分批量再啟動功能在煤化工企業晃電中的應用

邊華彬

（神華鄂爾多斯煤制油分公司，內蒙古 鄂爾多斯 017209）

1 概 述

大型煤化工企業變配電系統一般配置220 kV、110 kV、35 kV、6 kV以及0.4 kV的電壓等級，因其工藝流程的特殊性，配置電驅動設備較多。為滿足工藝高溫和高壓等條件，裝配了8 800 kW、4 500 kW以及4 000 kW等利用同步勵磁、軟啟動以及變頻等控制設施進行啟動的大型高壓電動機組。煤化工企業中大部分用電設備都采用了繼電保護裝置、接觸器以及繼電器等元件組成的保護控制回路。當系統遭遇晃電時，電壓值和時限值達到了設備運行的極限，會導致大批量電驅設備停運，影響生產裝置的長周期運行，給工廠帶來巨大的經濟損失。

2 應用原因

隨著煤化工系統電網的并網，煤化工生產裝置的系統電壓等級和電驅動設備逐漸增多，同時也增加了供電設備因瞬時遭受雷擊、短路或其他原因造成晃電的概率。瞬間的電壓波動將造成大批量電動機跳閘，機組停運，電力系統恢復后需要人工進行逐臺恢復。對于電動機回路較多的裝置來說，恢復的時間較長，一些無人值守的裝置，則需要更長的時間。

3 常規的配置及不足

3.1 常規母線備自投配置

為保障供電電源的可靠性，煤化工的電氣系統通常采用兩個或兩個以上的電源進行供電，采用備自投裝置進行相互備用。當其中一路電源因晃電失去電壓時，另一路電源通過備自投裝置檢測失電回路的電壓和電流值。當滿足切換條件時，備自投裝置開始進行自動切換，一般切換完成的時間在600 ms以上。由于完成整個備自投切換過程的時間較長，很多用電設備控制回路中的繼電器和接觸器已經失電，因此容易導致大批量用電設備停運。

3.2 常規電動機回路配置

一般高壓電動機的低電壓保護設定值在70%Ue左右，動作時限為500 ms，只要電壓值和時限同時滿足條件才觸發保護動作。低壓電動機的控制回路主要由交流接觸器和空氣開關組成，交流接觸器工作電壓按IEC標準規定要求，額定電壓的80%為臨界可靠吸合電壓，額定工作電壓的20%～70%為臨界釋放電壓?，F場使用的電磁式交流接觸器一般在50%Ue釋放，當系統發生晃電時極易出現因瞬間欠壓而釋放的情況，導致批量電機停運。

3.3 常規變頻器回路的配置

變頻器根據濾波方式的不同分為電壓源型和電流源型兩種，均采用常見的交直交結構，由整流回路、中間回路以及逆變回路3部分組成。變頻器設置的低電壓保護，主要的檢測單元在整流回路中的直流環節。當系統電壓跌落至60%Ue，時限達到30 ms以上時，檢測單元會觸發變頻器停機保護，變頻器所拖動的所有電動機組會全部停機。

4 常見的解決方案

4.1 將母聯備自投改為快速切換

快切裝置具有工作電源和備用電源雙向選擇的切換功能，優化于備自投功能只能由工作電源向備用電源切換的單一性。裝置通過快速檢測，滿足向量角度在55°以內和殘壓值在90%Ue頻差的條件下，可在50 ms內完成快速切換，優化了傳統備自投裝置切換完成周期長的問題。因相角大、頻差高以及相位超前等原因錯過最佳快切時間時，根據殘壓的特性曲線，通過相角、頻率以及幅值變化的不斷在線追蹤，計算殘壓與系統電壓向量相位重合時的時間，實現精確過零點合閘。

4.2 應用低壓電動機回路抗晃電接觸器

近幾年，電力市場上生產抗晃電接觸器和模塊的制造商越來越多。低壓電動機的供電回路空間限制了增加晃電器件體積大小的要求，普遍采取的方式是在交流接觸器上增加輔助電源。當電網系統正常時，模塊處于儲能狀態，當電網發生晃電時，通過模塊的電壓輸出延時接觸器的釋放時間。因受安裝空間的影響，其輔助電源較小，維持時間較短。其中，控制電路是接觸器模塊的核心部件，負責偵測供電回路中的晃電現象，進而控制切換電路的動作。

