聯(lián)鎖故障分析及排查方法和防范措施

范文進

(揚子石油化工設(shè)計工程有限責(zé)任公司，南京 210048)

在某低溫乙烯儲運裝置的試車過程中，出現(xiàn)冷凍機組聯(lián)鎖跳車故障，致使冷凍機組壓縮機吸入帶液丙烯氣，最終造成機組受損，耽誤了工期，造成了巨大的經(jīng)濟損失。筆者針對該故障進行分析，并總結(jié)故障的排查方法，提出了必要的防范措施，希望能夠?qū)窈笙嚓P(guān)項目的現(xiàn)場施工及調(diào)試有所幫助。

1 故障現(xiàn)象

為保證控制的可靠性，冷凍機組的二次控制回路采用220 V(DC)系統(tǒng)，原理如圖1所示。圖中STP為二次控制回路的啟停開關(guān)，信號由儀表控制系統(tǒng)輸出；KM為直流繼電器，該繼電器觸點串入電機控制主回路，實現(xiàn)電機的啟動和停止。

圖1 控制回路原理示意

正常運行時，STP閉合，KM得電，電機主回路閉合；當(dāng)聯(lián)鎖發(fā)生時，STP斷開，KM失電，電機主回路斷開，電機停止運行。但現(xiàn)場試車時，聯(lián)鎖信號正常產(chǎn)生，而KM并沒有失電。并且調(diào)試人員發(fā)現(xiàn)，在電機啟動后，開關(guān)柜有聲光報警。

經(jīng)確認(rèn)，開關(guān)柜聲光報警是由直流系統(tǒng)的絕緣監(jiān)測裝置產(chǎn)生的，因而初步判斷為直流系統(tǒng)存在接地干擾。通過調(diào)試人員排查，用搖表測出控制信號電纜對地電阻為2.5 kΩ，根據(jù)國家電網(wǎng)公司2005年3月發(fā)布的《直流電源系統(tǒng)運行規(guī)范》第9章第28條規(guī)定： 220 V直流系統(tǒng)兩極對地電壓絕對值差超過40 V或絕緣對地電阻降低到25 kΩ以下，48 V直流系統(tǒng)任一極對地電壓有明顯變化時，應(yīng)視為直流系統(tǒng)接地，可認(rèn)為該故障是由直流系統(tǒng)接地引起的。最終調(diào)試人員檢查信號電纜，發(fā)現(xiàn)信號電纜絕緣層已破損。

2 故障分析

因工作需要，直流電源系統(tǒng)只允許在絕緣監(jiān)測裝置內(nèi)有一處接地，其正、負極均應(yīng)是絕緣的。根據(jù)平衡電阻橋絕緣監(jiān)測原理，圖1的詳細原理如圖2所示，圖2中R1，R2為絕緣監(jiān)測裝置內(nèi)部的檢測電阻，R+，R-為直流系統(tǒng)正負極對地絕緣電阻，C+，C-為直流系統(tǒng)正負極對地等效電容。

圖2 控制回路詳細原理示意

根據(jù)上述故障現(xiàn)象，即啟停開關(guān)STP閉合后，絕緣檢測裝置發(fā)出聲光報警，可以斷定，接地不應(yīng)發(fā)生在A和C點，而是發(fā)生在B點，B點接地后，其等效原理圖如圖3所示。

圖3 B點接地后控制回路原理示意

圖3中R為搖表測出的接地電阻(2.5 kΩ)，正是由于該電阻遠小于25 kΩ，造成電源正母線通過開關(guān)STP和該電阻接地，使得絕緣監(jiān)測裝置產(chǎn)生聲光報警。

根據(jù)圖3所示，當(dāng)開關(guān)STP閉合時，BC間電壓UBC=Us=220 V(DC)，繼電器KM得電動作，電機運行。同時，電容C-通過接地電阻R充電，當(dāng)工藝聯(lián)鎖產(chǎn)生時，STP斷開，電容C-通過閉合回路DBCE放電，KM維持得電狀態(tài)，根據(jù)電路三要素法，可計算出UBC。

在STP斷開的0時刻，UBC不可突變，則：

UBC=UBC(0+)=Us=220 V

(1)

根據(jù)閉合回路DBCE的電容和電阻關(guān)系可知：

T=RC

(2)

式(2)中，T為時間常數(shù)，計算忽略了繼電器KM及電纜的等效電阻，從而得到STP斷開后的UBC如下：

UBC=220e-t/T

(3)

當(dāng)UBC大于繼電器KM的動作電壓時，電機主回路仍不能斷開，壓縮機仍繼續(xù)運行，直到UBC降至繼電器KM動作電壓以下，KM失電，電機才能停止運行，原理如圖4所示：

圖4 UBC與UKM關(guān)系

圖4中，UKM為繼電器動作的最低電壓，t0時刻UBC=UKM，圖4中陰影部分為繼電器的動作區(qū)域，即t0之前，電機都無法停止運行，也正是該段時間過長，致使壓縮機吸入帶液丙烯氣，并使油氣分離器缺油，導(dǎo)致整個機組受損。

3 故障排查

直流電源系統(tǒng)在長期運行過程中，會由于環(huán)境的變化，電纜以及接頭的老化等問題，不可避免地發(fā)生直流系統(tǒng)接地。其接地情況包括： 按接地極性分為正接地和負接地；按接地種類可分為直接接地(金屬接地或全接地)和間接接地(非金屬接地或半接地)；按接地的情況可分為單點接地、多點接地、環(huán)路接地和絕緣降低(片接地)。

