STS在石化儀表系統供電中的應用①

李 楨

(中國石化股份有限公司茂名分公司化工分部)

STS在石化儀表系統供電中的應用①

李 楨

(中國石化股份有限公司茂名分公司化工分部)

針對石化裝置中只具備單路220V(AC)供電條件的重要儀表設備的UPS供電失效時，對STS(靜態切換開關)切換到另外一路UPS供電的方案進行討論，分析了STS切換應滿足的條件，提出了減小、避免STS切換瞬間感性負載產生的電涌電壓給儀表系統帶來干擾和主、備電源相位偏差大造成容性負載損壞的方法。STS投用后，實現了主電源失效后能立即切換到備用電源上的目的，提高了供電的可靠性。

儀表系統 STS 電涌 沖擊電流

在茂名乙烯廠的儀表系統中，對于具備兩路非同期工頻交流電源同時工作條件的儀表、控制系統采取雙路UPS供電，對于24V(DC)直流供電的儀表、控制系統，采取雙路24V(DC)直流供電或不同UPS供電的兩臺24V(DC)直流穩壓電源并聯(每臺電源輸出有二極管隔離)冗余供電，對于只具備單路220V(AC)供電條件的儀表設備，如一些分析儀表、DCS操作站、電磁閥及一些常規儀表等，采取單路UPS供電。2015年6月，1#丁二烯裝置只具備單路220V(AC)供電條件的儀表因UPS故障時切旁路(普通市電)失敗，裝置聯鎖誤動作，導致非計劃停車。為此，對于重要的單路UPS供電的儀表，如何進一步提高供電可靠性，成了一個亟待解決的問題。STS(靜態切換開關)是雙電源二選一的自動切換系統，可實現兩路交流電之間的冗余切換，筆者論述的是如何利用STS和兩路UPS實現只具備單路220V(AC)供電條件的儀表的可靠供電。

1 STS簡介

1.1 工作原理

STS用于具有雙路電源的場合，其主回路的主要元器件為兩路晶閘管模塊(VTT)，利用兩路晶閘管模塊的切換實現負載的不斷電運行，STS工作原理如圖1所示。

圖1 STS工作原理

兩路電源中的一路為主電源，即優先源，另外一路為備用電源。當兩路電源的供電電壓、工作頻率都在正常的工作范圍時，優先源一側的固態開關開通，STS將主電源提供給負載，而備用電源一側的固態開關則隨時處于待命狀態。當優先源的供電電壓或工作頻率出現異常時，晶閘管模塊迅速實現切換，將備用電源提供給負載。

1.2 技術特點

STS核心轉換組件是可控硅整流器(SCR)，也稱為晶閘管，兩個晶閘管反向并聯，形成一個晶閘管模塊(VTT)，模塊中兩個晶閘管各自導通半個周期，使正、反向電流通過。

有熔斷器進行內部故障的保護。晶閘管發生短路或故障時，能自動轉換到另一路電源，并禁止再次轉換回原電源，同時提供報警。還有過載保護、超溫保護等保護功能。 控制部分采用雙數字信號處理器(DSP)板，一個數字信號處理器板出現故障，不會影響系統的運行。

兩路電源處于同步情況下(兩電源的電壓幅值、頻率、相位偏差在允許范圍內)，自動切換的時間小于5ms(1/4周波)，最短切換時間小于1ms。兩路電源處于不同步情況下，切換采取先斷后通(Break before Make)的方式，切換時間小于15ms。

2 STS切換應滿足的條件

STS在儀表系統中的應用主要考慮兩個方面的問題：STS的切換時間要滿足儀表系統允許的最大中斷供電時間的要求；避免切換操作瞬間所形成的電涌電壓過高或沖擊電流過大導致儀表設備、STS受干擾誤動作或損壞。

2.1 儀表系統允許的最大中斷供電時間

儀表系統常見的負載設備有繼電器、電磁閥、微動力開關、電動儀表及調節器等。各類繼電器，當失電時，它們的失電時間(動作特性)為5、10、20、30ms不等；電磁閥、微動力開關的換向(切換)時間為10～50ms；電動儀表、調節器等一般不超過5ms[1]。因此，STS切換的時間應小于5ms。

2.2 STS切換產生的電涌電壓和沖擊電流

在交流電路中，基本負載元件有電阻R、電容C和電感L3種，R、L、C的組合可以表示各類型負載特性。當系統中電壓超前電流時，負載特性屬于感性負載，若系統電流超前電壓時，則屬于容性負載[2]。儀表系統中有感性負載，如電磁閥、繼電器及變壓器等，也有容性負載，如24V(DC)開關電源、分析儀表、DCS操作站及一些常規儀表等。在STS切換過程中，感性負載的存在會產生電涌電壓，容性負載的存在會產生沖擊電流。

2.2.1 感性負載

感性負載電感線圈中儲存的能量EL為：

(1)

式中i——感性負載電感線圈中電流；

L——感性負載電感線圈的電感。

在電感線圈層間存在分布電容，分布電容中儲存的能量EC為：

(2)

