“晃電”再啟動技術在石油化工企業中的運用

劉龍舞

（安徽工業大學研究生學院，安徽 馬鞍山 243002）

1 引言

電網由于雷擊、短路、發電廠故障等內外部原因，造成電壓大幅波動，甚至停電數秒鐘的現象時有發生，此現象俗稱“晃電”。在石油化工企業中，當電力系統發生短時電壓波動時，部分不重要設備將通過低電壓保護從電網上切除，而裝置核心設備將在母線電壓恢復正常后重加速啟動，從而保證了工業生產的連續性。然而，在實際應用中，很多電動機抗晃電設計未系統考慮電網的短時最大承載能力，致使機群的群啟電流接近或達到了電網所能承受的最大值。其后果不堪設想，輕者將導致線路自動重合閘或母線備自投失敗，生產中斷，重者將使發電機解列，電網崩潰瓦解。因此，在電網容量允許的范圍內，設計更為安全可靠的電動機自啟動方式就顯得尤為重要。

2 “晃電”再啟動技術

2.1 方案綜述

隨著科技的發展，微機型綜合保護器在各廠礦企業得到了廣泛的應用，其靈活的編程性能為電機的控制提供了更為便利的條件。微機型電動機保護器MICOM P241可以實現線路三相電流和三路線電壓采樣，具有短路、熱過載、負序過流、零序過流、啟動超時、運行失速、低電壓、過電壓、禁止再啟動等保護功能。根據廠用電規定，因廠用電動機群啟動電流較大，為避免晃電重啟動時電流疊加效應所帶來的負面影響，應據實際條件分批重啟動。本文以電壓采集時差控制式分批再啟動方式為例［8］，設計了一種新的自啟動邏輯。

首先，應根據生產要求將全廠所有負荷進行分類，即允許自啟動負荷和禁止來電自啟動負荷。而自啟動負荷通常分為三類，每一批次電動機均可據電網要求設定不同的自啟動時限。具體分類原則如下。

A類負荷——裝置核心機組，晃電后電網電壓恢復后立即自啟動。

B類負荷——裝置重要關鍵機組，晃電后延時3-4s自啟動。

C類負荷——裝置較重要機組，晃電后延時6-8s自啟動。

統計數據表明，對于1000kW及以下常規機泵，在啟動3-4s后，啟動電流的正序有效值即可從4-7倍Ie（額定值）驟降至1.5倍Ie值以下。電網電壓重新恢復后，5s內慣性運轉的電動機重啟動電流一般為2-4倍Ie。

電網發生晃電后，A類負荷電動機將瞬時自啟動，3.5s之后A類電動機已重啟動成功，同時網上電壓也很快恢復正常，故下一批次電動機的晃電啟動與上一批次的時間間隔定為3.5s，基本可避免多批次啟動電流相互疊加沖擊造成電網電壓異常。對于風機類負載、容量超過1500kW的機泵或重載重啟動的電動機，可適當延長1-2s。三類自啟動負荷在晃電后12s內基本上可以完成重加速再啟動過程。12s過后，慣性墮走的電動機已基本停運，重啟動過程應按全壓直接啟動對待，無需再考慮自啟動行為。

2.2 總體設計原則

（1）電網發生晃電后事故段所有運行電動機1s后無條件跳閘（可據要求設定）。母線電壓恢復正常后，在未檢出饋出線故障的前提下，原運行電動機分批自啟動或禁止重啟動。手動分閘或因儀電故障跳閘的電動機不應納入上述之列。

（2）由于電動機啟動控制回路中串入了合閘閉鎖點，分批自啟動前需要預先解除合閘閉鎖方可實現重啟動。

（3）電動機重啟動一次后，不管成敗與否，應立即閉鎖再次合閘，以防短期內電動機連續群啟對電網不斷造成沖擊［8］。

（4）可采用電控或儀控自啟動方式，儀控自啟動也應遵循電控啟動的各項規定和要求。

圖1 晃電后原運行電動機自起動通用邏輯圖

2.3 編程基本定義字

如表1所示，以下兩類編程均為電控啟動方式，編程之前需要規定輸入輸出端口基本定義字。

表1 MICOM P241輸入輸出端口定義字

2.4 晃電后電動機自啟動通用邏輯及其原理

2.4.1 晃電后電動機自啟動通用邏輯

晃電后原運行電動機自啟動通用邏輯如圖1所示。

（1）因P241電壓采樣為三相三線制，為避免電動機兩相小母線失壓跳閘，又加入了零序電壓Vn檢測；

（2）斷路器低電壓保護的跳閘時延，應大于線路后備保護的動作時限，并保持級差配合；

（3）RL5輸出跟隨器設定100ms時延是為了保證可靠接通斷路器分閘回路，來電檢測設置200ms時延的目的是為了保證斷路器無彈跳分閘，系統電壓穩定正常；

（4）斷路器分閘后，12s延時返回為供配電系統電動機最長失壓監控時間；

（5）此例晃電自啟批次為B類負荷，A類負荷至少應延時80ms，以確保提前解除RL6合閘閉鎖；

（6）緊急復歸（Emergency Reset）將解除電動機啟動時的熱能閉鎖、熱啟動次數限定、冷啟動次數限定、啟動間隔時間限定這4個限制條件，啟動完畢所有閉鎖條件將再次生效；

（7）加入現場操作柱鎖停位是一種技術保安措施，可避免現場、DCS、電氣三方自行操控合閘。

如圖2所示為晃電后原運行電動機自啟動工作時序。

圖2 晃電后原運行電動機自啟動工作時序圖

2.4.2 晃電后電動機自啟動邏輯原理

（1）斷路器合閘后，電動機運行。若發生三相低電壓，延時1s后RL5出口，事故段所有運行電動機將無條件跳閘，同時預備解除合閘閉鎖RL6；

（2）斷路器分閘瞬間，將在200ms內判斷是否為三相同時低電壓所致（也為200ms），是則自鎖，等候來電信息，否則不會觸發電動機晃電自啟動邏輯。該判據可被認作是對晃電前期電動機運行方式的一種記憶。

