馬夢(mèng)白

(中石化安全工程研究院有限公司化學(xué)品安全控制國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山東青島 266104)

0 前言

石化企業(yè)供電系統(tǒng)具有電力網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)復(fù)雜、供電連續(xù)性及可靠性要求高、電力負(fù)荷數(shù)量多且設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)不一致等特點(diǎn)，在外電網(wǎng)及惡劣環(huán)境作用下發(fā)生故障的概率較高，極大干擾了工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程的平穩(wěn)性[1]。在實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中，一般除直接停電事故外，更多的影響表現(xiàn)為供電系統(tǒng)電能質(zhì)量的降低。據(jù)美國(guó)電科院(EPRI)統(tǒng)計(jì)，電壓波動(dòng)占總電能質(zhì)量事件比率高達(dá)92%[2]。

目前，國(guó)內(nèi)外學(xué)者圍繞電壓暫降對(duì)工業(yè)常用敏感電氣設(shè)備(交流接觸器、變頻器、PLC)的耐受能力測(cè)試、工業(yè)設(shè)備耐受力評(píng)估、電氣設(shè)備防暫降措施等方面開(kāi)展了大量的研究，但較少考慮到電壓暫降對(duì)后續(xù)工業(yè)過(guò)程參數(shù)的影響，也尚未形成一套全面、科學(xué)的方法來(lái)指導(dǎo)石化企業(yè)進(jìn)行電壓暫降的治理。本文在充分考慮石化企業(yè)連續(xù)性生產(chǎn)等特點(diǎn)的基礎(chǔ)上，提出電網(wǎng)級(jí)、設(shè)備級(jí)及工業(yè)過(guò)程級(jí)的電壓暫降協(xié)同治理方法，有助于為工業(yè)用戶提供更為全面的暫降治理思路。

1 石化企業(yè)電壓暫降的原因及危害分析

1.1 電壓暫降產(chǎn)生原因

通常情況下，系統(tǒng)短路、遭受雷擊以及異步電機(jī)啟動(dòng)等因素會(huì)引發(fā)供電系統(tǒng)電壓暫降[3]。

1.1.1 短路

外部電網(wǎng)在正常工作狀態(tài)下，由于各類過(guò)電壓、絕緣材料的自然老化、各類設(shè)備本身缺陷以及惡劣天氣導(dǎo)致的桿塔破壞、異物跨接裸露導(dǎo)體、工作人員誤操作等多種原因均會(huì)致使系統(tǒng)發(fā)生短路。如圖1所示，ZS為PCC點(diǎn)到電源段線路阻抗與電源阻抗之和，ZF為配電網(wǎng)故障線路公共點(diǎn)到故障發(fā)生點(diǎn)之間的阻抗，流經(jīng)電網(wǎng)負(fù)荷的電流可忽略不計(jì)。系統(tǒng)短路時(shí)，電流IS增大，ZS上的電壓隨之升高，致使公共連接點(diǎn)及其支路的電壓減小，此時(shí)便出現(xiàn)了電壓暫降現(xiàn)象。

圖1 短路引起的電壓暫降原理

1.1.2 變壓器投入運(yùn)行

變壓器作為石化企業(yè)供電網(wǎng)絡(luò)中使用頻率最高的電氣設(shè)備之一，主要執(zhí)行不同電壓等級(jí)之間的變換任務(wù)。如圖2所示，變壓器的鐵芯磁場(chǎng)具有飽和效應(yīng)，變壓器開(kāi)始運(yùn)行時(shí)，將產(chǎn)生巨大的勵(lì)磁涌流，從而引發(fā)大于正常情況的電壓降，此時(shí)便會(huì)發(fā)生電壓暫降。

圖2 變壓器投入運(yùn)行導(dǎo)致電壓暫降原理

1.1.3 感應(yīng)電機(jī)運(yùn)行

以感應(yīng)電動(dòng)機(jī)拖動(dòng)的壓縮機(jī)、風(fēng)機(jī)和各類泵群為代表的設(shè)備是石化企業(yè)中的主要用電終端。感應(yīng)電機(jī)在開(kāi)始運(yùn)行時(shí)，將從電力系統(tǒng)中汲取約為滿負(fù)荷運(yùn)行時(shí)5～8倍的電流，瞬時(shí)的大電流導(dǎo)致PCC節(jié)點(diǎn)電壓突然下降，造成電壓暫降現(xiàn)象。如圖3所示，電機(jī)開(kāi)始運(yùn)行時(shí)，定子電流迅速升至額定電流的數(shù)倍。在其他負(fù)荷的電流可忽略不計(jì)的情況下，電壓降隨之升高，PCC點(diǎn)電壓迅速降低，在感應(yīng)電機(jī)進(jìn)入穩(wěn)定運(yùn)行狀態(tài)時(shí)回升至正常值。

