長輸成品油管道自動閥室UPS電源故障原因淺析

袁 君

（貴州省航電開發(fā)投資公司，貴州貴陽550002）

1 成品油管道

1.1 成品油管道的概況

2005年，某石油化工有限公司建成一條東起廣東茂名，西至云南昆明的成品油管道，其當時是國內(nèi)最長、施工條件艱巨、輸送工藝最為復雜的一條管道，也是采用自動化技術最為先進的管道，是一條集中控制、分輸下載的管道。管道途經(jīng)5個省市區(qū)，地理條件多變，經(jīng)過的地方有高山、丘陵、河流、湖泊、農(nóng)田、村莊、城市、公路、鐵路、自然旅游區(qū)等等，由于地理環(huán)境復雜，管道可能會發(fā)生泄漏、爆管等事故，影響重大。

由于成品油管道所處環(huán)境以及運行的特殊性，做好管道的安全運行和安全保護工作十分必要，而在管道上設置自動閥室，在管道發(fā)生事故時采取分段隔離措施就是主要的一種方法。

1.2 成品油管道的隱患

（1）人為破壞，比如打孔盜油，在管道上方植樹建房；

（2）技術性損壞，比如輸油操作不當產(chǎn)生壓力、流量變化，引起上下游輸油站憋壓，產(chǎn)生水擊等現(xiàn)象；

（3）自然因素，比如山體滑坡、垮塌、洪水、火山、地震、海嘯等；

（4）戰(zhàn)爭等因素。

2 確保長輸成品油管道正常運行的措施

2.1 前期施工的管控

成品油管道施工過程的質量控制至關重要，特別是前期的勘查、設計、施工等環(huán)節(jié)。原材料采購和設備安裝，施工過程等方面的監(jiān)管等，是影響管道后期能否正常運行的主要因素。

2.2 后期的運行維護

運行人員的技術水平是影響管道運行的一個因素，比如啟停泵工作，油品的分輸下載，發(fā)生甩站事故時應急處理操作不當，都可能引發(fā)管線發(fā)生水擊與憋壓爆管事件。

維護人員的技能也是一個因素，如設備維護保養(yǎng)不到位，導致管道保護措施存在缺陷，發(fā)生事故時，管道的保護程序不能自動啟動，必須通過現(xiàn)場人為操作才能完成。比如閥門的開關，如果能遠程自動控制，就減少了路上耽擱與人為操作的時間，風險降低，損失減小。

2.3 確保站外設備完好性

為了保證閥室正常工作，供電正常是必要條件，UPS電源就是作為后備電源來解決閥室供電難題的。

UPS電源（Uninterruptible Power System）的用途是在外部供電電源停電或發(fā)生故障后，通過蓄電池進行逆變，提供持續(xù)、穩(wěn)定、不間斷的電源給設備供電，讓設備能正常工作，當外部供電恢復正常后，UPS設備則恢復正常的市電供電。

UPS按工作原理分，有后備式、在線式和在線互動式。由于工作環(huán)境及工作條件的需求，該自動閥室所用UPS為在線式（On-Line UPS）。作為農(nóng)電網(wǎng)的補充與后備，為了保證閥室供電質量，在電源進線處加裝一隔離變壓器，再將電源接入UPS設備。

3 閥室UPS故障現(xiàn)象

3.1 故障現(xiàn)象與原因剖析

該閥室的UPS自投用以來一直存在故障，所謂“自動閥室”，其控制方式從來沒有自動過，管線上自動閥門的控制狀態(tài)一直都是處于“手動”位置，也就是“M”位；從未處于“A”位置，也就是自動位[1]，因為UPS電源總是有以下幾個故障顯示：

（1）在遠方輸油站中控畫面上總顯示一個“UPS故障”報警信號；

（2）UPS連接電池的線路對地有3～5 V的交流電壓；

（3）UPS主機上有一個故障指示燈；

（4）通過人工模擬斷市電，UPS主機不能自動轉換為蓄電池給設備供電。

經(jīng)分析，原因可能如下：UPS自身有問題；RTU信息數(shù)據(jù)采集有誤；受陽極地床電位的影響；地方電網(wǎng)供電問題；設備接地方式不對。

