化工企業(yè)電氣系統(tǒng)抗晃電技術措施及應用

張慶忠，邵長晶，李進，宋玉國

（兗礦新疆煤化工有限公司，新疆烏魯木齊 830011）

我公司一期600kt／a醇氨聯(lián)產(chǎn)項目，年產(chǎn)300kt甲醇、520kt尿素，屬于大型化工企業(yè)。作為大型煤化工生產(chǎn)企業(yè)，化工裝置大部分用電設備為一級負荷和二級負荷，無論是從工藝還是從安全的角度都要求流程的連續(xù)性，任何電源波動都會對生產(chǎn)造成嚴重的影響。因此，對電源的供電可靠性要求較高。煤化工企業(yè)生產(chǎn)的特點是，對安全、穩(wěn)定、長周期運行要求高，生產(chǎn)過程中危險因素較多，當電網(wǎng)發(fā)生嚴重故障波動時，將導致生產(chǎn)裝置電氣設備停用，造成生產(chǎn)突然中斷。在事故情況下，可能導致危險介質(zhì)泄漏，經(jīng)濟損失大，因此，對供電系統(tǒng)的平穩(wěn)、安全、可靠供電要求很高。下面筆者以所在公司抗晃電技術應用為例，對抗晃電技術進行分析、對比，利于大家借鑒。

1 供電系統(tǒng)存在的問題

我公司外供電110kV 崗晶一、二線兗化一、二支線為雙 “T”接線路，外電網(wǎng)供電可靠性較差。10kV 系統(tǒng)采用中性點不直接接地方式運行，雖然安裝有消弧線圈，但電壓波動現(xiàn)象還是時有發(fā)生；同時，由于系統(tǒng)需要安裝大量的繼電保護、自動裝置等，設備多，系統(tǒng)中存在大量的諧波，對繼電保護裝置、自動控制設備造成干擾，設備故障出現(xiàn)的概率較高，易出現(xiàn)供電短時間中斷現(xiàn)象，對生產(chǎn)裝置可靠穩(wěn)定運行影響較大。加之10kV 及0.4kV 供電系統(tǒng)采用單母線分段運行方式，較多母聯(lián)開關正常情況下處于“熱備”狀態(tài)，生產(chǎn)系統(tǒng)中一旦任何設備故障都會引起一段母線失電，以致于導致部分生產(chǎn)出現(xiàn)異常，甚至停車的事故。在項目試開車階段，110kV 外電網(wǎng)發(fā)生了多次電壓波動低電壓現(xiàn)象，造成各工段運行的低壓用電設備因電網(wǎng) “晃電”跳車，嚴重影響項目試開車工作。

2 抗晃電技術應用

通過對歷次電網(wǎng)故障晃電跳車情況統(tǒng)計排查發(fā)現(xiàn)，因10kV 及以上電氣設備控制電源均采用直流控制，抗晃電性能較好，不受外電網(wǎng)電壓波動的影響。受電網(wǎng)電壓降低影響比較靈敏的主要是低壓電氣設備，如低壓交流接觸器、低壓交流繼電器、低壓變頻器等電氣設備。根據(jù)公司供電系統(tǒng)和電氣設備的實際狀態(tài)及負載在工藝系統(tǒng)的重要程度，主要采取以下幾個方面的技術措施。

2.1 采用TPM 系列無擾動穩(wěn)定控制裝置

TPM－300系列無擾動穩(wěn)定控制裝置，能夠?qū)崿F(xiàn)快速啟動動作，切換備用電源，基本能夠消除外部電網(wǎng)波動造成的停電事故。10kV 和0.4kV供電系統(tǒng)分別為合富機電公司生產(chǎn)的TPM－300型無擾動穩(wěn)定控制裝置和TPM－310無擾動穩(wěn)定控制裝置。該裝置適用于生產(chǎn)連續(xù)性強的供電系統(tǒng)，當供電系統(tǒng)出現(xiàn)異常情況時（系統(tǒng)晃電、保護動作、系統(tǒng)聯(lián)跳等），系統(tǒng)迅速斷開異常的供電回路，快速投入備用電源，保證母線段供電不中斷，確保整個工藝生產(chǎn)流程的連續(xù)、安全運行，從而實現(xiàn)系統(tǒng)的無擾動供電。

2.2 采用動態(tài)電壓恢復器

動態(tài)電壓恢復器（Dynamic Voltage Restorer，簡稱DVR）是近年出現(xiàn)的裝置，它串聯(lián)于電源與負荷之間，當負荷電壓正常時，DVR 被旁路，由系統(tǒng)提供電力。當發(fā)生電壓暫降時，DVR 可以在毫秒級內(nèi)對負荷電壓進行有效補償。DVR 由儲能裝置、電壓型三相橋變流器、濾波電路及串聯(lián)變壓器4部分組成。DVR 為受控電壓源，其輸出電壓為U2，供電線路電壓為UL，當供電線路出現(xiàn)電壓暫降時，為保證負荷的電壓U1維持在正常水平，可控制輸出電壓U2，使之滿足關系式：U1＝UL＋U2。

