晃电治理技术在石化行业的应用

一、晃电对石化行业的影响

    石化行业目前是我国国民经济的支柱行业之一，是国家的重点企业，是连续性生产型企业的代表。随着石化工业新工艺、新技术的发展，企业对电气控制系统的安全性、可靠性和稳定性的要求越来越高。石化企业中所带的电动机负荷占70%左右，其供用电系统接线较为复杂，母线的出线分支较多，供配电系统内部发生故障的概率较高。经统计，石化企业中母线电压波动原因有以下几种类型：

    ①、区内故障，低压馈线和用电设备发生故障导致母线电压波动；

    ②、电动机起动，大容量电动机（或机群）起动时导致母线电压下降；

    ③、区外故障，外部电网发生短路、中断等故障，导致供电电源中断。

    其中电动机起动造成的母线电压暂降也可归类为区内故障。综上，晃电产生的原因可以大体分为区内故障原因和区外故障原因，下文中也会分别针对区内故障和区外故障的不同给出相应的晃电治理方案。

    晃电发生时，主要受影响的负荷设备包括高低压电机、变频器。

    1）、电动机: 石化企业所用的电动机大多是异步电动机， 当发生电压暂降后系统不再提供磁场能量，带有剩磁的转子靠机械惯性切割定子绕组变成异步发电机向短路点提供反馈电流并消耗剩磁能量。400V低压系统中的电动机控制回路是接触器控制回路，一般交流继电器当电压低于线圈额定电压的50%，时间超过30ms时接触器释放；当电压低于80%甚至更高，持续五个周波时接触器也释放，造成低压电动机失电停机。

    2）、变频器：高低压变频器包括三相全波整流电路、 储能滤波电路和逆变电路，为避免大电流对整流电路中的晶闸管或整流二极管的冲击，造成损坏。变频器厂家都设置了欠压保护，电压下降到80%-70%时（各品牌厂家欠压定值不同），欠压保护动作封锁逆变脉冲，停止对外供电，持续时间大约为70-80ms。

    综上所述，配置抗晃电方案时，既要考虑晃电发生的区域，采取不同措施。还要考虑电压的扰动波形会根据配电网各负载设备实际工况而变化的，  不能刻舟求剑，所以单一的措施在治理效果上未必能达到很高的可靠性，为了更好的提高整个配电系统的抗晃电能力，需要多方位、全面的配置抗晃电措施，整体方案中既有主导措施，也有补充措施，通过相互之间的配合，提高晃电治理的可靠性和安全性。

二、晃电治理的技术阐述

    石化行业属于典型的连续性生产企业，生产设备规模大，工艺连续性强，设备之间高度关联，一个设备运行为下一环节提供材料，一个环节故障异常往往影响全部生产系统，连续生产得不到保障，系统恢复一般按照流程逐个环节联动恢复。

    晃电治理方案需要实现真正的设备无扰动，同时整个配电网安全可靠，何为无扰动，正确的理解是受电用户在重新获得电源后能保持失电前的生产工艺流程不受到破坏，各类高低压电机、变频器等设备不停机，电网设备无任何电压冲击风险。治理方案的指导思想是从电源端集中治理到负载端分步治理。治理的方法主要包括四个方面：

