿混合泵等關(guān)鍵機(jī)組設(shè)置為第一批次啟動，啟動時間為系統(tǒng)檢測滿足啟動條件后0.2 s完成。第二批次對空冷器和沖洗泵等關(guān)鍵機(jī)組進(jìn)行批量啟動，啟動時間以第一批機(jī)組啟動完成后延時0.2 s后進(jìn)行。后續(xù)的啟動時間以0.2 s延時分批量按重要程度進(jìn)行有序啟動。

實(shí)施批量再啟動時，需要在線判定系統(tǒng)電壓是否能夠滿足批量再啟機(jī)組的啟動條件（系統(tǒng)的電壓值和電流值滿足啟動條件）。當(dāng)啟動條件不能滿足要求時，會持續(xù)跟蹤判據(jù)條件，直至系統(tǒng)電壓和電流滿足再啟動條件，再啟動裝置控制系統(tǒng)繼續(xù)執(zhí)行操作命令。當(dāng)系統(tǒng)電壓沒有及時恢復(fù)正常，再啟動裝置告警提示電網(wǎng)故障告警，同時執(zhí)行裝置閉鎖程序，當(dāng)系統(tǒng)供電恢復(fù)正常后，需要人工手動重新啟動后再啟動裝置。

在批量再啟動過程中，再啟動裝置動態(tài)檢測系統(tǒng)電壓和電流，計(jì)算批量再啟動的電機(jī)容量，保證再啟動過程中的系統(tǒng)電壓和電流穩(wěn)定。電壓和電流同時作為再啟動的判據(jù)，每批次啟動的電機(jī)容量總和都不能超過供電系統(tǒng)繼電保護(hù)的設(shè)定電壓和電流值。在滿足以上前提下，利用批量再啟動功能在設(shè)置的時間內(nèi)完成批量再啟動工作。利用設(shè)置RS-485標(biāo)準(zhǔn)通信接口，在變電所的運(yùn)行后臺實(shí)施遠(yuǎn)方數(shù)據(jù)遙信，通過電氣運(yùn)行后臺數(shù)據(jù)終端，采集并反饋因發(fā)生系統(tǒng)晃電后批量電動機(jī)再啟動的情況，儲存電機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)和累計(jì)運(yùn)行時間，監(jiān)控分批量再啟動的電動機(jī)過程。

7 結(jié) 論

在快切裝置、抗晃電模塊以及直流系統(tǒng)支撐系統(tǒng)投入應(yīng)用的情況下，加入分批量再啟動的功能，為系統(tǒng)的抗晃電工作增加了雙重保障。再啟動裝置的投用，對發(fā)生系統(tǒng)晃電和停電的后續(xù)恢復(fù)工作上提供了有效的支持，不但降低了人工恢復(fù)設(shè)備運(yùn)行送電的工作量，而且對生產(chǎn)快速恢復(fù)起到了重要作用。