“晃电”再启动技术在石油化工企业中的运用

2011-06-26刘龙舞

电气传动自动化 2011年6期

刘龙舞

（安徽工业大学研究生学院，安徽马鞍山 243002）

1 引言

电网由于雷击、短路、发电厂故障等内外部原因，造成电压大幅波动，甚至停电数秒钟的现象时有发生，此现象俗称“晃电”。在石油化工企业中，当电力系统发生短时电压波动时，部分不重要设备将通过低电压保护从电网上切除，而装置核心设备将在母线电压恢复正常后重加速启动，从而保证了工业生产的连续性。然而，在实际应用中，很多电动机抗晃电设计未系统考虑电网的短时最大承载能力，致使机群的群启电流接近或达到了电网所能承受的最大值。其后果不堪设想，轻者将导致线路自动重合闸或母线备自投失败，生产中断，重者将使发电机解列，电网崩溃瓦解。因此，在电网容量允许的范围内，设计更为安全可靠的电动机自启动方式就显得尤为重要。

2 “晃电”再启动技术

2.1 方案综述

随着科技的发展，微机型综合保护器在各厂矿企业得到了广泛的应用，其灵活的编程性能为电机的控制提供了更为便利的条件。微机型电动机保护器MICOM P241可以实现线路三相电流和三路线电压采样，具有短路、热过载、负序过流、零序过流、启动超时、运行失速、低电压、过电压、禁止再启动等保护功能。根据厂用电规定，因厂用电动机群启动电流较大，为避免晃电重启动时电流叠加效应所带来的负面影响，应据实际条件分批重启动。本文以电压采集时差控制式分批再启动方式为例［8］，设计了一种新的自启动逻辑。

首先，应根据生产要求将全厂所有负荷进行分类，即允许自启动负荷和禁止来电自启动负荷。而自启动负荷通常分为三类，每一批次电动机均可据电网要求设定不同的自启动时限。具体分类原则如下。

A类负荷——装置核心机组，晃电后电网电压恢复后立即自启动。

B类负荷——装置重要关键机组，晃电后延时3-4s自启动。

C类负荷——装置较重要机组，晃电后延时6-8s自启动。

统计数据表明，对于1000kW及以下常规机泵，在启动3-4s后，启动电流的正序有效值即可从4-7倍Ie（额定值）骤降至1.5倍Ie值以下。电网电压重新恢复后，5s内惯性运转的电动机重启动电流一般为2-4倍Ie。

电网发生晃电后，A类负荷电动机将瞬时自启动，3.5s之后A类电动机已重启动成功，同时网上电压也很快恢复正常，故下一批次电动机的晃电启动与上一批次的时间间隔定为3.5s，基本可避免多批次启动电流相互叠加冲击造成电网电压异常。对于风机类负载、容量超过1500kW的机泵或重载重启动的电动机，可适当延长1-2s。三类自启动负荷在晃电后12s内基本上可以完成重加速再启动过程。12s过后，惯性堕走的电动机已基本停运，重启动过程应按全压直接启动对待，无需再考虑自启动行为。

2.2 总体设计原则

（1）电网发生晃电后事故段所有运行电动机1s后无条件跳闸（可据要求设定）。母线电压恢复正常后，在未检出馈出线故障的前提下，原运行电动机分批自启动或禁止重启动。手动分闸或因仪电故障跳闸的电动机不应纳入上述之列。