    1.快速切换

    这是一种电源端集中治理的有效方法，通过主备电源安全快速的切换，实现高低压负载设备晃电时无扰动，保证生产工艺连续。

    2.快速隔离

    这是一种在负载端分布治理的方法，主要解决区内故障问题，通过快速隔离的手段，保证母线电压的稳定，避免区内故障扩大。

    3.后备支撑

    这也是一种负载端的分步治理方法，技术手段有很多种，后面会一一介绍。

    4.二次控制

    主要针对生产工艺中低压侧的关键负载设备，通过对直起式电动机、变频器、软启动设备二次回路的控制，保证生产工艺的连续性。

    各治理方法阐述如下：

    2.1、快速切换   

    石化企业用电属于一级负荷，一般具有独立可靠的双重电源供电，特别重要负荷除双电源外另增设应急电源。当晃电发生时，通过快速可靠的切换，保证设备不停机，生产连续。

    以石油炼化为列，主要是将原油进行一次加工和二次加工。一次加工是指常、减压蒸馏，主要属于物理变化过程；二次加工是将一次加工产物再次加工，主要过程有除热裂化、催化裂化、催化重整、加氢裂化、石油焦化等，属于化学变化。炼油设备主要有：流体传输设备、加热设备、换热设备、传质设备、反应设备、容器六大类构成，这些设备里电动机类负荷占绝大部分，如泵、风机、压缩机、传送带等。当晃电发生时，电网电压暂降，由于负载侧挂载有很多感性设备电动机，电机由于惯性，处于“惰行”状态，向母线反馈电压，使得母线具有较高残压，如果在供电回路中配置备自投实现备用电源自动投入，备自投装置的工作原理为：备自投装置取母线PT电压信号和电源进线电流信号，进线开关处于合闸位置，联络开关处于分闸位置，母线电压超过80%母线额定电压，经备自投装置的充电延时后，备自投逻辑进入待机状态。假设任意一段进线电源消失后，备自投装置检测到母线电压下降至额定电压的30%以下及进线电流为零时，才判断电源进线失电，经备自投装置内的自投延时后，备自投装置开始动作，发命令将失电侧进线开关跳开，通过开关辅助触点判断其断开后，再发命令将联络开关合上，完成备用电源的自动投入。

    由此可见，备自投装置很好的完成了备用电源的自动投入，但也仅限于用电负荷等级二级以下场所。对于石油化工企业，备自投装置的动作逻辑可能存在一定的问题。主要是石化类企业的用电设备多数以电动机为主，并且这些设备中很大一部分为一级负荷，一级负荷的电动机对石油炼化连续性生产起决定作用，这些负荷如停车时间较长，则可能引起整个系统联锁停车，造成严重经济损失。 备自投装置动作时间，主要由母线电压下降的时间和备自投装置的内部自投延时组成，两个时间加起来往往在2秒以上，此时电动机控制回路已释放，整个生产的连续性已被破坏，另外，电动机转速下降已经很大，在这样的前提下去启动电动机，整个电网系统将需承受电机的起动电流，如果高压电动机数量多且容量大或配置不当等原因，很有可能将另一电源拖垮，造成更大事故。

    而电源无扰动快速切换产品能够很好的解决是中低压系统的备用电源无扰切换。无扰动快速切换产品将对进线侧、母线侧的所有待测的信息以及开入量进行采集，对所需要控制输出的开出量进行合理分配。无扰动快切装置将对现场的母线电压、进线电压，进线电流、开关位置等综合信息量进行汇总，根据系统运行状态，无扰动快速切换装置通过对进线、母线电压、频率、相位快速追踪，在晃电发生时，快速切除故障电源并无扰动投入备用电源，避免在电源快速切换时造成的电源中断或者设备冲击损坏，保证负荷无扰动不断电连续运行。

    在对无扰动快切工作原理介绍前，需要对电源消失后，带有大量电机回路的母线进线分析：

    当晃电发生时，电网电压暂降，由于负载侧挂载有很多感性设备电动机，电机由于惯性，处于“惰行”状态，向母线反馈电压，使得母线具有较高残压，母线残压向量变化轨迹图如下图：

图 1

    其中，VS为备用电源电压，VD为母线残压，△U为母线残压与备用电源的电压差，再以下图等效电路图进行定量分析：

图 2

     其中VS为备用电源，XS为电源等值电抗，VM为电动机残压，XM为电动机组等值电抗。

     电动机重新合上电源时，电动机上的电压Um为：

     UM=△U(XM/(XS+XM))

     其中 令K= XM/(XS+XM)