當電壓檢測單元檢測到供電線路負荷端電壓發(fā)生暫降時，根據(jù)檢測到的供電線路實際電壓，由標準信號產(chǎn)生模塊產(chǎn)生與電網(wǎng)電壓同步的標準正弦信號，與實際線路電壓進行比較后通過控制電路產(chǎn)生由補償策略確定的補償信號。由此得到需要補償?shù)碾妷航o定信號，利用控制環(huán)節(jié)生成SPWM 信號，通過驅(qū)動電路控制逆變器功率開關的通斷。逆變器輸出電壓經(jīng)LC 濾波器濾除高次諧波后通過串聯(lián)變壓器注入電網(wǎng)，產(chǎn)生補償電壓U2，用于抵消供電線路電壓的波動，從而確保負載側(cè)電壓的穩(wěn)定，提高整個電網(wǎng)的電壓質(zhì)量。

2.3 變頻器加裝MUPS電動機不間斷電源系統(tǒng)

變頻器技術發(fā)展到今天已實現(xiàn)直接矢量控制及逆變控制中部分實現(xiàn)抗晃電功能。在電源電壓跌落時，逆變部分根據(jù)輸出轉(zhuǎn)矩減小輸出甚至中斷輸出。在電壓恢復正常時，逆變恢復正常輸出。但現(xiàn)場使用的變頻器并不是都具有此功能。

電動機不間斷電源系統(tǒng)（Motor Uninterruptible Power System，簡稱MUPS），是基于VVVF（變頻器）及DC－BANK（直流支撐系統(tǒng)）的組織構(gòu)架?；炯軜?gòu)如圖1所示。

圖1 MUPS系統(tǒng)基本架構(gòu)圖

直流電源支撐裝置DC－BANK 主要由蓄電池BAT、整流充電器CD1、靜態(tài)開關SW1、快速熔斷器QD1、直流接觸器MF1、電動機M、執(zhí)行單元控制器等組成。蓄電池采用免維護全密封鉛酸電池。整流器的功率逆變管采用進口快速IGBT，其余元件采用進口工業(yè)等級器件，生產(chǎn)工藝嚴格完整，保證機器的可靠性和穩(wěn)定性，整套MUPS 系統(tǒng)設備，即包括 VVVF、DCBANK 在內(nèi)。如果用戶已裝有變頻器VVVF，則可提供DC－BANK 直流支撐系統(tǒng)。

一套直流支撐系統(tǒng)DC－BANK 可支持多臺乃至上百臺變頻器VVVF 在電網(wǎng)晃電、停電時無間斷工作。因此，MUPS 是針對電動機群的理想電源系統(tǒng)。該電源系統(tǒng)特別適用于連續(xù)生產(chǎn)的化工企業(yè)。當主電源失電后，MUPS 將確保特別重要電動機組繼續(xù)運行，使生產(chǎn)裝置有時間緊急處理、安全停車或繼續(xù)運行。使用DCBANK 裝置對變頻器直流母線供電，即在變頻器直流橋臂加不間斷直流電源，提高變頻器的低電壓跨越能力，使變頻器在瞬時低電壓時仍能正常工作，具有可靠性高的優(yōu)點。但是由于其投資大，使用的都是重要的大型設備機組，在電網(wǎng)故障時，設備運轉(zhuǎn)啟動直流電流很大，對電池的瞬時放電性能要求很高，電池不易加工制作，其可靠性有待提高?？辗窒到y(tǒng)液氧泵、液氮泵，氣化系統(tǒng)高壓煤漿泵等機組加裝DC－BANK 裝置。

2.4 采用ABB ACS－800系列變頻器

ABB ACS－800系列重載型變頻器負載率高、抗晃電性能好、故障率低，抗腐蝕性能好，易于安裝改造，使用口碑較好。公司根據(jù)現(xiàn)場實際情況，將晃電時多次中斷供電的重要機組變頻器更換為比實際負載大一等級、具備抗晃電功能的重載型變頻器。如鍋爐給煤機、原料葉輪給煤機、環(huán)形給煤機等負載，在電壓降低或停車再啟動時，因帶煤屬于重載啟動，晃電時經(jīng)常發(fā)生變頻器過流跳車，配置比實際負載大一等級的ABB ACS－800重載型變頻器；空分液氧泵、氣化高壓煤漿泵等均采用ACS－800系列變頻器驅(qū)動（要求采用抗晃電可選件）。

