淺析抗晃電技術在化工企業(yè)的應用

王德州，王德亞

(1.棗莊杰富意振興化工有限公司，山東 棗莊 277000；2.棗莊學院，山東 棗莊 277000)

“晃電”現(xiàn)象是化工企業(yè)電力系統(tǒng)中經常出現(xiàn)的問題，會引起瞬間斷電或電壓驟降?！盎坞姟爆F(xiàn)象影響化工企業(yè)生產系統(tǒng)正常運行，對化工企業(yè)安全生產造成嚴重威脅。本文通過對“晃電”產生的原因、特點、危害等分析,結合我公司化工生產的特點及抗晃電技術的應用，為其他化工企業(yè)解決晃電故障提供技術方面的參考。

1 晃電的概念

電壓有效值降至標稱值的10%至90%稱為電壓暫降/驟降，持續(xù)時間為10 ms至1 min(典型持續(xù)時間為10～600 ms)的電能質量事件之一。電壓暫降如果比較嚴重，將使用電設備停止運行，或引起所生產系統(tǒng)紊亂和癱瘓，或導致生產系統(tǒng)非計劃停車。

引起電壓暫降的原因大體可分為三類，第一類是電力系統(tǒng)原因：當輸配電系統(tǒng)發(fā)生短路故障、感應電機啟動、開關操作、變頻器以及電容組的投切等事件；第二類是自然原因：雷擊、暴雨、暴雪等；第三類是無法預料的偶然因素：人為操作失誤、建筑施工造成輸電系統(tǒng)損壞等等。其中，引起電壓暫降的主要原因是短路故障、感應電機啟動和雷擊。保護裝置會因雷擊時造成的絕緣子閃絡或對地放電而發(fā)生動作，導致供電電壓暫降。這種暫降波及范圍廣，持續(xù)時間大于100 ms；電機全電壓啟動時，需要從電源汲取的電流值為滿負荷時的500%～800%，這一大電流流過系統(tǒng)阻抗時，將會引起電壓突然下降；短路故障可能會引起系統(tǒng)遠端供電電壓較為嚴重的跌落，化工生產過程中對電壓敏感的電氣設備的正常工作會受此影響，發(fā)生生產系統(tǒng)癱瘓停車，造成嚴重的經濟損失。

2 有關電壓驟降之國際標準

國際電氣與電子工程師協(xié)會(IEEE)將電壓暫降定義為供電電壓有效值下降到額定值的90%～10%，持續(xù)時間為10 ms～1 min；國際電工委員會(IEC)將其定義為下降至額定值90%～1%，持續(xù)時間為10 ms～1 min。兩大主流對于電壓驟降的定義與規(guī)范基本一致，都屬于電壓驟降的定義范圍。

3 晃電的成因

導致晃電現(xiàn)象的原因是多方面的，比如說:突如其來的雷擊;外界物體的接觸;疾風及其他自然環(huán)境影響導致的線路故障;備用電源切換故障所引發(fā)的現(xiàn)象等。所有這些故障會引起電力設備瞬間斷電或電壓突然下降，目前，仍是電力系統(tǒng)無法完全避免的，不能徹底解決的難點，晃電現(xiàn)象發(fā)生概率遠高于完全停電。

4 晃電的特點

一是突發(fā)性，無法事先預知；二是短暫性，維持時間只有僅僅 1～2 s，甚至到幾百微妙。雖然發(fā)生時間短，但卻后果嚴重。

5 晃電的危害

“晃電”發(fā)生時，由于電壓的降低,電機運行電流增大，易引起電氣設備發(fā)熱，造成設備故障，同時會使接觸器釋放，從而造成大量電動機的跳機；在使用變頻器控制的場合在電源“晃電”比較嚴重時，會觸發(fā)變頻器低壓保護動作，設備停止運行，生產裝置安全生產受到嚴重威脅。大部分的低壓電動機是由接觸器控制，普通接觸器會因供電系統(tǒng)的短暫失壓工作在臨界釋放區(qū)或者立即釋放。通常當電壓低于線圈額定電壓的50%，時間超過一個周期時接觸器釋放；當電壓低于額定電壓80%，持續(xù)五個周期時接觸器也會釋放。晃電過后，電動機失電停止運轉。母線恢復正常后，需要人工去逐臺恢復開啟，浪費大量的時間，使得生產被迫中止。這種現(xiàn)象尤其是對連續(xù)性、不間斷生產系統(tǒng)，造成嚴重損害。