     UM=K△U

     <<电力工程电气设计手册>>指出  UM=K△U<1.1Ue

     △U(%)<1.1/K

     假设XS:XM=1:2

     K=0.67, △U(%)<1.64

图 3

    以A为圆心，以1.64为半径绘出A'A''圆弧，即A'-A''的右侧为备用电源允许合闸的安全区域，如能在A-B段内合上备用电源，既能保证电动机安全，又不使电动机转速下降太多，这就是快速切换的原理。

    无扰动快切装置具备了全面的起动逻辑，除了常规的手动、误跳、保护和失压起动外，还具有频压起动、无流起动和逆功率起动，总共七种逻辑方式，保证了即使面对复杂的负载环境也能实现快速安全的切换。下面介绍下七种逻辑的原理及应用：

    1）手动起动：手动起动方式主要用于系统倒闸、进线检修以及故障后进线恢复，由手动按钮通过开入量触发切换功能。装置的手动起动针对母联运行方式和进线运行方式设置针对的切换逻辑，进线方式时，手动起动（“手动起动一”）能够实现1进线和2进线之间的互相切换。母联方式时分别通过“手动起动一”起动1进线和母联的切换，“手动起动二”起动2进线和母联的切换。

    2）保护起动：将电源侧上一级快速主保护接点引入到快切装置中起动切换，系统充电完成后正常运行，一旦检测到上一级主保护动作信号，快切装置立即起动切换，断开故障线路，投入备用电源。

    3）误跳起动：系统充电完成后正常运行时，处于合位的开关突然跳开且该侧进线电流小于无流定值，则装置起动误跳切换，合上另一侧电源以保证母线供电。

    4）失压起动：装置提供失压检进线电压和失压检进线电流两种判据供用户选择，并通过“失压检进线无压”控制字来进行选择。当“失压检进线无压”控制字为1时，如果装置检测到母线三相电压与进线电压均低于失压起动整定值，则经整定延时装置起动切换功能。当“失压检进线无压”控制字为0时，当检测到母线三相电压均低于失压起动整定值且进线无流，经整定延时装置起动切换功能。此起动方式可通过定值中控制字投退。失压起动逻辑如下：

    5）无流起动：当装置检测到进线电流从有流（大于无流起动整定值）到无流（小于无流起动整定值），且母线频率小于无流起动频率定值时，装置经整定延时起动切换功能。无流起动方式主要用于进线本侧保护无法接入到装置的工况。其逻辑如下：

    6）逆功率起动：当无进线快速保护接点起动装置切换时，用此起动判据可实现故障情况下的快速切换。逻辑如下：

    7）频压起动：频压起动主要用于进线电流很小，进线电源因各种原因消失后，工作负荷孤网运行，母线的频率会偏离工频，此时无流起动和逆功率起动不适合，其逻辑图如下：

   2.2、快速隔离

    晃电发生的原因有来自于区外的线路故障，也有来自区内的线路故障，区外故障通过电源端的快速切换，实现主备电切换，保证供电的连续性。而对于区内故障，需要对故障线路是否已切断进行判断，这样势必延长了快切装置的切换时间，所以通常情况下，对于区内故障，快切方案的效果并不理想。这种情况，快速隔离的方案会更为有效。

    国高电气研制了FBVP系列基于故障快速检测和快速机械开关的母线电压限流保护设备：通过快速检测线路短路故障，检测时间小于 5ms，迅速分断快速机械开关，投入阻抗，限制短路电流，稳定上级母线电压的跌落，从而保证上级母线的所有出线的电压稳定，稳定电压至少 90%以上，缩短电网晃电的持续时间，减小电网、企业重要负荷供电中断及停机的可能，为企业生产提供稳定可靠的供电电源。

    以某化工厂为例，两条10kV进线为来自于上一级不同区域的110kV变电所，母线上挂载有大量高压电机和变频设备，当其中一条回路发生短路故障后，直接导致母线的电压暂降，从而引发其他馈线支路的用电安全。

