李 桢

(中国石化股份有限公司茂名分公司化工分部)

STS在石化仪表系统供电中的应用①

李 桢

(中国石化股份有限公司茂名分公司化工分部)

针对石化装置中只具备单路220V(AC)供电条件的重要仪表设备的UPS供电失效时，对STS(静态切换开关)切换到另外一路UPS供电的方案进行讨论，分析了STS切换应满足的条件，提出了减小、避免STS切换瞬间感性负载产生的电涌电压给仪表系统带来干扰和主、备电源相位偏差大造成容性负载损坏的方法。STS投用后，实现了主电源失效后能立即切换到备用电源上的目的，提高了供电的可靠性。

仪表系统 STS 电涌 冲击电流

在茂名乙烯厂的仪表系统中，对于具备两路非同期工频交流电源同时工作条件的仪表、控制系统采取双路UPS供电，对于24V(DC)直流供电的仪表、控制系统，采取双路24V(DC)直流供电或不同UPS供电的两台24V(DC)直流稳压电源并联(每台电源输出有二极管隔离)冗余供电，对于只具备单路220V(AC)供电条件的仪表设备，如一些分析仪表、DCS操作站、电磁阀及一些常规仪表等，采取单路UPS供电。2015年6月，1#丁二烯装置只具备单路220V(AC)供电条件的仪表因UPS故障时切旁路(普通市电)失败，装置联锁误动作，导致非计划停车。为此，对于重要的单路UPS供电的仪表，如何进一步提高供电可靠性，成了一个亟待解决的问题。STS(静态切换开关)是双电源二选一的自动切换系统，可实现两路交流电之间的冗余切换，笔者论述的是如何利用STS和两路UPS实现只具备单路220V(AC)供电条件的仪表的可靠供电。

1 STS简介

1.1 工作原理

STS用于具有双路电源的场合，其主回路的主要元器件为两路晶闸管模块(VTT)，利用两路晶闸管模块的切换实现负载的不断电运行，STS工作原理如图1所示。

图1 STS工作原理

两路电源中的一路为主电源，即优先源，另外一路为备用电源。当两路电源的供电电压、工作频率都在正常的工作范围时，优先源一侧的固态开关开通，STS将主电源提供给负载，而备用电源一侧的固态开关则随时处于待命状态。当优先源的供电电压或工作频率出现异常时，晶闸管模块迅速实现切换，将备用电源提供给负载。

1.2 技术特点

STS核心转换组件是可控硅整流器(SCR)，也称为晶闸管，两个晶闸管反向并联，形成一个晶闸管模块(VTT)，模块中两个晶闸管各自导通半个周期，使正、反向电流通过。

有熔断器进行内部故障的保护。晶闸管发生短路或故障时，能自动转换到另一路电源，并禁止再次转换回原电源，同时提供报警。还有过载保护、超温保护等保护功能。 控制部分采用双数字信号处理器(DSP)板，一个数字信号处理器板出现故障，不会影响系统的运行。

两路电源处于同步情况下(两电源的电压幅值、频率、相位偏差在允许范围内)，自动切换的时间小于5ms(1/4周波)，最短切换时间小于1ms。两路电源处于不同步情况下，切换采取先断后通(Break before Make)的方式，切换时间小于15ms。

2 STS切换应满足的条件

STS在仪表系统中的应用主要考虑两个方面的问题：STS的切换时间要满足仪表系统允许的最大中断供电时间的要求；避免切换操作瞬间所形成的电涌电压过高或冲击电流过大导致仪表设备、STS受干扰误动作或损坏。

2.1 仪表系统允许的最大中断供电时间

仪表系统常见的负载设备有继电器、电磁阀、微动力开关、电动仪表及调节器等。各类继电器，当失电时，它们的失电时间(动作特性)为5、10、20、30ms不等；电磁阀、微动力开关的换向(切换)时间为10～50ms；电动仪表、调节器等一般不超过5ms[1]。因此，STS切换的时间应小于5ms。

2.2 STS切换产生的电涌电压和冲击电流

在交流电路中，基本负载元件有电阻R、电容C和电感L3种，R、L、C的组合可以表示各类型负载特性。当系统中电压超前电流时，负载特性属于感性负载，若系统电流超前电压时，则属于容性负载[2]。仪表系统中有感性负载，如电磁阀、继电器及变压器等，也有容性负载，如24V(DC)开关电源、分析仪表、DCS操作站及一些常规仪表等。在STS切换过程中，感性负载的存在会产生电涌电压，容性负载的存在会产生冲击电流。

2.2.1 感性负载

感性负载电感线圈中储存的能量EL为：

(1)

式中i——感性负载电感线圈中电流；

L——感性负载电感线圈的电感。

在电感线圈层间存在分布电容，分布电容中储存的能量EC为：

(2)