圖3 感應(yīng)電機(jī)運(yùn)行導(dǎo)致的電壓暫降原理

1.2 電壓暫降對(duì)石化企業(yè)的危害

電壓暫降產(chǎn)生的危害主要表現(xiàn)在敏感設(shè)備和工業(yè)過(guò)程兩個(gè)方面。

1.2.1 敏感設(shè)備

發(fā)生電壓暫降時(shí)，較容易受到擾動(dòng)從而發(fā)生工作狀態(tài)變化的設(shè)備為敏感設(shè)備。目前石化企業(yè)受影響較大的敏感電氣設(shè)備通常有線圈類設(shè)備(如交流接觸器)、電力電子類設(shè)備(如變頻器)以及直饋型異步電機(jī)等3類。

a) 交流接觸器。作為一種電壓敏感型設(shè)備，交流接觸器起到電動(dòng)機(jī)的通斷與控制作用，在電壓暫降的過(guò)程中可能會(huì)斷開(kāi)，導(dǎo)致生產(chǎn)中斷，給企業(yè)帶來(lái)巨大的損失。

當(dāng)接通電源時(shí)，產(chǎn)生的電流將帶來(lái)交變的磁通，此時(shí)交流接觸器具備電磁吸力，吸力大小與電流呈正相關(guān)關(guān)系。交流接觸器為感性負(fù)載，當(dāng)發(fā)生電壓暫降時(shí)，電感電流緩慢減小，線圈吸力隨電流的減小而減小。當(dāng)電流持續(xù)減小到使得彈簧拉力FL大于電磁吸力FX時(shí)，交流接觸器脫扣。

b) 變頻器。變頻器在石化企業(yè)中被廣泛用于調(diào)速與節(jié)能。一旦電網(wǎng)發(fā)生電壓暫降，便會(huì)使得接入電網(wǎng)的變頻器直流母線低電壓保護(hù)動(dòng)作，從而使變頻器處于停機(jī)狀態(tài)。但工業(yè)流程因其連續(xù)性的特點(diǎn)無(wú)法容許系統(tǒng)中斷。

低壓變頻器主要由整流部分、直流穩(wěn)壓部分、逆變部分和控制回路部分組成[4]，如圖4所示，Urec為整流電路輸出電壓，Udc為直流側(cè)電壓，i為整流電路輸出電流，iinv為逆變電路輸入電流，uA、uB、uC為三相輸入電壓，uU、uV、uW為三相輸出電壓，C為直流穩(wěn)壓電容，L為平波電感，g1～g6為逆變器件控制信號(hào)。

圖4 變頻器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

直流側(cè)電容中所存儲(chǔ)能量的損失與負(fù)載消耗的能量相同：

(1)

式中：U0——暫降發(fā)生前的直流母線電壓，V；

Udc(t)——暫降過(guò)程中t時(shí)刻的直流母線電壓，V；

PL——負(fù)載功率，W；

C——直流側(cè)電容，F(xiàn)；

t——時(shí)間，s；

若變頻器不觸發(fā)低壓保護(hù)動(dòng)作的最低電壓為Umin，則其對(duì)應(yīng)的耐受時(shí)間為：

(2)

由式(2)可知，低壓保護(hù)整定值設(shè)置越低，時(shí)間越長(zhǎng)，其可耐受的電壓暫降深度越大，暫降耐受能力也越強(qiáng)。

在電壓暫降后，恢復(fù)到正常值的輸入電壓對(duì)電容快速充電導(dǎo)致產(chǎn)生沖擊電流，大概率也將使過(guò)電流保護(hù)發(fā)生動(dòng)作。在實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中，上述情況時(shí)有發(fā)生，對(duì)其進(jìn)行如下分析。

對(duì)圖4中的L、C分別列寫KVL、KCL方程，如式(3)所示：

(3)

式中：L——平波電感，H；

Urec——整流電路輸出電壓，V；

i——整流電路輸出電流，A；

iinv——逆變電路輸入電流，A。

根據(jù)式(3)，假設(shè)逆變電流iinv在暫降恢復(fù)瞬間保持不變，并且t=0時(shí)，暫降結(jié)束，因此最大充電電流Δi的近似解為：

(4)

(5)