    下图4为针对交流配电网的典型母保设备的应用，可在易发生短路故障的馈线支路配置母保设备，当馈线侧出现暂时性短路故障，导致母线电压出现大幅跌落时，母保设备对线路故障进行快速判别，母保装置对快速开关发跳闸指令，限流电抗器被投入，故障电流被限制，母线电压将维持在额定电压的 90%以上，从而实现对上级母线电压的保护。当下级故障被清除时，母保设备会重合，系统恢复正常运行。当下级故障无法被正常清除时，母保柜内后备常规断路器跳闸，将故障点隔离。

    限流电抗器的投入不仅维持了母线电压的稳定，保障了同段母线其他馈线支路负荷不因母线电压跌落而出现跳闸事故，同时减小了后备常规断路器开断的短路电流。

图4 典型配电网母保应用解决方案示意图

    2.3、后备支撑

    以上两种方法都是从稳定母线电压的角度去考虑晃电的治理，属于电源端的集中治理思路，现场的实际工况是复杂的，仅仅依靠某一个措施并不能做到全面有效的晃电治理，如果想提高整个配电网的抗晃能力，组合方案才是最佳的选择，电源端的集中治理与负载侧的分布治理相结合，才是业界目前公认的黄金搭档。后备支撑与后面谈到的二次控制都属于负载侧的分布治理方案。

    后备支撑还分为很多种，包括BOOST低穿、DVR电压动态补偿。

    2.3.1 MSpower BOOST低穿

    MSpower BOOST低电压穿越方案主要是针对变频器的晃电治理方案。

    MSpower BOOST装置由主机、触摸屏显示单元、超级电容箱及直流配电系统组成。主机及触摸显示单元用来显示交流电源、直流输出电流、运行工况、历史记录、系统设置、故障信息、带时标的低电压穿越信息以及成功穿越统计等，同时实现与外部联锁以及整套装置的实时自检。

    电压暂降控制主机为整个装置的核心单元，由完成超级电容的充电管理，电网监视，系统自检等。将三相交流整流后经过隔离变换将直流能量预充DC 520V±5%。当厂用电在±10%以内波动时，电压暂降主机不会对给煤机变频器直流母线供电；当三相交流跌落到90%（360V）以下时，电压暂降主机自动瞬时输出，保证直流母线恢复到正常运行范围。    

    超级电容箱，采用进口超级法拉电容，通过主机对超级电容进行充电管理，完成恒流、恒压、涓流等多种充电模式，同时带有自动温度管理系统，以及保护均压系统等。

    直流输出回路主要有品牌直流断路器、放电检测等组成。每个直流配电回路对应一台变频器。

    装置结构原理图如下：

图 5

    三相交流电能经断路器QF1进入三相整流回路，脉动直流经限流电阻对C1预充电，预充结束后通过直流接触器KM1旁路限流电阻对电容C1满荷充电。电感L1与Q1和Q2构成BOOST 型式的升压电路，将C1上的直流电荷泵到更高电压对C2进行充电，并经预充限流电阻对电容C3充电，经晶闸管及二极管防逆流回路到直流接触器后经断路器和熔断器，送入变频器的直流母线。

    正常工作电压时，变频器通过内部桥式整流的直流电源维持变频器正常工作， BOOST 升压电路处于待机状态；当电网电压发生瞬时跌落并达到设定值时（默认80%，可整定）， BOOST电路迅速投入运行，输出稳定的直流电压，支撑变频器直流母线的电压稳定，从而维持变频电机的转速和转矩。待电网电压恢复之后（默认90%，可整定），BOOST升压电路自动退出，变频器继续内部整流供电工作。

    本低电压穿越装置为旁路运行方式，原变频器交流供电线路不做调整，也不需对变频器进行新的设置，只需要就地安装在原变频控制柜旁即可。现场可引入直流屏直接为低电压穿越装置供电。