3.2 分析處理過程

（1）假設UPS有故障，用新的、同規(guī)格型號的UPS換上，都出現(xiàn)上述問題。據(jù)了解，該自動閥室于2005年投用，在2006年閥室內(nèi)一電源控制箱發(fā)生過短路燃燒現(xiàn)象，當時由于人員巡檢到位，處理及時，未造成事故。所以將UPS有故障這一原因排除。

（2）RTU（Remote Terminal Unit）信息數(shù)據(jù)采集有誤。RTU中文名為遠程測控終端，用于控制與數(shù)據(jù)采集，具有遙測、遙信、遙調、遙控“四遙”功能，是SCADA控制系統(tǒng)基本組成單元。由于閥室其他信息在中控與站控畫面顯示未見異常，可以排除RTU信息數(shù)據(jù)采集有誤故障和通信異常故障。

（3）成品油管道是金屬管道，埋地敷設，容易受潮腐蝕，為保證管道使用年限，對管道作了相應保護，采用3層PE保護防腐蝕是一種，也就是物理保護；另一種是化學保護，即電化學保護。電化學保護采用陰極保護方法，也就是通過陽極地床來為管道保護工作提供犧牲陽極的電流，陽極地床又稱為輔助陽極，是在外加電流陰極保護系統(tǒng)中將保護電流引入土壤的導電體。通過輔助陽極把保護電流送入土壤，經(jīng)土壤流入被保護的管道，使管道表面發(fā)生陰極極化（防止電化學腐蝕），電流再由管道流入電源負極形成一個回路，這一回路形成一個電解池，管道在回路中為負極，處于還原反應狀態(tài)，防止腐蝕，而輔助陽極進行氧化反應，遭受腐蝕。

因為UPS設備本體做了接地，而大地又是一個大的容體，陽極地床的工作電源與UPS的電源工作路徑不同，所以陽極地床的電位應無法影響UPS設備運行。

（4）地方電網(wǎng)供電問題，也就是供電方式存在問題。在我國，10 kV供電線路中性點不接地，只有在10 kV變?yōu)?.4 kV的情況下，從變壓器中性點引出零線，有的地方同時也作為地線，或零線、地線共用，這就是農(nóng)電網(wǎng)的電氣接線方式。作為自動閥室，其供電線路利用地方電網(wǎng)，即供電電壓為220 V的交流供電線路。

低壓供電系統(tǒng)采用一根相線（火線），零線接入戶，但閥室內(nèi)的供電電源接入后，其供電性質因接地工作可能就改變了，變成了施工現(xiàn)場臨時用電供電模式，比如TN-S系統(tǒng)、TN-C系統(tǒng)、TN-C-S系統(tǒng)。這里從閥室的接地情況來分析，UPS故障可能就是以上三種系統(tǒng)的供電模式引起的。

（5）設備接地方式：作為一個獨立的閥室，估計當時施工單位對其接地工作是沒有做全面的考慮與分析的，也可能是設計單位沒有要求做或偷工減料了，所以閥室內(nèi)沒有專用的接地網(wǎng)，即接地點；有一條接地線，也就是防雷引下線，而不是室內(nèi)設備安裝的專用接地線。

那么作為自動閥室內(nèi)的用電設備，按照石油化工設備用電要求和規(guī)范，一要做好防火防爆工作，二要做好防雷接地工作。自動閥室內(nèi)電源設備、通信設備、自動控制及儀表自動化設備都處于一個房間內(nèi)，只有管道與閥門單獨處于另一個房間。在這個單獨的電氣設備室內(nèi)，未設專用接地網(wǎng)，再加工作電源為220 V的農(nóng)用電源，沒有設置保護接地和工作接地網(wǎng)，就共用防雷接地網(wǎng)[2]。