由上述過(guò)程可看出，充電電流最大值與暫降恢復(fù)時(shí)的直流電壓變化量呈正相關(guān)，因此過(guò)電流保護(hù)與低電壓保護(hù)存在關(guān)聯(lián)。假設(shè)低電壓保護(hù)整定值過(guò)小，盡管電壓暫降時(shí)低電壓保護(hù)并未動(dòng)作，暫降結(jié)束后由于電壓突變量過(guò)大，較大的充電電流也可能使過(guò)電流保護(hù)動(dòng)作從而導(dǎo)致變頻器跳閘。

c) 直饋型異步電機(jī)。石化企業(yè)供電系統(tǒng)中，一般將需要恒轉(zhuǎn)速運(yùn)行的電機(jī)直接連接到電網(wǎng)，稱為“直饋型異步電機(jī)”。 低壓機(jī)泵一般以異步電機(jī)作為驅(qū)動(dòng)電機(jī)運(yùn)行。電壓暫降對(duì)直饋型異步電機(jī)的影響一般體現(xiàn)在轉(zhuǎn)速上。

圖5 感應(yīng)電機(jī)轉(zhuǎn)速變化

1.2.2 電壓暫降對(duì)敏感工業(yè)過(guò)程的影響

對(duì)于石化企業(yè)來(lái)說(shuō)，直接表征工業(yè)過(guò)程運(yùn)行狀態(tài)的參量是過(guò)程參量(溫度、壓力、流量等)。因此，除電參量外，過(guò)程參量的變化也是工業(yè)用戶關(guān)注的重點(diǎn)。電壓暫降導(dǎo)致設(shè)備失效后，由設(shè)備輸出的相關(guān)過(guò)程參量開(kāi)始發(fā)生變化，直至其超過(guò)工業(yè)允許的限制，引發(fā)聯(lián)鎖，最終導(dǎo)致工業(yè)的實(shí)質(zhì)性中斷。

一般用過(guò)程免疫時(shí)間(Process Immunity Time，PIT)來(lái)度量工業(yè)過(guò)程對(duì)電壓暫降的響應(yīng)速度及免疫能力[6]。如圖6所示，電壓暫降于t1開(kāi)始，Δt時(shí)間后過(guò)程參數(shù)開(kāi)始變化，TPIT表示從電壓暫降起始至過(guò)程參數(shù)到達(dá)設(shè)定閾值時(shí)的時(shí)間。當(dāng)暫降持續(xù)時(shí)間小于Δt時(shí)，過(guò)程完全正常；當(dāng)暫降持續(xù)時(shí)間介于Δt與TPIT之間時(shí)，過(guò)程參數(shù)未降低至閾值，若此時(shí)電壓恢復(fù)則工業(yè)過(guò)程可自動(dòng)恢復(fù)；當(dāng)暫降持續(xù)時(shí)間大于TPIT時(shí)，過(guò)程參數(shù)降低至閾值以下，工業(yè)過(guò)程中斷，需要人工恢復(fù)。

圖6 過(guò)程免疫時(shí)間示意

2 石化企業(yè)電壓暫降治理措施研究

對(duì)石化企業(yè)電壓暫降問(wèn)題進(jìn)行治理，其本質(zhì)在于解決供電電壓水平與用電設(shè)備電壓暫降耐受能力的兼容性問(wèn)題[7]。工業(yè)過(guò)程受電壓暫降的影響程度不僅與自然因素、電網(wǎng)結(jié)構(gòu)相關(guān)，同時(shí)也與電氣設(shè)備耐受性能及工業(yè)聯(lián)鎖條件相關(guān)，其治理措施的研究可從電網(wǎng)側(cè)與用戶側(cè)兩個(gè)方向開(kāi)展，用戶側(cè)又可分為設(shè)備級(jí)與工業(yè)過(guò)程級(jí)。

電壓暫降發(fā)生后，從時(shí)間角度看，暫降持續(xù)時(shí)間、敏感設(shè)備響應(yīng)速度、繼電保護(hù)整定時(shí)間以及過(guò)程參數(shù)的變化速率之間的協(xié)同配合關(guān)系是暫降治理能否取得成功的關(guān)鍵；同時(shí)，從空間角度看，僅考慮其中一級(jí)的治理措施很難取得良好的治理效果，只有從電網(wǎng)級(jí)、設(shè)備級(jí)以及工業(yè)過(guò)程級(jí)等3個(gè)維度入手、構(gòu)筑多層防線，才能保證暫降治理的有效性。

