防晃電技術及其在石化行業中的應用

張風平

(中國石油蘭州石化公司動力廠，蘭州 730060)

石化行業特殊的生產環境對供電的可靠性有很高的要求，在生產過程中不允許電動機由于供電原因而停機。但在實際生產過程中各種設備的供電系統受內外因素的影響較多，很容易發生晃電現象，致使正在運行的裝置設備停機，連續生產過程被迫中斷，不僅產生廢料和廢氣，還可能引發有毒有害物質的泄漏，造成火災爆炸及人員中毒死亡等事故；由于石化生產工藝的特殊性，裝置建立穩定的生產平衡需要很長時間(一般2～5d)，給企業造成巨大損失。

在此，詳細分析晃電產生的原因及其對供電回路的影響，并對5種防晃電技術進行分析比較，最后闡述防晃電技術在某石化企業的實際應用。

由于雷擊、短路、大電機直接啟動、某種瞬時故障或其他原因引起電網電壓大幅波動甚至短時斷電，致使用電設備不能正常工作的現象俗稱晃電，晃電具有不可預見性[1～3]。

在石化行業，晃電發生時由接觸器控制的電機回路和其他設備會自動停車，即使供電立即恢復正常電機也不會自動啟動，需由人工啟動電氣設備，不僅浪費時間還造成連續生產過程的中斷，可能引起設備損壞、爆炸及火災等事故。

常見的晃電現象：電壓驟降、驟升，持續時間0.5個周波至1min(一般電壓上升或下降的幅度是額定電壓的110%～180%或10%～90%)；電壓閃變，一般表現為人眼對照明異常而產生的視覺感受；短時斷電，持續時間0.5個周波至3s的供電中斷。

2 晃電對供電回路的影響

2.1 交流接觸器

交流接觸器在低壓電動機回路中應用非常廣泛，所占比例很大，石化行業較大一部分電機都是由交流接觸器控制的。當電網發生晃電現象時，由于接觸器額定電壓的下降或中斷，致使線圈對鐵芯的吸引力小于彈簧的彈力，致使接觸器釋放，造成一大批電機停止工作，使連續生產過程中斷，晃電現象對接觸器的影響如圖1所示。一般情況下，交流接觸器線圈電壓在降到額定電壓的50%時開始抖動；降到40%或30%時接觸器釋放；在電壓低于80%或更高的情況下，一般持續幾個周期后接觸器也會釋放。因此，一旦電網發生晃電，就會造成接觸器不同程度的釋放，導致很多低壓電動機回路停機。

圖1 晃電現象對接觸器的影響

2.2 變頻裝置

針對石化行業的特點，一些重要裝置由于啟動瞬時電壓大，需采用變頻器回路供電。一般輕微的晃電，會由于變頻器的自身特性，在欠壓或斷電情況下，且逆變器是電流驅動型-GTR時，就會停止向驅動電路輸出信號，使電動機處在自由的制動狀態，此時變頻器在很短的時間內能繼續工作，對裝置不會造成影響。但是，在晃電較為強烈時，且逆變器為電壓驅動型-IGBT時，就會導致變頻器的調速電動機停止工作。因為當負載不變時，由于電網電壓的下降，電動機的電流會增加，流過變頻裝置的電流也增加，導致變頻器熱量增加，影響變頻器的正常運行。

一般變頻器的控制電源都采用開關電源，電網電壓波動不大時，控制系統能夠正常運行；電網電壓波動比較嚴重時，由于工作電流增加或工作溫度升高，導致變頻器熱量增加[4]，導致控制系統不能正常工作、變頻器損壞同時裝置停機。

3 防晃電技術分析

3.1 采用斷電延時時間繼電器

早期的防晃電技術通常采用的是斷電延時時間繼電器，在整個過程中只有電壓恢復正常時時間繼電器的延時功能才能啟動，也就是電源恢復正常后延時觸點會使電動機的整個回路接通，實現電動機的重啟動。時間繼電器的工作原理如圖2所示。