室內(nèi)的保護接地情況是：兩塊接地銅排是人為加裝的，而且是用絕緣子支撐接于地表上的，在銅排上用一根總線將其接入防雷接地引下線，室內(nèi)只要有設備，都從外殼上拉一根線接到接地銅排上，這就是所謂“電氣行業(yè)內(nèi)用于保護接地的接地線”，十分不規(guī)范。

4 故障及現(xiàn)場處理情況

（1）拆除全部接地線，并對地面上的自制接地銅排進行了拆卸。

（2）重新對設備的接地進行引接，一根一根地對地連接，一根一根地檢測，沒有對地電壓的接上，不需要的接地設備拆除。拆至通信設備一個電源插板上的一根接地線時，對地電位正好是在3～5 V之間漂移跳動，這根線是從一個三孔插的插孔內(nèi)引出來接地，將此接地線拆除后，一切故障消失。

（3）重新模擬對市電斷電，UPS主機可自動給設備供電，再也不用對UPS進行重啟。

5 結論分析

（1）從三孔插中引出接地線，且第三個孔插沒有使用，只是用一個兩孔插；通信設備本身已經(jīng)接地，這就使得通信設備既是保護接地又是保護接零。

（2）按臨時供電的幾種情況分析：

1）在TN供電系統(tǒng)中，如果將工作零線N重復接地，碰殼短路時，一部分電流就可能分流于重復接地點，會使保護裝置不能可靠動作，更有甚者，會拒動，使故障擴大化。

2）在TN-S系統(tǒng)中，也就是三相五線制中，因N線與PE線是分開敷設并且相互絕緣的，同時與用電設備外殼相連接的是PE線而不是N線，因此最主要的是PE線的電位，而不是N線的電位，所以在TN-S系統(tǒng)中重復接地不是對N線的重復接地。如果將PE線和N線共同接地，由于PE線與N線在重復接地處相接，重復接地點與配電變壓器工作接地點之間的接線已無PE線和N線的區(qū)別，原由N線承擔的中性線電流變?yōu)橛蒒線和PE線共同承擔，并有部分電流通過重復接地點分流。這樣可認為重復接地點前側已不存在PE線，只有由原PE線及N線并聯(lián)共同組成的PEN線，原TN-S系統(tǒng)所具有的優(yōu)點將喪失，所以在閥室內(nèi)造成了一種“PE線”和“N線”共同接地的情況。

（3）另一種情況是在接地工作中，銅排接地體和鍍鋅角鐵接地體混用。這種接法是不規(guī)范的，因為不同材料在土壤中呈現(xiàn)出的電位是不同的，鐵（Fe）為-0.44 V，銅（Cu）為0.337 V，如果兩種混用，正好產(chǎn)生0.777 V甚至更高的電位差，此電位差在電力系統(tǒng)中較微小，但對其他設備正常工作也會產(chǎn)生影響[3]。

（4）根據(jù)外部防雷裝置接地應為防閃電感應，內(nèi)部防雷裝置、電氣和電子系統(tǒng)等接地共用接地裝置的原理，接地裝置引入金屬管線做等電位連接。這就是說，在設計防雷系統(tǒng)時，就必須考慮到與電網(wǎng)保護接地系統(tǒng)共用等電位連接。但保護接地、工作接地和防雷接地不能共用一個接地極，閥室內(nèi)卻共用“一組”接地體。如果防雷接地系統(tǒng)沒有組成一個接地環(huán)網(wǎng)的話，在單獨接地極的情況下，防雷與電網(wǎng)接地點是不能共用一組接地體的。

通過一系列分析可知，UPS故障是接地不規(guī)范引起的，在以后的工程建設中，應按照法律、法規(guī)、規(guī)范、程序辦事，從源頭抓起，從設計、施工、監(jiān)理等環(huán)節(jié)抓起，不將問題遺留給建設單位或使用單位。

6 結語

經(jīng)過處理，UPS電源故障已經(jīng)消除，中控室操作畫面也不再有這樣一個假信號，且UPS能正常切換供電，從而為長輸成品油管道的安全運行提供了一道堅實的屏障。