4.3 直流支撐（DC-BANK）技術在變頻器中的應用

動能緩沖技術受電動機負載轉動慣量的影響比較大，如果轉動慣量小，則回饋能量不足以支撐直流母線電壓，允許晃電時間可能只有幾十毫秒。采用蓄電池或者超級電容組成專門的直流系統，晃電后向變頻器的直流母線供電，保證電動機的正常運行。支持晃電的時間長短主要取決于蓄電池組的容量，動力UPS后備時間可以更好地確保電機緊急處理的時間。這里執行單元的核心是壓差控制模塊，執行單元需要采用靜態開關，普通斷路器或者接觸器10 ms以上的動作時間是無法達到要求的，只有靜態開關才能達到μs級別的動作時間。采用壓差控制技術，自動比較變頻器母線電壓和DC-BANK的直流側電壓，大于定值則自動啟動靜態開關，這種方案的動作時間小于0.5 ms，動作時間短且可靠性高。對于有大量變頻器的裝置，可采用一套蓄電池儲能系統，多個獨立的執行單元和控制單元給不同的變頻器直流母線供電，進而提升運作的安全穩定性。

5 供電系統因晃電而導致的兩種模式

5.1 系統晃電周期短

企業低壓電機控制多采用交流接觸器，當電壓低至接觸器額定工作電壓的55%～65%，并持續10～50 ms時，交流接觸器將釋放，導致低壓電機停轉，變頻器出現欠壓和不平衡等故障，變頻器停止工作，電機停轉。瞬時的系統晃電在無硬故障點的情況下，通過快切裝置、防晃電模塊以及直流支撐等可快速有效地恢復供電。

5.2 系統晃電周期長

如果因遭遇故障點未切除、快切裝置拒動以及系統母線失電造成了大面積電動設備停電，則需要緊急組織人員處理故障點。供電系統在逐級快速恢復供電的情況下，保障化工生產的溫度和壓力的同時，還要考慮第一時間啟用關鍵大型機組的潤滑油泵和盤車電機。大型煤化工企業中一般配置的電機設備較多，大批量的電機設備緊急恢復供電給電氣從業人員增加了較大的工作難度，同時存在安全隱患。

6 批量再啟動功能的優勢與實際應用

以某煤化工企業為例，介紹再啟動功能在煤化工企業中的應用。

6.1 功能配置

裝置組成結構包括POW供電電源、SAM電流電壓采樣板、IO輸入輸出板、CPU主板、總線板以及人機界面6個部分。其中，POW供電電源部分采用兩個交直開關電源，輸入分別為220 V AC和220 V DC。將兩個開關電源輸出的24 V DC和5 V DC各自并聯給機柜供電，具備UPS雙電源功能，其中一個電源回路發生故障時，機柜仍可以正常工作，能保持故障信號輸出功能。SAM電流電壓采樣板中每塊采樣板可采集2段母線的信號，共6路電壓和電流信號，最多可插2塊采樣板，實現4段母線共12路電壓和電流信號的采集?？刂破骺勺R別2段和4段母線的任意組合電壓波動，將檢測的數據作為再啟動的一個控制依據，加快電機的的啟動過程。IO輸入輸出板分為兩線制和四線制兩種。其中，兩線制采用兩根線同時作為狀態檢測與再啟動輸出。單個機箱總線板最多可配置12塊輸入輸出板，每個通道可進行8個電動機的狀態檢測與再啟動輸出控制。四線制的狀態檢測與再啟動輸出分別用兩根線來實現。單個機箱總線板最多可配置12塊輸入輸出板，每個通道可進行6個電動機的狀態檢測與再啟動輸出控制。CPU主板采用了32位雙CPU的系統結構，其中一個CPU專門用來數據采集，另外一個CPU負責邏輯判斷、控制以及記錄等，提高系統的處理能力和穩定性。通過與采樣板通信獲取母線電壓和電流，通過與輸入輸出板通信讀取電動機運行狀態等信號，綜合分析所采集的運行數據，為再啟動功能提供支持。通過總線板可將再啟動范圍設置在1～16批次，每批啟動的電動機數量可設置在1～96臺。批量啟動設置要結合每臺電動機在生產環節中的重要程度，綜合評估考慮批量電動機功率大小等方面。人機界面通過12.1寸的觸摸顯示屏讀取電機運行狀態，設置和修改再啟動裝置的參數，為工作提供了便捷。