2.5 低壓交流接觸器抗晃電技術措施

由于低壓交流接觸器大量應用于用電設備控制回路，其釋放電壓的高低直接影響供電網(wǎng)絡的可靠穩(wěn)定性。對低壓電動機來說，交流接觸器釋放就直接停車，對于10kV 及以上大型機組，因輔機油泵等低壓用電設備停電造成高壓機組跳車，進而影響大系統(tǒng)。解決釋放電壓較高（70%左右）的接觸器的問題有以下四種方法。

（1）采用FS系列抗晃電交流接觸器

抗晃電接觸器的原理和斷電延時繼電器差不多，預先用電容存貯好能源，使得接觸器可以實現(xiàn)延時釋放，但是在同一電網(wǎng)中使用過多會造成設備群啟時變壓器過流保護跳閘。同時，其在現(xiàn)場存在腐蝕性氣體的情況下，使用故障率較高。經(jīng)試驗使用，可靠性差。

（2）采用直流線圈接觸器

更換直流控制電源，需將原交流線圈接觸器更換為直流線圈接觸器。由于直流線圈接觸器在動作時存在滯后現(xiàn)象，同時還必須配置低電壓保護，并且直流接觸器型號、外型和安裝空間大大超出了現(xiàn)有裝置的設計范圍，還需另外配置直流電源裝置，從而造成很大的投資費用支出。從安全技術方面和經(jīng)濟效益考慮，此方案不可行。

（3）采用ABB－AF系列接觸器

在電網(wǎng)晃電時出現(xiàn)跳閘的ABB－A 型系列接觸器（包括國產(chǎn)新系列接觸器，數(shù)據(jù)相近），試驗其釋放電壓為120～150V（額定220V），而現(xiàn)場ABB－AF系列大容量接觸器均未脫扣，試驗其釋放電壓為50～60V，抗電壓跌落在70%以上。經(jīng)與ABB公司聯(lián)系，其ABB－AF系列為專有低釋放電壓設計產(chǎn)品。但是，此種接觸器釋放電壓偏低，須利用低壓回路的微機智能保護裝置，配置低電壓及過流保護功能，確保在電網(wǎng)故障時設備能按整定值要求跳閘，不造成事故擴大。考慮到后系統(tǒng)屬于生產(chǎn)工藝的末端，系統(tǒng)波動時只會造成部分或局域停車，影響較小，采用對生產(chǎn)工藝的下游系統(tǒng)關鍵電動設備的接觸器統(tǒng)一更換為ABB－AF系列的方式處理。

（4）采用UPS不間斷電源裝置

重要用電設備的控制回路供電電源采用UPS不間斷電源裝置供電。其供電性能穩(wěn)定、設備故障率低，可實現(xiàn)設備低電壓分級保護功能。缺點是裝置如果出現(xiàn)故障，就會造成所帶負荷設備全停。公司熱電鍋爐系統(tǒng)和空分系統(tǒng)屬于公用工程并為單系統(tǒng)，一旦停車就會造成整個生產(chǎn)系統(tǒng)全停?？辗窒到y(tǒng)電氣設備控制電源已采用UPS供電，在電網(wǎng)波動時沒有發(fā)生過機組跳車。考慮到熱電鍋爐系統(tǒng)的重要性，根據(jù)現(xiàn)有的運行經(jīng)驗，對熱電鍋爐系統(tǒng)電動機控制電源改造采用UPS供電。變電所每段采用一套UPS裝置，每套UPS 總輸出配置一套微機綜保（南瑞PCS－9691D保護測控裝置）＋各回路控制繼電器（UPS供電）的保護裝置。微機綜保設置兩段式低電壓保護（電壓測量點為0.4kV 進線開關下口），保護配置：60%Ue，1s動作跳閘；45%Ue，0.5s動作跳閘。高壓電動機低電壓保護配置為60%Ue，1s動作跳閘。

3 應用效果

由于我公司采取了變頻器加裝MUPS 電動機不間斷電源系統(tǒng)，采用ABB－AF 系列交流接觸器，采用抗晃電性能好的ABB ACS－800系列變頻器，交流控制電源采用UPS不間斷電源供電等多種抗晃電技術措施，經(jīng)過2011年7月～2012年8月一年多的運行檢驗，期間110kV外電網(wǎng)發(fā)生了多次電壓波動低電壓等晃電現(xiàn)象，均未對生產(chǎn)系統(tǒng)造成大的影響，節(jié)約了開停車及產(chǎn)量損失費用。由于化工生產(chǎn)的工藝復雜、連續(xù)性強，電動機組龐雜，供電等級多，這給保護配置及抗晃電設備選擇帶來困難，實現(xiàn)全系統(tǒng)的抗晃電功能難度非常大。以上抗晃電技術措施值得在化工企業(yè)推廣應用。