防“晃電”事故的分析與對策

朱力召，王少盼

(陜西渭河煤化工集團有限責任公司，陜西 渭南 714000)

1 概述

現代化工企業低壓電動機廣泛采用交流接觸器控制，其控制電源通常取自微型斷路器后側，接觸器帶電自保持，無壓釋放。然而，電動機正常運轉時遇電源瞬時失壓，接觸器就會釋放，當電源自動恢復后則需人工重新操作恢復電動機運轉，造成運行中電動機短時停機，使生產中斷，從而對企業造成一定的經濟損失，甚至聯鎖，導致大面積系統停車。隨著電網并網、環網的日益擴大，以及饋電變壓器容量增大帶來的配出回路增多，相鄰回路故障引起的電壓波動概率升高造成電源瞬時失壓即"晃電"現象越來越頻繁。配電系統"晃電"的發生一般都是突發性的，同時也是無法避免的，但是如何在"晃電"情況下盡量避免非計劃停車卻是必須考慮的問題。

陜西渭河煤化工集團有限責任公司在借鑒其他公司的各種方法后，決定采用供電更加穩定可靠的UPS來提供低壓電氣設備的控制電源，同時在控制電源分配柜的設計過程中解決了如何區分"晃電"和系統真正失電時控制電源是否斷開的問題，以及下級控制電源短路時如何避免所有控制電源全部丟失的問題。

2 控制電源改造整體設計方案

此次技術改造重點為控制電源分配柜的設計，分配柜必須能夠區分真正失電和"晃電"，避免真正失電時的拒動作和"晃電"時的誤動作。同時分配柜設計還要考慮到支路短路故障時對干路斷路器的影響，避免因支路短路造成總開關跳閘，導致事故擴大，即斷路器要具有選擇性[1]。

鑒于以上方面，最終的設計方案如下：UPS電源選用索克曼Masterys IP系列UPS；控制電源分配柜通過ABB三相電壓監視器、時間繼電器、接觸器、空氣開關組成的回路提供給低壓開關柜控制回路電源，接觸器下側配套微型斷路器給每列開關柜供電。三相電壓監視器的作用是監視系統電壓的升降、電源缺相或失壓，發生故障時配合時間繼電器可以延遲5s斷開電源分配柜內接觸器。根據歷年“晃電”現象和運行經驗，5s內的“晃電”現象占據大多數，所以"晃電"發生時在5s內開關柜控制回路靠UPS電源供電保證接觸器不釋放，從而保證系統正常運行。如"晃電"超過延遲時間，為保證生產系統設備安全，控制電源將通過接觸器斷開供電，以保證設備安全。同時，控制電源分配柜總斷路器選用ABB公司生產的S752 DR-E63帶選擇性過電流保護斷路器，該斷路器可以有效避免支路短路而造成的越級跳閘事故。配電室I段控制系統原理如圖1～圖3所示。

圖1 控制電源一次接線原理

圖2 主回路接觸器的控制原理

圖3 電壓監視器延遲動作回路二次原理

3 UPS選型以及技術指標

經過分析本項目的特點以及UPS各種性能、可靠性、技術先進性等參數指標要求，最終選用SOCOMEC公司Masterys IP系列UPS，具體型號為MASTERYS IP 20/10kVA。IP系列UPS有以下特性：

(1)標配隔離變壓器，起到保護、防雷、濾波作用，次級不和地相連。

(2)內置冗余直流回路(包括雙組充電器)，可采用雙組電池連接。

(3)逆變器工作電壓范圍為 20%可調；逆變器能滿足所有負荷連續運行的要求，并能適應負荷在額定值0～100%波動。逆變器能在額定負載下可靠起動；帶有同步鎖相電路，可隨時保證逆變器和旁路系統同步，實現負荷無擾動地切換至旁路。

(4)整流器采用IGBT整流器，其輸入電壓AC 380V/400V且帶有零線，輸入電壓范圍為 20%可調，在-35%時仍可帶70%的負載，UPS具有獨立自動旁路和手動維修旁路設置。

(5)靜態開關旁路側是雙路無觸點電子式靜態開關，控制電路采用"過零點"切換技術，保證UPS在同步鎖相時切換時間為0；在與電網不同步時，切換時間小于4ms。即電網頻率無論怎樣變化，均可確保UPS輸出電壓、頻率的穩定與不間斷。

(6)靜態切換開關具有自動、手動兩種工作方式，實現不間斷切換，當逆變器故障或失壓時，通過靜態切換開關切向旁路系統供電，切換時間不超過4ms；靜態旁路開關裝備測試裝置，保證在不影響負荷運行的情況下進行功能測試。