為降低電壓暫降對(duì)石化企業(yè)正常生產(chǎn)造成的影響，結(jié)合其供電系統(tǒng)的特點(diǎn)，形成石化企業(yè)電壓暫降協(xié)同治理技術(shù)，其框架如圖7所示。

圖7 石化企業(yè)電壓暫降治理技術(shù)框架

2.1 電網(wǎng)級(jí)治理措施

由外界因素及電網(wǎng)低可靠性引起的電網(wǎng)側(cè)故障是致使電壓暫降發(fā)生的根本因素。

電網(wǎng)級(jí)電壓暫降治理可從降低由故障引起的電壓暫降發(fā)生的頻率以及增強(qiáng)應(yīng)對(duì)能力兩方面切入。采取治理措施以減少電網(wǎng)故障次數(shù)是最直接和最根本的治理手段?；陔姎庠O(shè)備易受雷擊等惡劣天氣影響的特點(diǎn)，可針對(duì)性地對(duì)電氣設(shè)備進(jìn)行定期的絕緣性能檢測(cè)、預(yù)防性檢查及設(shè)備周期性維護(hù)。輸電線路兩側(cè)樹木修剪、加裝避雷器等方式可有效提升系統(tǒng)的可靠性，減少系統(tǒng)因外界因素引起的短路故障。

通過(guò)改變電網(wǎng)運(yùn)行方式、提升電網(wǎng)韌性，增強(qiáng)電網(wǎng)應(yīng)對(duì)突發(fā)故障的能力，使電力系統(tǒng)能夠在故障發(fā)生后迅速恢復(fù)斷電負(fù)荷。目前備用電源常用的機(jī)械切換開(kāi)關(guān)具有動(dòng)作時(shí)間長(zhǎng)、觸頭易產(chǎn)生電弧等局限性，用固態(tài)高速切換開(kāi)關(guān)(Solid State Transfer Switch，SSTS)替代機(jī)械切換開(kāi)關(guān)是提升供電系統(tǒng)應(yīng)對(duì)電壓暫降能力的有效方式之一。當(dāng)電壓值發(fā)生非正常變化時(shí)，SSTS可快速(5～12 ms)切換至另一路電源，從而保證供電連續(xù)性。雙單元SSTS拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖8所示。

圖8 雙單元SSTS拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

該方案具有改造簡(jiǎn)單、體積小且在開(kāi)關(guān)過(guò)程中不產(chǎn)生電弧的優(yōu)點(diǎn)[8]，在進(jìn)行電網(wǎng)級(jí)電壓暫降防控時(shí)，僅需要將SSTS串接在原供配電網(wǎng)絡(luò)中。

此外，在石化企業(yè)中通常對(duì)重要負(fù)荷設(shè)置繼電保護(hù)裝置，電壓暫降的發(fā)生將會(huì)觸發(fā)設(shè)備的保護(hù)裝置動(dòng)作，從而造成設(shè)備斷電。繼電保護(hù)整定時(shí)間與暫降持續(xù)時(shí)間之間存在對(duì)應(yīng)關(guān)系，而在給定幅值的電壓暫降作用下，生產(chǎn)過(guò)程受影響程度取決于暫降持續(xù)時(shí)間與過(guò)程免疫時(shí)間的對(duì)應(yīng)關(guān)系。因此，保護(hù)動(dòng)作時(shí)間與過(guò)程免疫時(shí)間是判定過(guò)程是否會(huì)受暫降影響的關(guān)鍵指標(biāo)。為降低電壓暫降對(duì)生產(chǎn)過(guò)程的影響，需在考慮設(shè)備耐受度及生產(chǎn)過(guò)程免疫特性的基礎(chǔ)上，合理優(yōu)化從總變到各饋線的梯級(jí)保護(hù)及發(fā)電機(jī)保護(hù)的定值，注意暫降發(fā)生時(shí)電氣、設(shè)備、工業(yè)之間的關(guān)系，從而緩解電壓暫降帶來(lái)的危害。

2.2 設(shè)備級(jí)治理措施

設(shè)備級(jí)治理的目標(biāo)在于增強(qiáng)敏感設(shè)備的耐受能力，即在產(chǎn)品設(shè)計(jì)階段即考慮其與供電電壓水平之間的兼容性問(wèn)題[9]?，F(xiàn)有針對(duì)電壓暫降問(wèn)題的研究通常較少考慮到用戶側(cè)的需求，因此，在產(chǎn)品設(shè)計(jì)階段，設(shè)備制造商若能充分考慮大型工業(yè)用電用戶對(duì)于供電連續(xù)性及設(shè)備電壓耐受水平的高要求，面向石油化工企業(yè)定制生產(chǎn)耐受水平較高的設(shè)備、通過(guò)調(diào)整內(nèi)部某些環(huán)節(jié)參數(shù)及電壓檢測(cè)方式提升設(shè)備抗電壓暫降的能力等，對(duì)于提升石化企業(yè)供電系統(tǒng)抗晃電能力具有重要的意義。

