化工企業電氣系統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醇氨聯產項目，年產300kt甲醇、520kt尿素，屬于大型化工企業。作為大型煤化工生產企業，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性，任何電源波動都會對生產造成嚴重的影響。因此，對電源的供電可靠性要求較高。煤化工企業生產的特點是，對安全、穩定、長周期運行要求高，生產過程中危險因素較多，當電網發生嚴重故障波動時，將導致生產裝置電氣設備停用，造成生產突然中斷。在事故情況下，可能導致危險介質泄漏，經濟損失大，因此，對供電系統的平穩、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，外電網供電可靠性較差。10kV 系統采用中性點不直接接地方式運行，雖然安裝有消弧線圈，但電壓波動現象還是時有發生；同時，由于系統需要安裝大量的繼電保護、自動裝置等，設備多，系統中存在大量的諧波，對繼電保護裝置、自動控制設備造成干擾，設備故障出現的概率較高，易出現供電短時間中斷現象，對生產裝置可靠穩定運行影響較大。加之10kV 及0.4kV 供電系統采用單母線分段運行方式，較多母聯開關正常情況下處于“熱備”狀態，生產系統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出現異常，甚至停車的事故。在項目試開車階段，110kV 外電網發生了多次電壓波動低電壓現象，造成各工段運行的低壓用電設備因電網 “晃電”跳車，嚴重影響項目試開車工作。

2 抗晃電技術應用

通過對歷次電網故障晃電跳車情況統計排查發現，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，不受外電網電壓波動的影響。受電網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。根據公司供電系統和電氣設備的實際狀態及負載在工藝系統的重要程度，主要采取以下幾個方面的技術措施。

2.1 采用TPM 系列無擾動穩定控制裝置

TPM－300系列無擾動穩定控制裝置，能夠實現快速啟動動作，切換備用電源，基本能夠消除外部電網波動造成的停電事故。10kV 和0.4kV供電系統分別為合富機電公司生產的TPM－300型無擾動穩定控制裝置和TPM－310無擾動穩定控制裝置。該裝置適用于生產連續性強的供電系統，當供電系統出現異常情況時（系統晃電、保護動作、系統聯跳等），系統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，確保整個工藝生產流程的連續、安全運行，從而實現系統的無擾動供電。

2.2 采用動態電壓恢復器

動態電壓恢復器（Dynamic Voltage Restorer，簡稱DVR）是近年出現的裝置，它串聯于電源與負荷之間，當負荷電壓正常時，DVR 被旁路，由系統提供電力。當發生電壓暫降時，DVR 可以在毫秒級內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生暫降時，根據檢測到的供電線路實際電壓，由標準信號產生模塊產生與電網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生由補償策略確定的補償信號。由此得到需要補償的電壓給定信號，利用控制環節生成SPWM 信號，通過驅動電路控制逆變器功率開關的通斷。逆變器輸出電壓經LC 濾波器濾除高次諧波后通過串聯變壓器注入電網，產生補償電壓U2，用于抵消供電線路電壓的波動，從而確保負載側電壓的穩定，提高整個電網的電壓質量。

2.3 變頻器加裝MUPS電動機不間斷電源系統

變頻器技術發展到今天已實現直接矢量控制及逆變控制中部分實現抗晃電功能。在電源電壓跌落時，逆變部分根據輸出轉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（Motor Uninterruptible Power System，簡稱MUPS），是基于VVVF（變頻器）及DC－BANK（直流支撐系統）的組織構架。基本架構如圖1所示。

圖1 MUPS系統基本架構圖

直流電源支撐裝置DC－BANK 主要由蓄電池BAT、整流充電器CD1、靜態開關SW1、快速熔斷器QD1、直流接觸器MF1、電動機M、執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等級器件，生產工藝嚴格完整，保證機器的可靠性和穩定性，整套MUPS 系統設備，即包括 VVVF、DCBANK 在內。如果用戶已裝有變頻器VVVF，則可提供DC－BANK 直流支撐系統。

一套直流支撐系統DC－BANK 可支持多臺乃至上百臺變頻器VVVF 在電網晃電、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。該電源系統特別適用于連續生產的化工企業。當主電源失電后，MUPS 將確保特別重要電動機組繼續運行，使生產裝置有時間緊急處理、安全停車或繼續運行。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，在電網故障時，設備運轉啟動直流電流很大，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。空分系統液氧泵、液氮泵，氣化系統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。公司根據現場實際情況，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，晃電時經常發生變頻器過流跳車，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絡的可靠穩定性。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。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延時釋放，但是在同一電網中使用過多會造成設備群啟時變壓器過流保護跳閘。同時，其在現場存在腐蝕性氣體的情況下，使用故障率較高。經試驗使用，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濟效益考慮，此方案不可行。

（3）采用ABB－AF系列接觸器

在電網晃電時出現跳閘的ABB－A 型系列接觸器（包括國產新系列接觸器，數據相近），試驗其釋放電壓為120～150V（額定220V），而現場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。經與ABB公司聯系，其ABB－AF系列為專有低釋放電壓設計產品。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。考慮到后系統屬于生產工藝的末端，系統波動時只會造成部分或局域停車，影響較小，采用對生產工藝的下游系統關鍵電動設備的接觸器統一更換為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。其供電性能穩定、設備故障率低，可實現設備低電壓分級保護功能。缺點是裝置如果出現故障，就會造成所帶負荷設備全停。公司熱電鍋爐系統和空分系統屬于公用工程并為單系統，一旦停車就會造成整個生產系統全停。空分系統電氣設備控制電源已采用UPS供電，在電網波動時沒有發生過機組跳車。考慮到熱電鍋爐系統的重要性，根據現有的運行經驗，對熱電鍋爐系統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，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，經過2011年7月～2012年8月一年多的運行檢驗，期間110kV外電網發生了多次電壓波動低電壓等晃電現象，均未對生產系統造成大的影響，節約了開停車及產量損失費用。由于化工生產的工藝復雜、連續性強，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，實現全系統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推廣應用。