正常時，正、負極對地絕緣電阻相等，對地電壓平衡，發(fā)生一極接地時(圖2中A和C點接地)，電壓的平衡性被破壞，接地極對地電壓降低，非接地極電壓升高，直流一極接地時，一般不會立即產(chǎn)生寄生回路，危害保護設(shè)備的運行。但是，存在一極接地的直流系統(tǒng)，供電可靠性大幅降低，因為當(dāng)同一極的另一地點再發(fā)生接地時，可能使信號裝置、繼電保護和控制裝置誤動作或拒動作，或者發(fā)生另外一極接地時，將導(dǎo)致直流系統(tǒng)短路，造成嚴(yán)重后果，所以不允許直流系統(tǒng)長期在一點接地的情況下運行，必須及時排查。

目前，直流系統(tǒng)都配置有絕緣監(jiān)測裝置，在發(fā)生直流接地后，檢測到母線絕緣下降時，會自動投入支路巡檢功能，查出接地支路，但無法定位具體的接地點，技術(shù)上受監(jiān)測點安裝數(shù)量的限制，很難將接地點縮小到一定范圍，所以該絕緣監(jiān)測裝置的局限性較大。要明確定位，還可采用便攜式直流接地檢測裝置，該裝置在電力系統(tǒng)中廣泛應(yīng)用，無需斷開直流回路，可帶電查找，極大地提高了查找的安全性。但在石化行業(yè)內(nèi)，現(xiàn)場調(diào)試、試車過程中仍以拉回路法為主，即分別對各路空氣開關(guān)或熔斷器拉閘停電進行查找，將接地點限定在某個回路中，再用搖表對回路中的每根電纜搖測其絕緣從而鎖定接地點。

對于圖2中B點接地的情況，在試車初期，不易發(fā)現(xiàn)，而且在接地干擾不強時，也能維持正常運行，因而隱患較大。而對于該類接地，可將繼電器KM斷開，并短路開關(guān)STP，通過觀察絕緣監(jiān)測裝置來判斷是否存在絕緣降低的情況。若有，即可采用拉回路法確定接地點的大致位置。

4 防范措施

提高系統(tǒng)內(nèi)電氣設(shè)備的性能是保證直流系統(tǒng)可靠穩(wěn)定運行的首要措施，如增大繼電器KM的動作功率，減小圖4中陰影部分的面積，或采用抗干擾能力強而無抗干擾電容的微機保護裝置，以減小二次控制回路的對地電容。

除此之外，由于直流系統(tǒng)中一般電纜多且長，容易受塵土、潮氣的腐蝕，使某些絕緣薄弱元件絕緣性能降低，甚至絕緣破壞造成直流接地。因此，還應(yīng)采取以下措施來防止該類事故的發(fā)生：

1) 二次控制回路絕緣材料應(yīng)選用合格的、絕緣性能高的產(chǎn)品，避免年久老化，施工時還應(yīng)避免電纜磨傷、砸傷、壓傷和扭傷等。

2) 采用合格的接線盒等產(chǎn)品以及必要的防護措施，避免二次控制回路及相關(guān)設(shè)備因污穢、受潮或進水使直流系統(tǒng)對地絕緣下降。

3) 采取必要的填埋措施，防止老鼠、蜈蚣等爬入帶電回路，造成某些元件線頭、未使用的螺絲、墊圈等零件掉落在回路上。

4) 在設(shè)計控制電纜走向時，應(yīng)遠離動力電纜，并盡量縮短電纜敷設(shè)長度，減小分布電容。

5 結(jié)束語

綜上分析，直流電源系統(tǒng)一點接地的概率較大，若發(fā)生在控制信號電纜側(cè)，其危害性往往比兩點接地更大，難以預(yù)防，且隱蔽性強，很難查明真正原因。同時，直流二次控制回路處在一個強電磁環(huán)境中，工頻電流電壓、系統(tǒng)短路故障、開關(guān)操作、雷電侵?jǐn)_等各種干擾信號，均可通過雜散電容進入二次回路，不可避免地影響二次回路的正常工作。

因此，要避免發(fā)生接地事故，還應(yīng)加強對系統(tǒng)的維護力度，如對電纜溝、接線箱等易受潮設(shè)備進行定期檢查，防止因受潮引起的直流接地引發(fā)此類事故。

參考文獻：

[1] 陳建鵬，任靈.直流電源絕緣監(jiān)測裝置存在的問題及對保護的影響分析[C]//甘肅省電機工程學(xué)會2011年學(xué)術(shù)年會論文集.2012： 125-128.

[2] 湯磊，高厚磊，蘇文博，等.雜散電容對二次回路的影響及防范措施[J].電力系統(tǒng)保護與控制，2010(22)： 206-209.

[3] 王德志.一起330 kV斷路器偷跳事件的分析及改進[J].電力系統(tǒng)保護與控制，2010(05)： 119-120.

[4] 張科峰，方穩(wěn)根.廠站低壓直流系統(tǒng)接地查找[J].電力系統(tǒng)保護與控制，2008(20)： 93-96.

[5] 何郁，漆柏林.直流接地引起斷路器跳閘的原因分析及對策[J].繼電器，2001(11)： 50-51.

[6] 馬士俊.分布電容對遠距離控制系統(tǒng)的影響及其改善方法探討[J].電氣應(yīng)用，2009(03)： 64-68.

[7] 孟恒信，張悅，朱良肄，等.保護用控制電纜分布電容參數(shù)測試方法研究[J].山西電力，2008(04)： 16-19.

[8] 李天偉，楊緒斌.淺談二次回路抗干擾的措施[J].內(nèi)蒙古電力技術(shù)，2007(02)： 57-59.

[9] 鄒森元.電力系統(tǒng)繼電保護及安全自動裝置反事故措施要點條例分析[M].北京： 中國電力出版社，2005.

[10] 毛錦慶.國家電力調(diào)度中心電力系統(tǒng)繼電保護實用技術(shù)問答[M].北京： 中國電力出版社，2000.