我公司作為苯酐(鄰苯二甲酸酐)生產的化工企業(yè)，深受“晃電”威脅。由于我公司苯酐生產系統(tǒng)安裝使用了SIS系統(tǒng)(Safety Instrumented System 安全儀表系統(tǒng))，一旦遭受“晃電”影響，不允許停頓設備(2臺變頻熔鹽泵)發(fā)生停頓并且觸發(fā)SIS連鎖，從而導致生產系統(tǒng)癱瘓，裝置停車。據(jù)統(tǒng)計，2017年全年因雷雨天造成“晃電”導致苯酐停車事故高達7起，給公司造成約150萬元的損失。

6 抗晃電技術的應用

6.1 概念

抗晃電技術，旨在防止電源電壓發(fā)生晃電時暫時跌落或者消失，一般維持在很短的時間內，讓電源電壓不會出現(xiàn)間斷，設備持續(xù)運行的技術。這種技術應用于化工企業(yè)生產過程設備，這些設備極易受到電壓暫降的影響，因為設備內任何一個元件由于電源出現(xiàn)問題都會使整個流程停止運轉。常受電壓暫降影響的重要設備有可編程邏輯控制器(PLC)、可調速驅動裝置、冷卻裝置控制、機械裝置、直流電機驅動等。

6.2 主要技術

針對晃電突發(fā)性、短暫性特點，現(xiàn)介紹以下抗晃電技術進行交流探討：

6.2.1 分批自啟動技術

分批自啟動技術是通過斷電延時時間繼電器來實現(xiàn)的，時間繼電器因為失電而延時斷開，電壓在整定時間內恢復正常，電動機啟動回路因時間繼電器的延時觸點而接通，電機重新二次啟動。

缺點：控制線路太過繁瑣，時間同步很難做到，只能控制單臺設備，針對我們公司生產裝置，并不適用。

6.2.2 PLC控制分批自啟動

電動機順序控制啟動系統(tǒng)的核心是一套穩(wěn)定可靠的PLC(可編程控制器)，在系統(tǒng)運行前，整個系統(tǒng)的控制邏輯是已輸入至PLC的CPU模塊的RAM存儲區(qū)，PLC失電后程序和數(shù)據(jù)的記憶由一粒3.6 V的鋰電池維持。該系統(tǒng)可對電動機在發(fā)生“晃電”恢復后，按照設定程序對被控電動機群分批次按排序實現(xiàn)連續(xù)自動快速二次啟動。

母線電壓被電壓變送器轉換為直流信號，輸入單元將直流信號轉換為數(shù)字信號，最后送給CPU模塊進行比較計算，判定電壓是否異常。母線電壓和電動機狀態(tài)被控制單元采集完成后進行邏輯分析判斷，接受操作指令，各電機啟動命令順序輸出，執(zhí)行單元接受控制單元指令，執(zhí)行順序啟動電機指令。

此系統(tǒng)維護操作可靠方便，主要應用在電動機負荷較集中的變電所，對于電動機負荷較分散的變電所，成本較高，根據(jù)分析，針對公司苯酐生產系統(tǒng)特點，不適用。

6.2.3 節(jié)能型交流接觸器應用

節(jié)能型交流接觸器能夠在85%～110%Ue的額定電壓值吸合，在20～75%Ue的額定電壓值釋放，能避免部分電壓下降產生的晃電影響。但對于電源在短時間內發(fā)生中斷的情況無濟于事，所以在抗晃電功能上并未廣泛應用。

6.2.4 MUPS

MUPS型電動機不間斷電源是低壓電動機群的不間斷電源系統(tǒng)。適用于連續(xù)生產的化工生產工藝裝置。當主電源失電后，MUPS將確保關鍵電動機組繼續(xù)運行使生產過程中有時間緊急處理、安全停車或繼續(xù)運行。

