聯(lián)鎖故障分析及排查方法和防范措施

范文進(jìn)

(揚(yáng)子石油化工設(shè)計(jì)工程有限責(zé)任公司，南京 210048)

在某低溫乙烯儲運(yùn)裝置的試車過程中，出現(xiàn)冷凍機(jī)組聯(lián)鎖跳車故障，致使冷凍機(jī)組壓縮機(jī)吸入帶液丙烯氣，最終造成機(jī)組受損，耽誤了工期，造成了巨大的經(jīng)濟(jì)損失。筆者針對該故障進(jìn)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(xiàng)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(jī)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(diǎn)串入電機(jī)控制主回路，實(shí)現(xiàn)電機(jī)的啟動和停止。

圖1 控制回路原理示意

正常運(yùn)行時(shí)，STP閉合，KM得電，電機(jī)主回路閉合；當(dāng)聯(lián)鎖發(fā)生時(shí)，STP斷開，KM失電，電機(jī)主回路斷開，電機(jī)停止運(yùn)行。但現(xiàn)場試車時(shí)，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(jī)啟動后，開關(guān)柜有聲光報(bào)警。

經(jīng)確認(rèn)，開關(guān)柜聲光報(bào)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(yùn)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(shí)，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(fù)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(xì)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(fù)極對地絕緣電阻，C+，C-為直流系統(tǒng)正負(fù)極對地等效電容。

圖2 控制回路詳細(xì)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(bào)警，可以斷定，接地不應(yīng)發(fā)生在A和C點(diǎn)，而是發(fā)生在B點(diǎn)，B點(diǎn)接地后，其等效原理圖如圖3所示。

圖3 B點(diǎn)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(yuǎn)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(bào)警。

根據(jù)圖3所示，當(dāng)開關(guān)STP閉合時(shí)，BC間電壓UBC=Us=220 V(DC)，繼電器KM得電動作，電機(jī)運(yùn)行。同時(shí)，電容C-通過接地電阻R充電，當(dāng)工藝聯(lián)鎖產(chǎn)生時(shí)，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(jì)算出UBC。

在STP斷開的0時(shí)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(shí)間常數(shù)，計(jì)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(shí)，電機(jī)主回路仍不能斷開，壓縮機(jī)仍繼續(xù)運(yùn)行，直到UBC降至繼電器KM動作電壓以下，KM失電，電機(jī)才能停止運(yùn)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(shí)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(jī)都無法停止運(yùn)行，也正是該段時(shí)間過長，致使壓縮機(jī)吸入帶液丙烯氣，并使油氣分離器缺油，導(dǎo)致整個(gè)機(jī)組受損。

3 故障排查

直流電源系統(tǒng)在長期運(yùn)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(fù)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(diǎn)接地、多點(diǎn)接地、環(huán)路接地和絕緣降低(片接地)。

正常時(shí)，正、負(fù)極對地絕緣電阻相等，對地電壓平衡，發(fā)生一極接地時(shí)(圖2中A和C點(diǎn)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(shí)，一般不會立即產(chǎn)生寄生回路，危害保護(hù)設(shè)備的運(yùn)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?yàn)楫?dāng)同一極的另一地點(diǎn)再發(fā)生接地時(shí)，可能使信號裝置、繼電保護(hù)和控制裝置誤動作或拒動作，或者發(fā)生另外一極接地時(shí)，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(diǎn)接地的情況下運(yùn)行，必須及時(shí)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(shí)，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(diǎn)，技術(shù)上受監(jiān)測點(diǎn)安裝數(shù)量的限制，很難將接地點(diǎn)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(jìn)行查找，將接地點(diǎn)限定在某個(gè)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(diǎn)。

對于圖2中B點(diǎn)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(qiáng)時(shí)，也能維持正常運(yùn)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(diǎn)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(yùn)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(qiáng)而無抗干擾電容的微機(jī)保護(hù)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(shí)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(hù)措施，避免二次控制回路及相關(guān)設(shè)備因污穢、受潮或進(jìn)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(jì)控制電纜走向時(shí)，應(yīng)遠(yuǎn)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(diǎn)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(diǎn)接地更大，難以預(yù)防，且隱蔽性強(qiáng)，很難查明真正原因。同時(shí)，直流二次控制回路處在一個(gè)強(qiáng)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(jìn)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(qiáng)對系統(tǒng)的維護(hù)力度，如對電纜溝、接線箱等易受潮設(shè)備進(jìn)行定期檢查，防止因受潮引起的直流接地引發(fā)此類事故。

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