    2.3.2. MSpower DVR低电压穿越

    MSpower  DVR系列低电压穿越装置，通过对动力网精准测量、智能识别运行工况，采用系统总线技术对电网电压、整流模块、逆变模块、直流母线电压、等实施监测，采用工业触摸屏实时动态显示运行工况，为用电设备提供完善的电压暂升、暂降、电压中断和过压保护解决方案。设备造价相比在线UPS等产品，具有性价比高，且免维护,占用空间小等综合优势。      

    当发生电压暂升暂降等问题时，我司DVR设备支持用电负荷快速不掉电切换支撑，保证供电电压的完整性。直至DVR后备储能单元能量不足或电网供电恢复正常。实际的支撑时间取决于用电负载的容量大小以及DVR储能单元的容量大小，一般的储能单元为超级电容模组。

  DVR主功率回路原理图如下：

图6  MSpower DVR主功率回路原理图

    整流模块完成AC/DC的变换，超级储能系统用于储存能量，逆变模块用于逆变输出，通过静态开关使DVR逆变和电网无缝切换。

    当设备检测的电网电压超过正常值定值时，DVR对负载的供电方式会由电网供电切换为储能逆变供电，快速转换过程一般2ms左右即可完成，当电网电压恢复至安全阈值电压内时，系统自动回切网工作状态。

    初始上电需要一个基本的准备过程，这个过程用于系统自检、储能系统预充电以及电网电压同步，自检正常闭合电网侧静态开关，由电网电压供电，储能单元自动充电，逆变待机，若自检异常则闭合旁路接触器，并报警输出。如果DVR设备在逆变供电期间储备电能不足，系统将不再判断电网电压合格状况，为保证供电的可靠性，直接切换至电网电压供电。

  2.4、二次控制

    针对负载侧的分布治理方案中，除了上面提到的对设备动力回路的支撑思路外，还可以通过对二次控制回路的再起动和保持的方式，解决负载晃电期间，掉电停机的问题，保证工艺连续性。

    仍以某化工厂为例，在其低压负载侧，挂载有大量的电动机类负荷和变频器，其中有些设备是生产工艺中的关键环节，通常，400V低压系统中的电动机控制回路是接触器控制回路，一般交流继电器当电压低于线圈额定电压的50%，时间超过20ms时接触器释放；当电压低于80%甚至更高，持续五个周波时接触器也释放，造成低压电动机失电停机。而对于变频器，一般都具有过压、失压、过流及瞬时停电等多种保护功能，当遭遇“晃电”时电源电压下降到额定电压的70%或失电，变频器低电压保护动作关闭变频器输出，电动机处于惯性停车状态。由于变频器运行指令继电器也因“晃电”而释放，电源恢复正常后变频器因没有运行指令而无法激活瞬间停电再启动功能，需人工复位解除低电压故障才能重启变频器，导致正常生产被迫中断。

    国高电气的DCM621系列电机抗晃模块很好的解决了晃电造成的控制回路释放的问题。抗晃电模块有两种方式，分别为储能保持和储能再起两种方式。储能保持式的原理即在给接触器提供直流的辅助电源，当电网晃电时保持接触器线圈持续的吸合电压，使接触器线圈不释放，当电压恢复时接触器主回路保持连通状态，则电动机因接触器线圈吸合得电而继续保持运行状态。而储能再起式的原理是晃电时保持接触器的启动指令，不保持接触器的线圈，则接触器会因晃电而欠压释放，当电压瞬时恢复时由于接触器启动回路为闭锁状态，则接触器线圈得电而吸合，同时自保持接点闭合，电动机因得电而再加速运行。

    通过国高电气对客户选择和市场使用状况的深入了解，对两种方式做了比较和调研，认为储能再起式较为安全、可靠、实用，原因列表如下：

    综上所述，随着晃电治理技术的不断完善，单一的治理措施已不能满足石化行业较高的连续供电要求，组合方案已越来越多的被客户所接受，国高电气推出的DCM635无扰动快切与DCM621KH再起式抗晃模块已被越来越多的石化行业用户所认可，并被称为“黄金搭档”。