圖2 時間繼電器工作原理

正常運行時按下啟動按鈕SB1給接觸器KM線圈供電，KM線圈帶電，其輔助常開觸頭閉合使接觸器形成自鎖，接觸器的主觸頭吸合，接通主回路啟動電機；同時時間繼電器的線圈也帶電，使并聯在接觸器KM自鎖觸頭兩側的延時斷開的常開觸頭閉合。當晃電發生時，接觸器的線圈失電，輔助觸頭和主觸頭恢復到常開狀態，斷開主回路，時間繼電器的線圈也失電。但是由于時間繼電器的輔助觸頭延時斷開，而且電機由于慣性還未完全停止，如果能在整定時間內電壓恢復正常，斷電延時時間繼電器的延時觸點就不會斷開，使接觸器線圈重新帶電，主觸頭被重新接通，電動機的主回路接通，電機重啟動，這就有效地防止晃電的發生。當電機正常停機時，按下停止按鈕SB2，使中間繼電器KA線圈帶電，常開觸頭閉合自鎖中間繼電器KA，并串聯在啟動回路中的中間繼電器的常閉輔助觸頭斷開，使接觸器迅速失電，也達到了一按即停的目的。

3.2 采用FS專門的防晃電交流接觸器

晃電對于系統的影響主要取決于電源電壓的下降速率和持續時間[5]。電容的作用是延緩電壓的下降和上升速率，FS防晃電交流接觸器是由一個延時控制模塊(電容)和接觸器組裝而成的，延時控制模塊安裝在接觸器側面，與接觸器構成雙線圈，FS交流接觸器的工作原理如圖3所示。

圖3 FS交流接觸器工作原理

電源正常狀態下，控制模塊A3處于儲能狀態，接觸器的啟停與常規接觸器一樣。當晃電發生，電壓降到接觸器的維持電壓以下時，控制模塊開始工作，以儲能釋放的形式保持接觸器繼續吸合，其輔助觸頭延遲發出斷開的控制信號，這樣就躲過了晃電發生的時間段，當電網電壓恢復后控制模塊又轉入儲能狀態；如果晃電時間段超過控制模塊設定的延時時間，則接觸器釋放，電動機停止運行；當停止按鈕SB2發出正常分閘指令時，接觸器的A1與A3接通(即電容短接)，所以儲存的電在按下停止按鈕SB2時釋放了，如此即可確保迅速可靠地停機。

3.3 采用電動機保護器自帶的重啟功能

電動機在各行各業中應用非常廣泛，為了確保電動機的安全控制和經濟運行，80%的電動機回路都采用電動機綜合保護器作為保護元件。但大部分的電動機綜合保護器只有保護電動機的功能，沒有發生晃電后重啟電動機的功能。

ST500系列綜合保護器具有電機重啟功能，其工作原理如圖4所示。電源正常狀態下，綜合保護器MPD的常開觸點(1DO，1COM)不動作，當發生晃電，電壓降到接觸器的維持電壓甚至以下時，接觸器脫扣，電動機停止運行；如果在重啟動設定的時間內電網電壓恢復，綜合保護器MPD的常開觸點(1DO，1COM)閉合，接觸器線圈帶電，電機重新啟動，即可實現晃電后的重啟動功能。當按下SB1正常停機按鈕時，綜合保護器檢測到主回路有電，其常開觸點(1DO，1COM)不閉合，防止了正常停機時的誤動作，達到了安全防晃電的目的。

圖4 帶重啟動功能的保護器的工作原理

3.4 采用UPS技術

UPS可在電網瞬間停電或失壓后，穩定地向負載提供幾秒到幾十分鐘不等的電能。電網電壓正常時，UPS的蓄電池自動充電，保證其時刻處于容量充足的狀態。

UPS是利用蓄電池以在停電和電壓下降時給逆變器供電的方式實現防晃電技術，其工作原理如圖5所示。UPS將外部交流電轉換成直流電，再通過逆變器將直流電轉換為高質量的正弦波交流電輸出。在停電和電壓下降時則使用備用直流蓄電池給逆變器供電，可有效實現防晃電而造成的電機停運現象。

圖5 UPS防晃電技術工作原理

3.5 采用AIX-3B低壓電機再啟動控制器

AIX-3B低壓電機再啟動控制器可實時監測電網電壓和電機的運行狀態，有效實現防晃電。當電網發生瞬間晃電時，接觸器的自保持觸點斷開，使得現場正在運行的電機因電網晃電而停機。如果電網電壓在允許的時間內恢復正常，再啟動控制器的輔助觸點接通，對掉電釋放的接觸器進行再次接通，使電機重新啟動；如果電網電壓沒有在允許的時間內恢復正常，則閉鎖程序，不再啟動設備。AIX-3B低壓電機再啟動控制器的動作時序如圖6所示，其中，T為掉電時間周期，Tm為掉電響應時間上限，如果T大于Tm則再啟動控制器不動作。

