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(xué)院，山東 棗莊 277000)

“晃電”現(xiàn)象是化工企業(yè)電力系統(tǒng)中經(jīng)常出現(xiàn)的問(wèn)題，會(huì)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(chǎn)系統(tǒng)正常運(yùn)行，對(duì)化工企業(yè)安全生產(chǎn)造成嚴(yán)重威脅。本文通過(guò)對(duì)“晃電”產(chǎn)生的原因、特點(diǎn)、危害等分析,結(jié)合我公司化工生產(chǎn)的特點(diǎn)及抗晃電技術(shù)的應(yīng)用，為其他化工企業(yè)解決晃電故障提供技術(shù)方面的參考。

1 晃電的概念

電壓有效值降至標(biāo)稱(chēng)值的10%至90%稱(chēng)為電壓暫降/驟降，持續(xù)時(shí)間為10 ms至1 min(典型持續(xù)時(shí)間為10～600 ms)的電能質(zhì)量事件之一。電壓暫降如果比較嚴(yán)重，將使用電設(shè)備停止運(yùn)行，或引起所生產(chǎn)系統(tǒng)紊亂和癱瘓，或?qū)е律a(chǎn)系統(tǒng)非計(jì)劃停車(chē)。

引起電壓暫降的原因大體可分為三類(lèi)，第一類(lèi)是電力系統(tǒng)原因：當(dāng)輸配電系統(tǒng)發(fā)生短路故障、感應(yīng)電機(jī)啟動(dòng)、開(kāi)關(guān)操作、變頻器以及電容組的投切等事件；第二類(lèi)是自然原因：雷擊、暴雨、暴雪等；第三類(lèi)是無(wú)法預(yù)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(yīng)電機(jī)啟動(dòng)和雷擊。保護(hù)裝置會(huì)因雷擊時(shí)造成的絕緣子閃絡(luò)或?qū)Φ胤烹姸l(fā)生動(dòng)作，導(dǎo)致供電電壓暫降。這種暫降波及范圍廣，持續(xù)時(shí)間大于100 ms；電機(jī)全電壓?jiǎn)?dòng)時(shí)，需要從電源汲取的電流值為滿(mǎn)負(fù)荷時(shí)的500%～800%，這一大電流流過(guò)系統(tǒng)阻抗時(shí)，將會(huì)引起電壓突然下降；短路故障可能會(huì)引起系統(tǒng)遠(yuǎn)端供電電壓較為嚴(yán)重的跌落，化工生產(chǎn)過(guò)程中對(duì)電壓敏感的電氣設(shè)備的正常工作會(huì)受此影響，發(fā)生生產(chǎn)系統(tǒng)癱瘓停車(chē)，造成嚴(yán)重的經(jīng)濟(jì)損失。

2 有關(guān)電壓驟降之國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)

國(guó)際電氣與電子工程師協(xié)會(huì)(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(shí)間為10 ms～1 min；國(guó)際電工委員會(huì)(IEC)將其定義為下降至額定值90%～1%，持續(xù)時(shí)間為10 ms～1 min。兩大主流對(duì)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(dǎo)致晃電現(xiàn)象的原因是多方面的，比如說(shuō):突如其來(lái)的雷擊;外界物體的接觸;疾風(fēng)及其他自然環(huán)境影響導(dǎo)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(huì)引起電力設(shè)備瞬間斷電或電壓突然下降，目前，仍是電力系統(tǒng)無(wú)法完全避免的，不能徹底解決的難點(diǎn)，晃電現(xiàn)象發(fā)生概率遠(yuǎn)高于完全停電。

4 晃電的特點(diǎn)

一是突發(fā)性，無(wú)法事先預(yù)知；二是短暫性，維持時(shí)間只有僅僅 1～2 s，甚至到幾百微妙。雖然發(fā)生時(shí)間短，但卻后果嚴(yán)重。

5 晃電的危害

“晃電”發(fā)生時(shí)，由于電壓的降低,電機(jī)運(yùn)行電流增大，易引起電氣設(shè)備發(fā)熱，造成設(shè)備故障，同時(shí)會(huì)使接觸器釋放，從而造成大量電動(dòng)機(jī)的跳機(jī)；在使用變頻器控制的場(chǎng)合在電源“晃電”比較嚴(yán)重時(shí)，會(huì)觸發(fā)變頻器低壓保護(hù)動(dòng)作，設(shè)備停止運(yùn)行，生產(chǎn)裝置安全生產(chǎn)受到嚴(yán)重威脅。大部分的低壓電動(dòng)機(jī)是由接觸器控制，普通接觸器會(huì)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(dāng)電壓低于線圈額定電壓的50%，時(shí)間超過(guò)一個(gè)周期時(shí)接觸器釋放；當(dāng)電壓低于額定電壓80%，持續(xù)五個(gè)周期時(shí)接觸器也會(huì)釋放。晃電過(guò)后，電動(dòng)機(jī)失電停止運(yùn)轉(zhuǎn)。母線恢復(fù)正常后，需要人工去逐臺(tái)恢復(fù)開(kāi)啟，浪費(fèi)大量的時(shí)間，使得生產(chǎn)被迫中止。這種現(xiàn)象尤其是對(duì)連續(xù)性、不間斷生產(chǎn)系統(tǒng)，造成嚴(yán)重?fù)p害。