手動分閘P241不會檢測到失壓再恢復的過程。緊急解鎖條件可避免儀電故障時誤解除合閘閉鎖RL6節點，同時合閘回路還串聯有電氣故障閉鎖繼電器常閉節點，以防線路和設備故障所導致的低電壓，因此均不會觸發晃電自啟動邏輯。

此判據默認斷路器前期為合閘狀態，因此可以從根本上避免電動機柜送電時，母線電壓開關與控制電源開關操作順序不當所導致的電動機自行合閘。

（3）斷路器分閘后將在12s內檢測來電信息，一旦電壓恢復正常，穩定200ms后，與上述低電壓檢測條件共同作用，經設定批次延時后（本例為3.5s），通過RL4出口節點重啟動電動機。斷路器合閘后，自啟動邏輯立即復歸。若12s后系統電壓未能恢復正常，則清除原有電動機運行信息，自啟動邏輯復歸。

（4）緊急解除合閘閉鎖設計為單次解除方式，以防電動機群群啟失敗而反復重啟動。電壓恢復正常200ms后，若未檢出儀電故障，P241將發出一50ms脈寬的脈沖先行解除合閘回路RL6閉鎖節點，指示燈LED3亮（設為鎖存模式），記錄為一次電動機重啟動過程，同時封鎖后續緊急復歸。

（5）現場、儀控、電氣三方電動機正常啟動仍需要滿足電氣合閘閉鎖條件。以上動作過程均可通過調閱P241事件及故障記錄信息，并輔之以可編程指示燈來進行分析判斷。

2.4.3 參數設定

在上述邏輯框圖中，低電壓保護設置及三相來電檢測是重要環節。一般設定方式如下。

（1）低電壓保護按保證電動機自啟動的條件整定［1－3］，即

式中：Umin為系統所能承受的最低工作電壓，V；Krel為可靠系數，取 1.1～1.15；Kr為返回系數，取1.05～1.10；UE為額定線電壓有效值，V；nTV為電壓互感器一二次側電壓變比。

（2）按切除不允許自啟動電動機的條件整定：一般取（0.65～0.75）Un，動作時限取 1s；

（3）具有備用設備而斷開的電動機，失壓保護整定為（0.25～0.4）Un，動作時限取 1s（同上）；

（4）根據保安條件，在電壓長時間消失后不允許重啟動的電動機，低電壓保護動作值一般取（0.4～0.5）Un，動作時限取（6－10）s；

（5）重來電線電壓可設定為85V。

Uop動作門檻值設定為70V。圖1邏輯中，重來電檢測采用三相電壓報警（3Ph Volt Alarm）控制字取反來實現，P241內部檢測V1＞V2，同時高于85V才判斷為系統電壓正常，反相、缺相、欠壓、失壓均會發出電壓異常報警。因此安裝調試時還需確保三相電壓接入正確，相／線電壓的幅值相位正確。

（6）合成開口三角形零序電壓“NVD Vn＞”的設定，要綜合考慮線路各類電壓故障等影響進行設定。

①零序電壓一般按躲過電動機三相空載運行時的中性點最大偏移電壓來整定［5］，即

式中：Krel為可靠系數，取 1.1－1.3；U″0m為電動機三相空載運行時因電源電壓不平衡所引啟的中性點最大偏移電壓，可用實測法測出，也可參考已有電動機實測值。

加入三相線電壓幅值檢測后可抵消三次諧波電壓的影響［6］。

②基于電壓二次回路故障考慮。現場配電柜內三相電壓小母線一般采用三相單聯微型開關控制，當發生接地或短路故障時，故障相開關將會動作分斷。其次，操作人員誤分電壓開關也會使P241三相電壓檢測異常。極端情況下，若操作人員不慎誤分兩路電壓開關，此時P241只檢測到一相電壓，零序電壓Vn實則為剩余相相電壓，此時Vn值可考慮按三相平均相電壓設定。計算方式基本同式（1），不同的是Kr為零序過電壓返回系數，取值范圍 0.9－0.95，則設定范圍 Vnop為（0.475－0.52）Un。

綜上所述，各批次群啟電動機的容量和批次啟動時間設置是否合理，是晃電后電動機能否自啟動成功的重要因素。在實際應用中，最大批次設備容量、群啟時間、負荷類別、群啟瞬間所造成的壓降等都是需要考慮的因素。從電網安全角度考慮，三類自啟動總負荷應按一定比例分配。尤其是設備大幅增容，在全部設備分類部署完畢，不要忘記用電網最大短時容量進行校驗。

上述邏輯設計思路嚴謹，考慮較為周全，已通過了實驗室的各項嚴格測試，并在實際生產中有具體的應用。對于重啟動不成功的電動機，需經過充分的調查論證后再作調整，并通過實際測試。

該編程模式和參數設定并非唯一和一成不變，在具體應用時部分邏輯可作適當調整，還可以與其它方案（如時間繼電器、再啟動繼電器、PLC程控、計算機系統等）融合使用。上述編程思路還可以拓展應用到其它各類可編程綜合保護器中。

3 結束語

電動機再啟動技術是一項復雜的系統工程，上述邏輯編程僅僅是可供參考使用的其中一種方案。通過實際應用，最大限度地降低晃電對電網帶來的負面影響，以實現各廠礦企業安全生產的目標。

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［8］潘 飛.電動機再啟動技術［J］.電工技術，2004，（3）.