(7)蓄電池采用湯淺UXH系列免維護閥控式密封鉛酸蓄電池，平均使用壽命為12年。

4 控制電源分配柜設計

控制電源分配柜設計方案中UPS輸出電源通過總斷路器QF1以及接觸器KM1和KM2分配到每個配電柜的控制電源分空開上(即圖1中6A的微型斷路器)，然后給配電柜提供控制電源。電壓監測回路負責監測母線電壓，當發生系統故障時發出指令，并結合時間繼電器延遲動作來跳開控制電源接觸器。為保證控制電源分配柜能夠按照設計原理可靠動作，同時避免元器件越級跳閘，控制電源分配柜元器件選型就顯得尤為重要。

4.1 斷路器的選型設計

為避免斷路器越級跳閘問題，QF1最終選型為ABB公司生產的S752 DR-E63帶選擇性過電流保護斷路器(SMCB)。該斷路器過載脫扣采用的是雙金屬片，此種設計在下部短路電流達到其額定值后，在1ms內將會斷開主觸頭，其線路的短路能量會通過輔助觸頭釋放。

當短路發生在下級微型斷路器的負載端時，因線路阻抗原因，其短路電流不可能太大，但這已足夠使下級微型斷路器脫扣。SMCB在此短路電流的電磁力作用下，主觸點會斷開，同時使輔助回路觸點閉合，但不足以使SMCB脫扣機構脫扣。與此同時，輔助回路的限流電阻及其熱元件會控制短路電流，既要允許下級微型斷路器動作又不能使SMCB實質性脫扣。下級微型斷路器切除短路電流后，SMCB主觸點回復到閉合位置，輔助回路觸點斷開，繼續提供電源。如果微型斷路器拒動或不能分斷時，選擇性熱元件使SMCB在稍加延遲后(小于300ms)脫扣。

當短路故障發生在SMCB的負載端時，其預期短路電流相當大，可能達到104A的水平。此時SMCB可承受其最大分斷能力，短路電流電磁力驅動脫扣機構快速分斷。

下級微型斷路器采用ABB公司生產的S202-C6，該斷路器與選擇性斷路器結合可以完美解決下級開關短路時越級跳閘問題。

4.2 電壓監視器的選型設計

電壓監測回路可以設計成多種模式，其中早期的設計為U、V相之間以及V、W相之間各安裝一個電壓繼電器，同時再安裝一個時間繼電器作為動作延遲。隨著電子技術的發展，電子繼電器也越來越成熟，動作更可靠的電子式三相電壓監視繼電器成為首選。本次技術改造最終選用ABB公司生產的CM-PVS三相電壓監視繼電器。

其動作情況為：所有三相電壓都正常，輸出繼電器動作。如果電壓小于或大于設定閥值(該閥值可調)，輸出繼電器立即復位或延時復位(0.1～30s)，同時LED指示故障狀態。當電壓返回到設定閥值之內(加上固定遲滯5%)，輸出繼電器立即自動重新動作或延時動作(0.1～30s)。同時考慮到控制電源分配柜的供電穩定性，在設計時加入了時間繼電器。通過三相電壓監視繼電器和時間繼電器共同調節達到規定動作時間要求。

4.3 控制電源分配柜的試驗數據

(1)三相電壓監視器保護動作試驗(模擬"晃電"情況)：欠電壓保護延遲動作試驗，設定值為300V，延遲5s后輸出電源斷開；缺相動作試驗，在系統"晃電"情況下通過時間繼電器延遲5s后輸出電源斷開；失壓動作試驗，在系統失電情況下通過時間繼電器延遲5s后輸出電源斷開。

(2)UPS電源空載試驗：UPS電源裝置輸入380V市電，UPS開機設置參數，測量輸出回路電壓值穩定輸出，電壓波形正常。

(3)UPS電源帶載試驗：在UPS輸入電源故障情況下(電力系統電壓正常)，UPS通過蓄電池能不間斷可靠供給控制回路負載電源。

5 結束語

此次技術改造以后，經檢測UPS電源各項參數、指標都符合電力系統要求，各控制電源分配柜運行穩定，電力電能質量符合供電要求，電控設備穩定運行。在設備投入運行后，2017年11月25日19：35左右，外網110kV系統發生"晃電"，系統電壓突然產生波動，6kV系統電壓短時間內從6.27kV迅速降至5.62kV。此次"晃電"除造成脫硫裝置部分設備微機保護動作外并未造成其他變電所大面積系統停車。尤其是此次技術改造過的變電所，均未出現系統電壓波動而造成低壓設備誤停車。

本次技術改造保證了現場電力電動設備控制電源供電安全可靠，同時也提高了供電設備運行穩定性，消除了電力系統短時電壓波動無故跳車的隱患。