MUPS在電網發(fā)生晃電時給變頻器直流母線提供補償電壓，保證其電壓不會發(fā)生瞬間跌落或者消失，變頻器正常運行免受影響。原理簡圖如下所示。

我們通常使用變頻器的本身都具有捕捉再啟動、斷電后自動啟動及故障后自動再啟動功能，這些功能進行調節(jié)控制電動機，而不加裝MUPS，我們公司苯酐生產裝置設備熔鹽泵本身已經加裝變頻器，已具備此功能，所以沒有必要加裝MUPS。

6.2.5 抗晃電自控技術

1)針對公司苯酐生產系統(tǒng)特點，經公司領導研究決定，采用直流電源結合PLC、通訊模塊、檢測元件、保護元件等組成一套完備的抗晃電自控系統(tǒng)，如圖1、2所示。

圖1 抗晃電自控系統(tǒng)示意圖

圖2 變頻抗晃電直流電源系統(tǒng)示意圖

2)控制過程：變頻器由在線互動式直流電源負責提供補償電源，正常情況下直流電源通過控制系統(tǒng)給變頻器直流母線提供熱備電源，直流電源控制系統(tǒng)只能單向給變頻器提供電源，變頻器直流電源不能反向供電。直流電源系統(tǒng)配有一組免維護蓄電池，確?；坞婋妷旱鋾r變頻器直流電壓保持不變，使得正在運行的變頻器晃電時繼續(xù)運行。在系統(tǒng)供電母線端取一路電源連接到智能晃電檢測控制器及電壓變送器。由晃電控制器檢測出晃電現(xiàn)象，并輸出信號至 PLC，發(fā)出晃電報警?；坞娍刂破骺筛鶕?jù)實際情況設定 “晃電”允許時間 Tm(0.1～3.0 s)。由電壓變送器檢測母線電壓，并輸出信號至 PLC，PLC 對采集到的信號實時進行分析判斷電網是否停電，如停電發(fā)出信號斷開直流輸出電源。

3)電機再啟動實現(xiàn)。在原電機控制柜內變頻器直流母線端，通過電纜將熱備直流電源引至變頻器直流端子。直流供電控制系統(tǒng)，確保晃電時變頻器可繼續(xù)運行。由變頻器進線接觸器新增 1對常開輔助節(jié)點引至端子，再通過電纜連接到 PLC 控制系統(tǒng)，作為晃電系統(tǒng)反饋運行狀態(tài)信號。

6.3 實際應用

圖3為我公司安裝使用抗晃電自控技術后發(fā)生晃電時系統(tǒng)工作記錄。

圖3 抗晃電系統(tǒng)的工作記錄

當我公司苯酐裝置正常運行電機遭遇“晃電”時，不允許停頓設備(2臺變頻熔鹽泵)，用直流不間斷電源給變頻補償電源，確保在晃電欠壓出現(xiàn)時變頻器仍能繼續(xù)運行，電機在規(guī)定最低轉速以上運轉，以保證監(jiān)控電流繼電器不動作，實現(xiàn)設備持續(xù)運轉，不會觸發(fā)SIS系統(tǒng)(Safety Instrumented System 安全儀表系統(tǒng))，從而保障裝置不跳車。自2018年4月份苯酐抗晃電系統(tǒng)完成后，夏季遭受雷電沖擊3次，上級變電站重合閘1次，均未對苯酐生產系統(tǒng)造成影響，直接為公司挽回約88萬元的損失，此次抗晃電技術的成功應用徹底避免了我公司苯酐生產系統(tǒng)在遭遇“晃電”時造成的停車。

7 結語

電力系統(tǒng)一旦發(fā)生“晃電”現(xiàn)象，大多會導致化工生產裝置局部停車或整體停車，從而引起生產系統(tǒng)癱瘓，給企業(yè)帶來重大的損失，本文介紹的幾種抗晃電技術希望能夠為不同類型不同特點化工企業(yè)在解決“晃電”問題時提供技術方面的參考，避免或者減少“晃電”造成的危害及損失。