劉龍舞

（安徽工業(yè)大學(xué)研究生學(xué)院，安徽 馬鞍山 243002）

1 引言

電網(wǎng)由于雷擊、短路、發(fā)電廠故障等內(nèi)外部原因，造成電壓大幅波動，甚至停電數(shù)秒鐘的現(xiàn)象時有發(fā)生，此現(xiàn)象俗稱“晃電”。在石油化工企業(yè)中，當(dāng)電力系統(tǒng)發(fā)生短時電壓波動時，部分不重要設(shè)備將通過低電壓保護從電網(wǎng)上切除，而裝置核心設(shè)備將在母線電壓恢復(fù)正常后重加速啟動，從而保證了工業(yè)生產(chǎn)的連續(xù)性。然而，在實際應(yīng)用中，很多電動機抗晃電設(shè)計未系統(tǒng)考慮電網(wǎng)的短時最大承載能力，致使機群的群啟電流接近或達到了電網(wǎng)所能承受的最大值。其后果不堪設(shè)想，輕者將導(dǎo)致線路自動重合閘或母線備自投失敗，生產(chǎn)中斷，重者將使發(fā)電機解列，電網(wǎng)崩潰瓦解。因此，在電網(wǎng)容量允許的范圍內(nèi)，設(shè)計更為安全可靠的電動機自啟動方式就顯得尤為重要。

2 “晃電”再啟動技術(shù)

2.1 方案綜述

隨著科技的發(fā)展，微機型綜合保護器在各廠礦企業(yè)得到了廣泛的應(yīng)用，其靈活的編程性能為電機的控制提供了更為便利的條件。微機型電動機保護器MICOM P241可以實現(xiàn)線路三相電流和三路線電壓采樣，具有短路、熱過載、負序過流、零序過流、啟動超時、運行失速、低電壓、過電壓、禁止再啟動等保護功能。根據(jù)廠用電規(guī)定，因廠用電動機群啟動電流較大，為避免晃電重啟動時電流疊加效應(yīng)所帶來的負面影響，應(yīng)據(jù)實際條件分批重啟動。本文以電壓采集時差控制式分批再啟動方式為例［8］，設(shè)計了一種新的自啟動邏輯。

首先，應(yīng)根據(jù)生產(chǎn)要求將全廠所有負荷進行分類，即允許自啟動負荷和禁止來電自啟動負荷。而自啟動負荷通常分為三類，每一批次電動機均可據(jù)電網(wǎng)要求設(shè)定不同的自啟動時限。具體分類原則如下。

A類負荷——裝置核心機組，晃電后電網(wǎng)電壓恢復(fù)后立即自啟動。

B類負荷——裝置重要關(guān)鍵機組，晃電后延時3-4s自啟動。

C類負荷——裝置較重要機組，晃電后延時6-8s自啟動。

統(tǒng)計數(shù)據(jù)表明，對于1000kW及以下常規(guī)機泵，在啟動3-4s后，啟動電流的正序有效值即可從4-7倍Ie（額定值）驟降至1.5倍Ie值以下。電網(wǎng)電壓重新恢復(fù)后，5s內(nèi)慣性運轉(zhuǎn)的電動機重啟動電流一般為2-4倍Ie。

電網(wǎng)發(fā)生晃電后，A類負荷電動機將瞬時自啟動，3.5s之后A類電動機已重啟動成功，同時網(wǎng)上電壓也很快恢復(fù)正常，故下一批次電動機的晃電啟動與上一批次的時間間隔定為3.5s，基本可避免多批次啟動電流相互疊加沖擊造成電網(wǎng)電壓異常。對于風(fēng)機類負載、容量超過1500kW的機泵或重載重啟動的電動機，可適當(dāng)延長1-2s。三類自啟動負荷在晃電后12s內(nèi)基本上可以完成重加速再啟動過程。12s過后，慣性墮走的電動機已基本停運，重啟動過程應(yīng)按全壓直接啟動對待，無需再考慮自啟動行為。

2.2 總體設(shè)計原則

（1）電網(wǎng)發(fā)生晃電后事故段所有運行電動機1s后無條件跳閘（可據(jù)要求設(shè)定）。母線電壓恢復(fù)正常后，在未檢出饋出線故障的前提下，原運行電動機分批自啟動或禁止重啟動。手動分閘或因儀電故障跳閘的電動機不應(yīng)納入上述之列。