針對(duì)電壓暫降對(duì)400 V機(jī)泵控制回路的影響，可通過(guò)對(duì)工業(yè)過(guò)程中控制關(guān)鍵機(jī)泵的交流接觸器加裝儲(chǔ)能裝置、采用DC-BANK直流支撐技術(shù)以及利用電機(jī)自啟動(dòng)技術(shù)等分別提升接觸器、變頻器、低壓電機(jī)對(duì)電壓暫降的抗擾動(dòng)能力。

2.3 過(guò)程級(jí)治理措施

過(guò)程級(jí)治理措施的目的之一是在電壓暫降已經(jīng)造成電氣設(shè)備失效的情況下，延緩過(guò)程參數(shù)的變化速率，避免其在設(shè)備重啟前降低至規(guī)定限值以下(如油溫、油壓聯(lián)鎖)[10]。如圖9所示，曲線c與曲線c′分別表示采取過(guò)程級(jí)治理措施前后的PIT曲線。

圖9 過(guò)程級(jí)治理措施前后的PIT曲線

過(guò)程級(jí)治理措施包含提高廠務(wù)設(shè)施與外界的絕緣特性、對(duì)關(guān)鍵機(jī)泵增設(shè)UPS電源、在管線上加裝蓄能器以及增加中間環(huán)節(jié)儲(chǔ)能等方式等，有效延緩過(guò)程參數(shù)的變化速率。

動(dòng)態(tài)電壓恢復(fù)器(Dynamic Voltage Regulator，DVR)作為連接在電網(wǎng)級(jí)及敏感電氣負(fù)荷之間實(shí)現(xiàn)電壓暫降補(bǔ)償?shù)碾娏υO(shè)備，可以在系統(tǒng)發(fā)生電壓暫降時(shí)，在毫秒級(jí)的時(shí)間內(nèi)投入運(yùn)行，對(duì)母線電壓進(jìn)行有效補(bǔ)償[11]。

如圖10所示，DVR檢測(cè)單元實(shí)時(shí)檢測(cè)到母線電壓暫降發(fā)生時(shí)，將暫降特征量輸送至控制單元，控制單元基于相應(yīng)的補(bǔ)償策略生成參考電壓，并快速計(jì)算出參考電壓與電網(wǎng)側(cè)電壓的差值，利用動(dòng)態(tài)電壓跟蹤控制方法生成PWM信號(hào)控制逆變單元的工作并從儲(chǔ)能單元獲取能量從而產(chǎn)生所需的補(bǔ)償電壓，通過(guò)濾波單元濾除高次諧波后保留負(fù)荷電網(wǎng)正常工作所需的補(bǔ)償電壓，最后通過(guò)耦合單元實(shí)現(xiàn)補(bǔ)償電壓和電網(wǎng)側(cè)電壓的疊加使母線電壓恢復(fù)正常。使用DVR及快速切換對(duì)母線進(jìn)行配合治理，結(jié)合負(fù)荷的PIT曲線，可降低在開(kāi)關(guān)切換過(guò)程中的敏感設(shè)備跳閘的可能性。

圖10 動(dòng)態(tài)電壓恢復(fù)器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

3 結(jié)論

a) 石化企業(yè)電壓暫降主要由短路故障、企業(yè)變壓器投切及感應(yīng)電機(jī)啟動(dòng)3個(gè)主要原因引起。

b) 電壓暫降會(huì)對(duì)敏感設(shè)備及工業(yè)過(guò)程產(chǎn)生直接或間接危害，可能導(dǎo)致敏感設(shè)備跳閘停機(jī)、轉(zhuǎn)速下降，引發(fā)工業(yè)過(guò)程參數(shù)發(fā)生波動(dòng)，最終導(dǎo)致工業(yè)聯(lián)鎖、裝置非計(jì)劃停工。

c) 單一手段的暫降治理措施較難取得良好的治理效果，充分考慮電網(wǎng)、設(shè)備及工業(yè)過(guò)程之間的協(xié)同配合關(guān)系，建立一套適用于石化企業(yè)的協(xié)同治理技術(shù)是進(jìn)行暫降治理的有效途徑。