式中C——感性负载电感线圈层间分布电容；

u——STS切换时断开瞬间的电感线圈的电压。

由式(1)、(2)可知，STS切换瞬间线圈中的能量方程为：

Li2=Cu2

(3)

由式(3)可知，感性负载在STS切换时刻的电流值为零时，感性负载内存储的磁场能量也为零，切换产生的电感线圈的电压为零，感性负载在STS切换时刻的电流值为峰值时，感性负载内存储的磁场能量最大，切换产生的感性负载的电压最大。STS的切换是随机的，感性负载在切换时是否出现高电压取决于当时感性负载的电流值。

以电磁阀为例，STS切换瞬间，电磁阀存储的磁场能量将转换为阀分布电容的电场能量，而分布电容很小，电磁阀的电场强度很高，电压峰-峰值最大可达5kV以上[3]。

在STS内部，设置了RC滤波器对浪涌进行吸收[4]，解决了du/dt过高导致晶闸管误触发的问题，但电涌电压对仪表负载的电磁干扰还需要采取滤除的措施。

2.2.2 容性负载

对于两路UPS来说，任一UPS输出电压的瞬时值可表示为：

u=Umsin(ωt+φ)

(4)

式中Um——电压幅值；

φ——初相角；

ω——电压的角频率。

根据容性负载的伏安特性和式(4)，在STS切换的瞬间，主电源和备用电源的Um、ω、φ若分别接近相等，使容性负载上单位时间内的电压变化最小，就可以减少对容性负载的冲击电流。

由于采用了微机控制的电子负反馈电路，UPS的输出电压稳定度高，可达±0.5%～±2.0%。同时，又由于UPS利用石英晶体振荡来控制逆变器的频率，故输出频率稳定，稳定度可达±0.01%～±0.50%[6]。因此，减小STS切换的瞬间两个UPS之间的相位差是需要重点考虑的内容。

3 实施方案

STS模块选用EMERSON公司的Liebert NPS I静态切换开关模块，STS柜的原理示意图如图2所示。

图2 STS柜原理示意图

感性负载与容性负载分别由两个不同的STS模块供电，STS模块内部有阻容(RC)滤波器[4]，在每个STS模块的输入端都安装了电涌保护器，可以确保其他的仪表负载不受STS切换时感性负载产生的du/dt的电磁干扰。为保证STS切换瞬间两个UPS的相位角差最小，将两个UPS输出的相位实时跟踪同一个旁路供电的相位。在每个STS柜设置5个空气开关(K)，可将STS旁路，实现STS模块故障时的在线更换。

4 结束语

STS在1#裂解、全密度、1#高压装置投用后，经测试，在主电源失电情况下，能立刻切到备用电源上，不会影响仪表系统的正常运行。STS在仪表系统上的应用，需要考虑STS的切换时间要满足仪表系统允许的最大中断供电时间的要求，还需要考虑切换瞬间感性负载产生的du/dt可能给仪表带来干扰，以及主、备电源的电压幅值、角频率、相位的偏差大有造成容性仪表负载损坏的可能性。LBS(负载同步控制器)可以实现两套UPS的相位直接跟踪同步，将两UPS 电源之间的相位差控制在 1～2°的范围之内。笔者所在单位目前在用的UPS不支持LBS功能，采取两个UPS输出的相位实时跟踪同一个旁路供电相位的方法减小相位差，两个UPS电源之间的相位差控制在4～6°的范围内。在装置原始设计时，若考虑两路UPS通过STS切换给单电源仪表负载供电，应考虑配置支持LBS功能的UPS，投用LBS功能，提高供电的可靠性。

[1] 陆德民，张振基，黄步余.石油化工自动控制设计手册[M].北京：化学工业出版社，2013.

[2] 陈朝辉.双电源转换开关投切关键问题研究[D].沈阳：沈阳工业大学，2012：17～18.

[3] 张晓光，焦丰，郭祥玉.切断感性负载时的电磁兼容性探讨[J].电源技术应用，2003，6(12)：692～696.

[4] Emerson.Liebert NPS I User Manual for Installation & Operation[M].India：Emerson，2009.

[5] 吴强.电容性非线性负载的通电冲击电流[J].福建建筑，2010，(1)：125～126.

[6] 周志敏，周纪海.UPS实用技术-应用与维护[M].北京：人民邮电出版社，2003.

ApplicationofSTSinPowerSupplyofPetrochemicalInstrumentSystem

LI Zhen

(PetrochemicalDepartment,SinopecMaomingBranchCompany)

Considering UPS failure in powering the important instrument which boasting of a single channel

李桢(1970-)，高级工程师，从事自动化控制系统的应用与维护工作，lzh107@126.com。

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(Continued on Page 296)

2016-08-22)