我公司作為苯酐(鄰苯二甲酸酐)生產(chǎn)的化工企業(yè)，深受“晃電”威脅。由于我公司苯酐生產(chǎn)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(shè)備(2臺(tái)變頻熔鹽泵)發(fā)生停頓并且觸發(fā)SIS連鎖，從而導(dǎo)致生產(chǎn)系統(tǒng)癱瘓，裝置停車(chē)。據(jù)統(tǒng)計(jì)，2017年全年因雷雨天造成“晃電”導(dǎo)致苯酐停車(chē)事故高達(dá)7起，給公司造成約150萬(wàn)元的損失。

6 抗晃電技術(shù)的應(yīng)用

6.1 概念

抗晃電技術(shù)，旨在防止電源電壓發(fā)生晃電時(shí)暫時(shí)跌落或者消失，一般維持在很短的時(shí)間內(nèi)，讓電源電壓不會(huì)出現(xiàn)間斷，設(shè)備持續(xù)運(yùn)行的技術(shù)。這種技術(shù)應(yīng)用于化工企業(yè)生產(chǎn)過(guò)程設(shè)備，這些設(shè)備極易受到電壓暫降的影響，因?yàn)樵O(shè)備內(nèi)任何一個(gè)元件由于電源出現(xiàn)問(wèn)題都會(huì)使整個(gè)流程停止運(yùn)轉(zhuǎn)。常受電壓暫降影響的重要設(shè)備有可編程邏輯控制器(PLC)、可調(diào)速驅(qū)動(dòng)裝置、冷卻裝置控制、機(jī)械裝置、直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)等。

6.2 主要技術(shù)

針對(duì)晃電突發(fā)性、短暫性特點(diǎn)，現(xiàn)介紹以下抗晃電技術(shù)進(jìn)行交流探討：

6.2.1 分批自啟動(dòng)技術(shù)

分批自啟動(dòng)技術(shù)是通過(guò)斷電延時(shí)時(shí)間繼電器來(lái)實(shí)現(xiàn)的，時(shí)間繼電器因?yàn)槭щ姸訒r(shí)斷開(kāi)，電壓在整定時(shí)間內(nèi)恢復(fù)正常，電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)回路因時(shí)間繼電器的延時(shí)觸點(diǎn)而接通，電機(jī)重新二次啟動(dòng)。

缺點(diǎn)：控制線路太過(guò)繁瑣，時(shí)間同步很難做到，只能控制單臺(tái)設(shè)備，針對(duì)我們公司生產(chǎn)裝置，并不適用。

6.2.2 PLC控制分批自啟動(dòng)

電動(dòng)機(jī)順序控制啟動(dòng)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(yùn)行前，整個(gè)系統(tǒng)的控制邏輯是已輸入至PLC的CPU模塊的RAM存儲(chǔ)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(duì)電動(dòng)機(jī)在發(fā)生“晃電”恢復(fù)后，按照設(shè)定程序?qū)Ρ豢仉妱?dòng)機(jī)群分批次按排序?qū)崿F(xiàn)連續(xù)自動(dòng)快速二次啟動(dòng)。

母線電壓被電壓變送器轉(zhuǎn)換為直流信號(hào)，輸入單元將直流信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，最后送給CPU模塊進(jìn)行比較計(jì)算，判定電壓是否異常。母線電壓和電動(dòng)機(jī)狀態(tài)被控制單元采集完成后進(jìn)行邏輯分析判斷，接受操作指令，各電機(jī)啟動(dòng)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(dòng)電機(jī)指令。

此系統(tǒng)維護(hù)操作可靠方便，主要應(yīng)用在電動(dòng)機(jī)負(fù)荷較集中的變電所，對(duì)于電動(dòng)機(jī)負(fù)荷較分散的變電所，成本較高，根據(jù)分析，針對(duì)公司苯酐生產(chǎn)系統(tǒng)特點(diǎn)，不適用。

6.2.3 節(jié)能型交流接觸器應(yīng)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(chǎn)生的晃電影響。但對(duì)于電源在短時(shí)間內(nèi)發(fā)生中斷的情況無(wú)濟(jì)于事，所以在抗晃電功能上并未廣泛應(yīng)用。

