边华彬

（神华鄂尔多斯煤制油分公司，内蒙古 鄂尔多斯 017209）

1 概 述

大型煤化工企业变配电系统一般配置220 kV、110 kV、35 kV、6 kV以及0.4 kV的电压等级，因其工艺流程的特殊性，配置电驱动设备较多。为满足工艺高温和高压等条件，装配了8 800 kW、4 500 kW以及4 000 kW等利用同步励磁、软启动以及变频等控制设施进行启动的大型高压电动机组。煤化工企业中大部分用电设备都采用了继电保护装置、接触器以及继电器等元件组成的保护控制回路。当系统遭遇晃电时，电压值和时限值达到了设备运行的极限，会导致大批量电驱设备停运，影响生产装置的长周期运行，给工厂带来巨大的经济损失。

2 应用原因

随着煤化工系统电网的并网，煤化工生产装置的系统电压等级和电驱动设备逐渐增多，同时也增加了供电设备因瞬时遭受雷击、短路或其他原因造成晃电的概率。瞬间的电压波动将造成大批量电动机跳闸，机组停运，电力系统恢复后需要人工进行逐台恢复。对于电动机回路较多的装置来说，恢复的时间较长，一些无人值守的装置，则需要更长的时间。

3 常规的配置及不足

3.1 常规母线备自投配置

为保障供电电源的可靠性，煤化工的电气系统通常采用两个或两个以上的电源进行供电，采用备自投装置进行相互备用。当其中一路电源因晃电失去电压时，另一路电源通过备自投装置检测失电回路的电压和电流值。当满足切换条件时，备自投装置开始进行自动切换，一般切换完成的时间在600 ms以上。由于完成整个备自投切换过程的时间较长，很多用电设备控制回路中的继电器和接触器已经失电，因此容易导致大批量用电设备停运。

3.2 常规电动机回路配置

一般高压电动机的低电压保护设定值在70%Ue左右，动作时限为500 ms，只要电压值和时限同时满足条件才触发保护动作。低压电动机的控制回路主要由交流接触器和空气开关组成，交流接触器工作电压按IEC标准规定要求，额定电压的80%为临界可靠吸合电压，额定工作电压的20%～70%为临界释放电压。现场使用的电磁式交流接触器一般在50%Ue释放，当系统发生晃电时极易出现因瞬间欠压而释放的情况，导致批量电机停运。

3.3 常规变频器回路的配置

变频器根据滤波方式的不同分为电压源型和电流源型两种，均采用常见的交直交结构，由整流回路、中间回路以及逆变回路3部分组成。变频器设置的低电压保护，主要的检测单元在整流回路中的直流环节。当系统电压跌落至60%Ue，时限达到30 ms以上时，检测单元会触发变频器停机保护，变频器所拖动的所有电动机组会全部停机。

4 常见的解决方案

4.1 将母联备自投改为快速切换

快切装置具有工作电源和备用电源双向选择的切换功能，优化于备自投功能只能由工作电源向备用电源切换的单一性。装置通过快速检测，满足向量角度在55°以内和残压值在90%Ue频差的条件下，可在50 ms内完成快速切换，优化了传统备自投装置切换完成周期长的问题。因相角大、频差高以及相位超前等原因错过最佳快切时间时，根据残压的特性曲线，通过相角、频率以及幅值变化的不断在线追踪，计算残压与系统电压向量相位重合时的时间，实现精确过零点合闸。

4.2 应用低压电动机回路抗晃电接触器

近几年，电力市场上生产抗晃电接触器和模块的制造商越来越多。低压电动机的供电回路空间限制了增加晃电器件体积大小的要求，普遍采取的方式是在交流接触器上增加辅助电源。当电网系统正常时，模块处于储能状态，当电网发生晃电时，通过模块的电压输出延时接触器的释放时间。因受安装空间的影响，其辅助电源较小，维持时间较短。其中，控制电路是接触器模块的核心部件，负责侦测供电回路中的晃电现象，进而控制切换电路的动作。

4.3 直流支撑（DC-BANK）技术在变频器中的应用

动能缓冲技术受电动机负载转动惯量的影响比较大，如果转动惯量小，则回馈能量不足以支撑直流母线电压，允许晃电时间可能只有几十毫秒。采用蓄电池或者超级电容组成专门的直流系统，晃电后向变频器的直流母线供电，保证电动机的正常运行。支持晃电的时间长短主要取决于蓄电池组的容量，动力UPS后备时间可以更好地确保电机紧急处理的时间。这里执行单元的核心是压差控制模块，执行单元需要采用静态开关，普通断路器或者接触器10 ms以上的动作时间是无法达到要求的，只有静态开关才能达到μs级别的动作时间。采用压差控制技术，自动比较变频器母线电压和DC-BANK的直流侧电压，大于定值则自动启动静态开关，这种方案的动作时间小于0.5 ms，动作时间短且可靠性高。对于有大量变频器的装置，可采用一套蓄电池储能系统，多个独立的执行单元和控制单元给不同的变频器直流母线供电，进而提升运作的安全稳定性。

5 供电系统因晃电而导致的两种模式

5.1 系统晃电周期短

企业低压电机控制多采用交流接触器，当电压低至接触器额定工作电压的55%～65%，并持续10～50 ms时，交流接触器将释放，导致低压电机停转，变频器出现欠压和不平衡等故障，变频器停止工作，电机停转。瞬时的系统晃电在无硬故障点的情况下，通过快切装置、防晃电模块以及直流支撑等可快速有效地恢复供电。