（2）由于電動機啟動控制回路中串入了合閘閉鎖點，分批自啟動前需要預(yù)先解除合閘閉鎖方可實現(xiàn)重啟動。

（3）電動機重啟動一次后，不管成敗與否，應(yīng)立即閉鎖再次合閘，以防短期內(nèi)電動機連續(xù)群啟對電網(wǎng)不斷造成沖擊［8］。

（4）可采用電控或儀控自啟動方式，儀控自啟動也應(yīng)遵循電控啟動的各項規(guī)定和要求。

圖1 晃電后原運行電動機自起動通用邏輯圖

2.3 編程基本定義字

如表1所示，以下兩類編程均為電控啟動方式，編程之前需要規(guī)定輸入輸出端口基本定義字。

表1 MICOM P241輸入輸出端口定義字

2.4 晃電后電動機自啟動通用邏輯及其原理

2.4.1 晃電后電動機自啟動通用邏輯

晃電后原運行電動機自啟動通用邏輯如圖1所示。

（1）因P241電壓采樣為三相三線制，為避免電動機兩相小母線失壓跳閘，又加入了零序電壓Vn檢測；

（2）斷路器低電壓保護的跳閘時延，應(yīng)大于線路后備保護的動作時限，并保持級差配合；

（3）RL5輸出跟隨器設(shè)定100ms時延是為了保證可靠接通斷路器分閘回路，來電檢測設(shè)置200ms時延的目的是為了保證斷路器無彈跳分閘，系統(tǒng)電壓穩(wěn)定正常；

（4）斷路器分閘后，12s延時返回為供配電系統(tǒng)電動機最長失壓監(jiān)控時間；

（5）此例晃電自啟批次為B類負荷，A類負荷至少應(yīng)延時80ms，以確保提前解除RL6合閘閉鎖；

（6）緊急復(fù)歸（Emergency Reset）將解除電動機啟動時的熱能閉鎖、熱啟動次數(shù)限定、冷啟動次數(shù)限定、啟動間隔時間限定這4個限制條件，啟動完畢所有閉鎖條件將再次生效；

（7）加入現(xiàn)場操作柱鎖停位是一種技術(shù)保安措施，可避免現(xiàn)場、DCS、電氣三方自行操控合閘。

如圖2所示為晃電后原運行電動機自啟動工作時序。

圖2 晃電后原運行電動機自啟動工作時序圖

2.4.2 晃電后電動機自啟動邏輯原理

（1）斷路器合閘后，電動機運行。若發(fā)生三相低電壓，延時1s后RL5出口，事故段所有運行電動機將無條件跳閘，同時預(yù)備解除合閘閉鎖RL6；

（2）斷路器分閘瞬間，將在200ms內(nèi)判斷是否為三相同時低電壓所致（也為200ms），是則自鎖，等候來電信息，否則不會觸發(fā)電動機晃電自啟動邏輯。該判據(jù)可被認作是對晃電前期電動機運行方式的一種記憶。

手動分閘P241不會檢測到失壓再恢復(fù)的過程。緊急解鎖條件可避免儀電故障時誤解除合閘閉鎖RL6節(jié)點，同時合閘回路還串聯(lián)有電氣故障閉鎖繼電器常閉節(jié)點，以防線路和設(shè)備故障所導(dǎo)致的低電壓，因此均不會觸發(fā)晃電自啟動邏輯。

此判據(jù)默認斷路器前期為合閘狀態(tài)，因此可以從根本上避免電動機柜送電時，母線電壓開關(guān)與控制電源開關(guān)操作順序不當(dāng)所導(dǎo)致的電動機自行合閘。

（3）斷路器分閘后將在12s內(nèi)檢測來電信息，一旦電壓恢復(fù)正常，穩(wěn)定200ms后，與上述低電壓檢測條件共同作用，經(jīng)設(shè)定批次延時后（本例為3.5s），通過RL4出口節(jié)點重啟動電動機。斷路器合閘后，自啟動邏輯立即復(fù)歸。若12s后系統(tǒng)電壓未能恢復(fù)正常，則清除原有電動機運行信息，自啟動邏輯復(fù)歸。

（4）緊急解除合閘閉鎖設(shè)計為單次解除方式，以防電動機群群啟失敗而反復(fù)重啟動。電壓恢復(fù)正常200ms后，若未檢出儀電故障，P241將發(fā)出一50ms脈寬的脈沖先行解除合閘回路RL6閉鎖節(jié)點，指示燈LED3亮（設(shè)為鎖存模式），記錄為一次電動機重啟動過程，同時封鎖后續(xù)緊急復(fù)歸。

（5）現(xiàn)場、儀控、電氣三方電動機正常啟動仍需要滿足電氣合閘閉鎖條件。以上動作過程均可通過調(diào)閱P241事件及故障記錄信息，并輔之以可編程指示燈來進行分析判斷。

2.4.3 參數(shù)設(shè)定

在上述邏輯框圖中，低電壓保護設(shè)置及三相來電檢測是重要環(huán)節(jié)。一般設(shè)定方式如下。

（1）低電壓保護按保證電動機自啟動的條件整定［1－3］，即

式中：Umin為系統(tǒng)所能承受的最低工作電壓，V；Krel為可靠系數(shù)，取 1.1～1.15；Kr為返回系數(shù)，取1.05～1.10；UE為額定線電壓有效值，V；nTV為電壓互感器一二次側(cè)電壓變比。