6.2.4 MUPS

MUPS型電動(dòng)機(jī)不間斷電源是低壓電動(dòng)機(jī)群的不間斷電源系統(tǒng)。適用于連續(xù)生產(chǎn)的化工生產(chǎn)工藝裝置。當(dāng)主電源失電后，MUPS將確保關(guān)鍵電動(dòng)機(jī)組繼續(xù)運(yùn)行使生產(chǎn)過(guò)程中有時(shí)間緊急處理、安全停車(chē)或繼續(xù)運(yùn)行。

MUPS在電網(wǎng)發(fā)生晃電時(shí)給變頻器直流母線提供補(bǔ)償電壓，保證其電壓不會(huì)發(fā)生瞬間跌落或者消失，變頻器正常運(yùn)行免受影響。原理簡(jiǎn)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(dòng)、斷電后自動(dòng)啟動(dòng)及故障后自動(dòng)再啟動(dòng)功能，這些功能進(jìn)行調(diào)節(jié)控制電動(dòng)機(jī)，而不加裝MUPS，我們公司苯酐生產(chǎn)裝置設(shè)備熔鹽泵本身已經(jīng)加裝變頻器，已具備此功能，所以沒(méi)有必要加裝MUPS。

6.2.5 抗晃電自控技術(shù)

1)針對(duì)公司苯酐生產(chǎn)系統(tǒng)特點(diǎn)，經(jīng)公司領(lǐng)導(dǎo)研究決定，采用直流電源結(jié)合PLC、通訊模塊、檢測(cè)元件、保護(hù)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(guò)程：變頻器由在線互動(dòng)式直流電源負(fù)責(zé)提供補(bǔ)償電源，正常情況下直流電源通過(guò)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(hù)蓄電池，確?；坞婋妷旱鋾r(shí)變頻器直流電壓保持不變，使得正在運(yùn)行的變頻器晃電時(shí)繼續(xù)運(yùn)行。在系統(tǒng)供電母線端取一路電源連接到智能晃電檢測(cè)控制器及電壓變送器。由晃電控制器檢測(cè)出晃電現(xiàn)象，并輸出信號(hào)至 PLC，發(fā)出晃電報(bào)警。晃電控制器可根據(jù)實(shí)際情況設(shè)定 “晃電”允許時(shí)間 Tm(0.1～3.0 s)。由電壓變送器檢測(cè)母線電壓，并輸出信號(hào)至 PLC，PLC 對(duì)采集到的信號(hào)實(shí)時(shí)進(jìn)行分析判斷電網(wǎng)是否停電，如停電發(fā)出信號(hào)斷開(kāi)直流輸出電源。

3)電機(jī)再啟動(dòng)實(shí)現(xiàn)。在原電機(jī)控制柜內(nèi)變頻器直流母線端，通過(guò)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?；坞姇r(shí)變頻器可繼續(xù)運(yùn)行。由變頻器進(jìn)線接觸器新增 1對(duì)常開(kāi)輔助節(jié)點(diǎn)引至端子，再通過(guò)電纜連接到 PLC 控制系統(tǒng)，作為晃電系統(tǒng)反饋運(yùn)行狀態(tài)信號(hào)。

6.3 實(shí)際應(yīng)用

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

圖3 抗晃電系統(tǒng)的工作記錄

當(dāng)我公司苯酐裝置正常運(yùn)行電機(jī)遭遇“晃電”時(shí)，不允許停頓設(shè)備(2臺(tái)變頻熔鹽泵)，用直流不間斷電源給變頻補(bǔ)償電源，確保在晃電欠壓出現(xiàn)時(shí)變頻器仍能繼續(xù)運(yùn)行，電機(jī)在規(guī)定最低轉(zhuǎn)速以上運(yùn)轉(zhuǎn)，以保證監(jiān)控電流繼電器不動(dòng)作，實(shí)現(xiàn)設(shè)備持續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)，不會(huì)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(chē)。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(jí)變電站重合閘1次，均未對(duì)苯酐生產(chǎn)系統(tǒng)造成影響，直接為公司挽回約88萬(wàn)元的損失，此次抗晃電技術(shù)的成功應(yīng)用徹底避免了我公司苯酐生產(chǎn)系統(tǒng)在遭遇“晃電”時(shí)造成的停車(chē)。

7 結(jié)語(yǔ)

電力系統(tǒng)一旦發(fā)生“晃電”現(xiàn)象，大多會(huì)導(dǎo)致化工生產(chǎn)裝置局部停車(chē)或整體停車(chē)，從而引起生產(chǎn)系統(tǒng)癱瘓，給企業(yè)帶來(lái)重大的損失，本文介紹的幾種抗晃電技術(shù)希望能夠?yàn)椴煌?lèi)型不同特點(diǎn)化工企業(yè)在解決“晃電”問(wèn)題時(shí)提供技術(shù)方面的參考，避免或者減少“晃電”造成的危害及損失。