5.2 系统晃电周期长

如果因遭遇故障点未切除、快切装置拒动以及系统母线失电造成了大面积电动设备停电，则需要紧急组织人员处理故障点。供电系统在逐级快速恢复供电的情况下，保障化工生产的温度和压力的同时，还要考虑第一时间启用关键大型机组的润滑油泵和盘车电机。大型煤化工企业中一般配置的电机设备较多，大批量的电机设备紧急恢复供电给电气从业人员增加了较大的工作难度，同时存在安全隐患。

6 批量再启动功能的优势与实际应用

以某煤化工企业为例，介绍再启动功能在煤化工企业中的应用。

6.1 功能配置

装置组成结构包括POW供电电源、SAM电流电压采样板、IO输入输出板、CPU主板、总线板以及人机界面6个部分。其中，POW供电电源部分采用两个交直开关电源，输入分别为220 V AC和220 V DC。将两个开关电源输出的24 V DC和5 V DC各自并联给机柜供电，具备UPS双电源功能，其中一个电源回路发生故障时，机柜仍可以正常工作，能保持故障信号输出功能。SAM电流电压采样板中每块采样板可采集2段母线的信号，共6路电压和电流信号，最多可插2块采样板，实现4段母线共12路电压和电流信号的采集。控制器可识别2段和4段母线的任意组合电压波动，将检测的数据作为再启动的一个控制依据，加快电机的的启动过程。IO输入输出板分为两线制和四线制两种。其中，两线制采用两根线同时作为状态检测与再启动输出。单个机箱总线板最多可配置12块输入输出板，每个通道可进行8个电动机的状态检测与再启动输出控制。四线制的状态检测与再启动输出分别用两根线来实现。单个机箱总线板最多可配置12块输入输出板，每个通道可进行6个电动机的状态检测与再启动输出控制。CPU主板采用了32位双CPU的系统结构，其中一个CPU专门用来数据采集，另外一个CPU负责逻辑判断、控制以及记录等，提高系统的处理能力和稳定性。通过与采样板通信获取母线电压和电流，通过与输入输出板通信读取电动机运行状态等信号，综合分析所采集的运行数据，为再启动功能提供支持。通过总线板可将再启动范围设置在1～16批次，每批启动的电动机数量可设置在1～96台。批量启动设置要结合每台电动机在生产环节中的重要程度，综合评估考虑批量电动机功率大小等方面。人机界面通过12.1寸的触摸显示屏读取电机运行状态，设置和修改再启动装置的参数，为工作提供了便捷。

6.2 原理概述

在供电系统发生晃电时，现场批量电动机因电压骤降而停运。通过批量再启动装置的在线监测功能监测电动机运行状态和系统电压值，在设置允许的范围时间内，系统电压恢复正常后，按程序设定的先后次序分批量对晃电停运的电动机组进行重启，从而达到快速恢复生产运行的目的。如果电压恢复水平较高，则自动缩短再启动间隔时间，加快现场恢复过程。如果晃电时间超过设定的允许值，则自动闭锁再启动程序。装置能准确地识别单相电压波动、两相电压波动、三相电压波动、多段母线的任意电压波动、电压连续波动以及母线间备自投成功等多种晃电组合，可靠地捕捉导致接触器线圈释放的晃电电压波动，最短时间达20 ms。如果批量启动的电动机数量比较多，所在母线段的进线框架断路器的过流速断保护设定值小于所有电机同时再启动的冲击电流时，需要采用分批分期的再启动模式。在供电系统发生瞬时晃电时，再启动装置立即计算统计各电动机的运行状况和晃电发生时间，并不断检测系统电压值。若恢复时间已超过系统的设定值，则判据为故障未恢复，暂不执行再启动功能并向后台系统告警。若在设定时间内恢复正常，则开启再启动功能，此时遭受晃电而停运的电机组重新按设定的程序执行启动[1]。

6.3 实施与应用

某煤化工企业安装了1台分批量再启动装置，分12个批次对73台电动机组进行分批量再启动。配置原则主要考虑以下几个方面。按照生产工艺要求，将循环密封油泵和油浆混合泵等关键机组设置为第一批次启动，启动时间为系统检测满足启动条件后0.2 s完成。第二批次对空冷器和冲洗泵等关键机组进行批量启动，启动时间以第一批机组启动完成后延时0.2 s后进行。后续的启动时间以0.2 s延时分批量按重要程度进行有序启动。

实施批量再启动时，需要在线判定系统电压是否能够满足批量再启机组的启动条件（系统的电压值和电流值满足启动条件）。当启动条件不能满足要求时，会持续跟踪判据条件，直至系统电压和电流满足再启动条件，再启动装置控制系统继续执行操作命令。当系统电压没有及时恢复正常，再启动装置告警提示电网故障告警，同时执行装置闭锁程序，当系统供电恢复正常后，需要人工手动重新启动后再启动装置。

在批量再启动过程中，再启动装置动态检测系统电压和电流，计算批量再启动的电机容量，保证再启动过程中的系统电压和电流稳定。电压和电流同时作为再启动的判据，每批次启动的电机容量总和都不能超过供电系统继电保护的设定电压和电流值。在满足以上前提下，利用批量再启动功能在设置的时间内完成批量再启动工作。利用设置RS-485标准通信接口，在变电所的运行后台实施远方数据遥信，通过电气运行后台数据终端，采集并反馈因发生系统晃电后批量电动机再启动的情况，储存电机的运行状态和累计运行时间，监控分批量再启动的电动机过程。

7 结 论

在快切装置、抗晃电模块以及直流系统支撑系统投入应用的情况下，加入分批量再启动的功能，为系统的抗晃电工作增加了双重保障。再启动装置的投用，对发生系统晃电和停电的后续恢复工作上提供了有效的支持，不但降低了人工恢复设备运行送电的工作量，而且对生产快速恢复起到了重要作用。