（2）按切除不允許自啟動電動機的條件整定：一般?。?.65～0.75）Un，動作時限取 1s；

（3）具有備用設(shè)備而斷開的電動機，失壓保護整定為（0.25～0.4）Un，動作時限取 1s（同上）；

（4）根據(jù)保安條件，在電壓長時間消失后不允許重啟動的電動機，低電壓保護動作值一般?。?.4～0.5）Un，動作時限?。?－10）s；

（5）重來電線電壓可設(shè)定為85V。

Uop動作門檻值設(shè)定為70V。圖1邏輯中，重來電檢測采用三相電壓報警（3Ph Volt Alarm）控制字取反來實現(xiàn)，P241內(nèi)部檢測V1＞V2，同時高于85V才判斷為系統(tǒng)電壓正常，反相、缺相、欠壓、失壓均會發(fā)出電壓異常報警。因此安裝調(diào)試時還需確保三相電壓接入正確，相／線電壓的幅值相位正確。

（6）合成開口三角形零序電壓“NVD Vn＞”的設(shè)定，要綜合考慮線路各類電壓故障等影響進行設(shè)定。

①零序電壓一般按躲過電動機三相空載運行時的中性點最大偏移電壓來整定［5］，即

式中：Krel為可靠系數(shù)，取 1.1－1.3；U″0m為電動機三相空載運行時因電源電壓不平衡所引啟的中性點最大偏移電壓，可用實測法測出，也可參考已有電動機實測值。

加入三相線電壓幅值檢測后可抵消三次諧波電壓的影響［6］。

②基于電壓二次回路故障考慮。現(xiàn)場配電柜內(nèi)三相電壓小母線一般采用三相單聯(lián)微型開關(guān)控制，當(dāng)發(fā)生接地或短路故障時，故障相開關(guān)將會動作分斷。其次，操作人員誤分電壓開關(guān)也會使P241三相電壓檢測異常。極端情況下，若操作人員不慎誤分兩路電壓開關(guān)，此時P241只檢測到一相電壓，零序電壓Vn實則為剩余相相電壓，此時Vn值可考慮按三相平均相電壓設(shè)定。計算方式基本同式（1），不同的是Kr為零序過電壓返回系數(shù)，取值范圍 0.9－0.95，則設(shè)定范圍 Vnop為（0.475－0.52）Un。

綜上所述，各批次群啟電動機的容量和批次啟動時間設(shè)置是否合理，是晃電后電動機能否自啟動成功的重要因素。在實際應(yīng)用中，最大批次設(shè)備容量、群啟時間、負荷類別、群啟瞬間所造成的壓降等都是需要考慮的因素。從電網(wǎng)安全角度考慮，三類自啟動總負荷應(yīng)按一定比例分配。尤其是設(shè)備大幅增容，在全部設(shè)備分類部署完畢，不要忘記用電網(wǎng)最大短時容量進行校驗。

上述邏輯設(shè)計思路嚴謹，考慮較為周全，已通過了實驗室的各項嚴格測試，并在實際生產(chǎn)中有具體的應(yīng)用。對于重啟動不成功的電動機，需經(jīng)過充分的調(diào)查論證后再作調(diào)整，并通過實際測試。

該編程模式和參數(shù)設(shè)定并非唯一和一成不變，在具體應(yīng)用時部分邏輯可作適當(dāng)調(diào)整，還可以與其它方案（如時間繼電器、再啟動繼電器、PLC程控、計算機系統(tǒng)等）融合使用。上述編程思路還可以拓展應(yīng)用到其它各類可編程綜合保護器中。

3 結(jié)束語

電動機再啟動技術(shù)是一項復(fù)雜的系統(tǒng)工程，上述邏輯編程僅僅是可供參考使用的其中一種方案。通過實際應(yīng)用，最大限度地降低晃電對電網(wǎng)帶來的負面影響，以實現(xiàn)各廠礦企業(yè)安全生產(chǎn)的目標。

［1］崔家佩，孟慶炎，陳永芳，熊炳耀.電力系統(tǒng)繼電保護與安全自動裝置整定計算［M］.北京：中國電力出版社，2001.

［2］任元會，卞鎧生，姚家煒等.工業(yè)與民用配電設(shè)計手冊［M］.北京：中國電力出版社，2005.

［3］王士政等.工礦企業(yè)電氣工程師手冊［M］.北京：中國水利水電出版社，2002.

［4］許建安.繼電保護整定計算［M］.北京：中國水利水電出版社，2003.

［5］王維儉，王翔珩，王贊基.大型發(fā)電動機變壓器內(nèi)部故障分析與繼電保護［M］.北京：中國電力出版社，2006.

［6］許建安，連晶晶.繼電保護技術(shù)［M］.北京：中國水利水電出版社，2004.

［7］李佑光，林 東.電力系統(tǒng)繼電保護原理及新技術(shù)［M］.北京：科學(xué)技術(shù)出版社，2003.

［8］潘 飛.電動機再啟動技術(shù)［J］.電工技術(shù)，2004，（3）.