式中C——感性負載電感線圈層間分布電容；

u——STS切換時斷開瞬間的電感線圈的電壓。

由式(1)、(2)可知，STS切換瞬間線圈中的能量方程為：

Li2=Cu2

(3)

由式(3)可知，感性負載在STS切換時刻的電流值為零時，感性負載內存儲的磁場能量也為零，切換產生的電感線圈的電壓為零，感性負載在STS切換時刻的電流值為峰值時，感性負載內存儲的磁場能量最大，切換產生的感性負載的電壓最大。STS的切換是隨機的，感性負載在切換時是否出現高電壓取決于當時感性負載的電流值。

以電磁閥為例，STS切換瞬間，電磁閥存儲的磁場能量將轉換為閥分布電容的電場能量，而分布電容很小，電磁閥的電場強度很高，電壓峰-峰值最大可達5kV以上[3]。

在STS內部，設置了RC濾波器對浪涌進行吸收[4]，解決了du/dt過高導致晶閘管誤觸發的問題，但電涌電壓對儀表負載的電磁干擾還需要采取濾除的措施。

2.2.2 容性負載

對于兩路UPS來說，任一UPS輸出電壓的瞬時值可表示為：

u=Umsin(ωt+φ)

(4)

式中Um——電壓幅值；

φ——初相角；

ω——電壓的角頻率。

根據容性負載的伏安特性和式(4)，在STS切換的瞬間，主電源和備用電源的Um、ω、φ若分別接近相等，使容性負載上單位時間內的電壓變化最小，就可以減少對容性負載的沖擊電流。

由于采用了微機控制的電子負反饋電路，UPS的輸出電壓穩定度高，可達±0.5%～±2.0%。同時，又由于UPS利用石英晶體振蕩來控制逆變器的頻率，故輸出頻率穩定，穩定度可達±0.01%～±0.50%[6]。因此，減小STS切換的瞬間兩個UPS之間的相位差是需要重點考慮的內容。

3 實施方案

STS模塊選用EMERSON公司的Liebert NPS I靜態切換開關模塊，STS柜的原理示意圖如圖2所示。

圖2 STS柜原理示意圖

感性負載與容性負載分別由兩個不同的STS模塊供電，STS模塊內部有阻容(RC)濾波器[4]，在每個STS模塊的輸入端都安裝了電涌保護器，可以確保其他的儀表負載不受STS切換時感性負載產生的du/dt的電磁干擾。為保證STS切換瞬間兩個UPS的相位角差最小，將兩個UPS輸出的相位實時跟蹤同一個旁路供電的相位。在每個STS柜設置5個空氣開關(K)，可將STS旁路，實現STS模塊故障時的在線更換。

4 結束語

STS在1#裂解、全密度、1#高壓裝置投用后，經測試，在主電源失電情況下，能立刻切到備用電源上，不會影響儀表系統的正常運行。STS在儀表系統上的應用，需要考慮STS的切換時間要滿足儀表系統允許的最大中斷供電時間的要求，還需要考慮切換瞬間感性負載產生的du/dt可能給儀表帶來干擾，以及主、備電源的電壓幅值、角頻率、相位的偏差大有造成容性儀表負載損壞的可能性。LBS(負載同步控制器)可以實現兩套UPS的相位直接跟蹤同步，將兩UPS 電源之間的相位差控制在 1～2°的范圍之內。筆者所在單位目前在用的UPS不支持LBS功能，采取兩個UPS輸出的相位實時跟蹤同一個旁路供電相位的方法減小相位差，兩個UPS電源之間的相位差控制在4～6°的范圍內。在裝置原始設計時，若考慮兩路UPS通過STS切換給單電源儀表負載供電，應考慮配置支持LBS功能的UPS，投用LBS功能，提高供電的可靠性。

[1] 陸德民，張振基，黃步余.石油化工自動控制設計手冊[M].北京：化學工業出版社，2013.

[2] 陳朝輝.雙電源轉換開關投切關鍵問題研究[D].沈陽：沈陽工業大學，2012：17～18.

[3] 張曉光，焦豐，郭祥玉.切斷感性負載時的電磁兼容性探討[J].電源技術應用，2003，6(12)：692～696.

[4] Emerson.Liebert NPS I User Manual for Installation & Operation[M].India：Emerson，2009.

[5] 吳強.電容性非線性負載的通電沖擊電流[J].福建建筑，2010，(1)：125～126.

[6] 周志敏，周紀海.UPS實用技術-應用與維護[M].北京：人民郵電出版社，2003.

ApplicationofSTSinPowerSupplyofPetrochemicalInstrumentSystem

LI Zhen

(PetrochemicalDepartment,SinopecMaomingBranchCompany)

Considering UPS failure in powering the important instrument which boasting of a single channel

李楨(1970-)，高級工程師，從事自動化控制系統的應用與維護工作，lzh107@126.com。

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(Continued on Page 296)

2016-08-22)