6.2 原理概述

在供電系統發生晃電時，現場批量電動機因電壓驟降而停運。通過批量再啟動裝置的在線監測功能監測電動機運行狀態和系統電壓值，在設置允許的范圍時間內，系統電壓恢復正常后，按程序設定的先后次序分批量對晃電停運的電動機組進行重啟，從而達到快速恢復生產運行的目的。如果電壓恢復水平較高，則自動縮短再啟動間隔時間，加快現場恢復過程。如果晃電時間超過設定的允許值，則自動閉鎖再啟動程序。裝置能準確地識別單相電壓波動、兩相電壓波動、三相電壓波動、多段母線的任意電壓波動、電壓連續波動以及母線間備自投成功等多種晃電組合，可靠地捕捉導致接觸器線圈釋放的晃電電壓波動，最短時間達20 ms。如果批量啟動的電動機數量比較多，所在母線段的進線框架斷路器的過流速斷保護設定值小于所有電機同時再啟動的沖擊電流時，需要采用分批分期的再啟動模式。在供電系統發生瞬時晃電時，再啟動裝置立即計算統計各電動機的運行狀況和晃電發生時間，并不斷檢測系統電壓值。若恢復時間已超過系統的設定值，則判據為故障未恢復，暫不執行再啟動功能并向后臺系統告警。若在設定時間內恢復正常，則開啟再啟動功能，此時遭受晃電而停運的電機組重新按設定的程序執行啟動[1]。

6.3 實施與應用

某煤化工企業安裝了1臺分批量再啟動裝置，分12個批次對73臺電動機組進行分批量再啟動。配置原則主要考慮以下幾個方面。按照生產工藝要求，將循環密封油泵和油漿混合泵等關鍵機組設置為第一批次啟動，啟動時間為系統檢測滿足啟動條件后0.2 s完成。第二批次對空冷器和沖洗泵等關鍵機組進行批量啟動，啟動時間以第一批機組啟動完成后延時0.2 s后進行。后續的啟動時間以0.2 s延時分批量按重要程度進行有序啟動。

實施批量再啟動時，需要在線判定系統電壓是否能夠滿足批量再啟機組的啟動條件（系統的電壓值和電流值滿足啟動條件）。當啟動條件不能滿足要求時，會持續跟蹤判據條件，直至系統電壓和電流滿足再啟動條件，再啟動裝置控制系統繼續執行操作命令。當系統電壓沒有及時恢復正常，再啟動裝置告警提示電網故障告警，同時執行裝置閉鎖程序，當系統供電恢復正常后，需要人工手動重新啟動后再啟動裝置。

在批量再啟動過程中，再啟動裝置動態檢測系統電壓和電流，計算批量再啟動的電機容量，保證再啟動過程中的系統電壓和電流穩定。電壓和電流同時作為再啟動的判據，每批次啟動的電機容量總和都不能超過供電系統繼電保護的設定電壓和電流值。在滿足以上前提下，利用批量再啟動功能在設置的時間內完成批量再啟動工作。利用設置RS-485標準通信接口，在變電所的運行后臺實施遠方數據遙信，通過電氣運行后臺數據終端，采集并反饋因發生系統晃電后批量電動機再啟動的情況，儲存電機的運行狀態和累計運行時間，監控分批量再啟動的電動機過程。

7 結 論

在快切裝置、抗晃電模塊以及直流系統支撐系統投入應用的情況下，加入分批量再啟動的功能，為系統的抗晃電工作增加了雙重保障。再啟動裝置的投用，對發生系統晃電和停電的后續恢復工作上提供了有效的支持，不但降低了人工恢復設備運行送電的工作量，而且對生產快速恢復起到了重要作用。