圖6 AIX-3B低壓電機再啟動控制器的動作時序

AIX-3B低壓電機再啟動控制器的的接線如圖7所示，其中2、8腳為工作電壓，同時作為電壓輸入判斷；5、6腳引自交流接觸器的自保持接點信號；AIX-3B框內的A為主繼電器的輸出接點，其容量為10A/250V(AC)。

圖7 AIX-3B低壓電機再啟動控制器的接線示意圖

正常情況下2、8腳帶電，5、6腳常開接點不動作，當出現晃電并且在允許的時間范圍內電網恢復正常，5、6接點閉合，控制器按預先設定的再啟動時間啟動已停止的電機。現場如有多臺電機需要分批再啟動，只需將AIX-3B低壓電機再啟動控制器設定不同再啟動時間，即可實現。該控制器體積小，安裝、接線方便，還可以實現分批啟動，避免了同時啟動對電網造成的沖擊。

AIX-3B低壓電機再啟動控制器可對異步電動機群在電網晃電失壓后，按照設定的時間對被控電動機實現快速自動再啟動。晃電過程中，裝置實時判斷電網電壓是否滿足設定的啟動條件，當電網條件不能滿足再啟動要求時，裝置進入等待-檢測-判斷的循環程序，并進行晃電時間的計算；當電網滿足啟動要求，且在晃電允許的時間內，裝置按照設定的時間發出再啟動信號。在晃電允許時間內，電網電壓沒有恢復正常，將閉鎖程序，不再發出再啟動控制命令。

另外，AIX-3B低壓電機再啟動控制器的抗干擾性能好、功耗又低，故在使用過程中無需專用電源。采用密封結構使其環境適應性好，實現了使用期間的免維護。并且只需將產品并接在啟動按鈕和控制電源兩端，原有的二次接線不需要改動。

4 防晃電技術的比較

上述幾種技術都不同程度地實現了防晃電功能，其性能和優缺點比較見表1。可見，采用再啟動控制器作為防晃電技術，不僅經濟、可靠、安裝方便且線路改造簡單，而且實現了分批再啟動。另外，再啟動控制器的體積小，在低壓抽屜式開關柜中安裝方便，線路改造簡單，不用更換接觸器，節約了成本。

表1 五種防晃電技術的性能與優缺點比較

5 防晃電技術在石化行業中的應用

目前，中國石油蘭州石化公司煉油區的關鍵生產裝置有8套，公用工程裝置8套。查閱近幾年的故障統計，結果表明每次電網波動均造成系統電壓降低，致使部分低壓接觸器脫扣，導致裝置生產波動。因此，采取有效的防晃電技術將電網波動對生產的影響降到最低是必要的。為了全面掌握晃電現象對裝置造成的影響，更好地進行防晃電技術的實施，分別對該公司煉油區的幾套關鍵裝置進行調查，詳見表2。

表2 煉油區關鍵裝置晃電影響調查

(續表2)

(續表2)

可以看出，晃電對石化企業關鍵機組的影響主要是體現在進料泵、油泵、回流泵、循環泵、鼓風引、引風機、空冷器及壓縮機等設備上。這些關鍵設備發生晃電停機后會造成不同程度的影響，機泵作用不同造成的危害和影響也不同。

經過調研，蘭州石化公司已經在煉油區幾套關鍵裝置的關鍵機組上配置了再啟動控制器，實現設備的晃電再啟動，保證連續生產的順利進行。

6 結束語

有效降低或防止因晃電現象而引發的設備損壞和因停產而導致的經濟損失，一定會催生越來越多的防晃電技術。電機再啟動控制器技術是對供、配電系統故障后的補救措施之一，目的是進一步提高供、配電系統對電動機供電的可靠性。通過改造原有電動機的控制回路，對關鍵裝置關鍵設備的電動機回路配置再啟動控制器，實現了設備的防晃電。電機再啟動控制器技術的應用，進一步提高了供、配電系統供電的可靠性，減少了裝置因晃電而造成的安全和環保事故。

[1] 孫玉才,何國平.防晃電技術在石油化工企業中的應用[J].電氣技術,2007,(7):73～75.

[2] 王成林，林興華.雷電引起雷達液位計屢燒保險問題的分析[J].石油化工自動化,2014,50(3):24～26.

[3] 林洪俊.煉油廠儀表供電方案研究[J].石油化工自動化,2014,50(6):8～12.

[4] 庹友林.晃電對電動機供電回路的影響對策[J].江蘇科技信息,2010,(9):51～52.

[5] 孫安民.煉化廠防晃電技術的分析及對策[J].中國科技信息,2013,(18):119.