（2）由于电动机启动控制回路中串入了合闸闭锁点，分批自启动前需要预先解除合闸闭锁方可实现重启动。

（3）电动机重启动一次后，不管成败与否，应立即闭锁再次合闸，以防短期内电动机连续群启对电网不断造成冲击［8］。

（4）可采用电控或仪控自启动方式，仪控自启动也应遵循电控启动的各项规定和要求。

图1 晃电后原运行电动机自起动通用逻辑图

2.3 编程基本定义字

如表1所示，以下两类编程均为电控启动方式，编程之前需要规定输入输出端口基本定义字。

表1 MICOM P241输入输出端口定义字

2.4 晃电后电动机自启动通用逻辑及其原理

2.4.1 晃电后电动机自启动通用逻辑

晃电后原运行电动机自启动通用逻辑如图1所示。

（1）因P241电压采样为三相三线制，为避免电动机两相小母线失压跳闸，又加入了零序电压Vn检测；

（2）断路器低电压保护的跳闸时延，应大于线路后备保护的动作时限，并保持级差配合；

（3）RL5输出跟随器设定100ms时延是为了保证可靠接通断路器分闸回路，来电检测设置200ms时延的目的是为了保证断路器无弹跳分闸，系统电压稳定正常；

（4）断路器分闸后，12s延时返回为供配电系统电动机最长失压监控时间；

（5）此例晃电自启批次为B类负荷，A类负荷至少应延时80ms，以确保提前解除RL6合闸闭锁；

（6）紧急复归（Emergency Reset）将解除电动机启动时的热能闭锁、热启动次数限定、冷启动次数限定、启动间隔时间限定这4个限制条件，启动完毕所有闭锁条件将再次生效；

（7）加入现场操作柱锁停位是一种技术保安措施，可避免现场、DCS、电气三方自行操控合闸。

如图2所示为晃电后原运行电动机自启动工作时序。

图2 晃电后原运行电动机自启动工作时序图

2.4.2 晃电后电动机自启动逻辑原理

（1）断路器合闸后，电动机运行。若发生三相低电压，延时1s后RL5出口，事故段所有运行电动机将无条件跳闸，同时预备解除合闸闭锁RL6；

（2）断路器分闸瞬间，将在200ms内判断是否为三相同时低电压所致（也为200ms），是则自锁，等候来电信息，否则不会触发电动机晃电自启动逻辑。该判据可被认作是对晃电前期电动机运行方式的一种记忆。

手动分闸P241不会检测到失压再恢复的过程。紧急解锁条件可避免仪电故障时误解除合闸闭锁RL6节点，同时合闸回路还串联有电气故障闭锁继电器常闭节点，以防线路和设备故障所导致的低电压，因此均不会触发晃电自启动逻辑。

此判据默认断路器前期为合闸状态，因此可以从根本上避免电动机柜送电时，母线电压开关与控制电源开关操作顺序不当所导致的电动机自行合闸。

（3）断路器分闸后将在12s内检测来电信息，一旦电压恢复正常，稳定200ms后，与上述低电压检测条件共同作用，经设定批次延时后（本例为3.5s），通过RL4出口节点重启动电动机。断路器合闸后，自启动逻辑立即复归。若12s后系统电压未能恢复正常，则清除原有电动机运行信息，自启动逻辑复归。

（4）紧急解除合闸闭锁设计为单次解除方式，以防电动机群群启失败而反复重启动。电压恢复正常200ms后，若未检出仪电故障，P241将发出一50ms脉宽的脉冲先行解除合闸回路RL6闭锁节点，指示灯LED3亮（设为锁存模式），记录为一次电动机重启动过程，同时封锁后续紧急复归。

（5）现场、仪控、电气三方电动机正常启动仍需要满足电气合闸闭锁条件。以上动作过程均可通过调阅P241事件及故障记录信息，并辅之以可编程指示灯来进行分析判断。

2.4.3 参数设定

在上述逻辑框图中，低电压保护设置及三相来电检测是重要环节。一般设定方式如下。

（1）低电压保护按保证电动机自启动的条件整定［1－3］，即

式中：Umin为系统所能承受的最低工作电压，V；Krel为可靠系数，取 1.1～1.15；Kr为返回系数，取1.05～1.10；UE为额定线电压有效值，V；nTV为电压互感器一二次侧电压变比。

（2）按切除不允许自启动电动机的条件整定：一般取（0.65～0.75）Un，动作时限取 1s；

（3）具有备用设备而断开的电动机，失压保护整定为（0.25～0.4）Un，动作时限取 1s（同上）；

（4）根据保安条件，在电压长时间消失后不允许重启动的电动机，低电压保护动作值一般取（0.4～0.5）Un，动作时限取（6－10）s；

（5）重来电线电压可设定为85V。

Uop动作门槛值设定为70V。图1逻辑中，重来电检测采用三相电压报警（3Ph Volt Alarm）控制字取反来实现，P241内部检测V1＞V2，同时高于85V才判断为系统电压正常，反相、缺相、欠压、失压均会发出电压异常报警。因此安装调试时还需确保三相电压接入正确，相／线电压的幅值相位正确。

（6）合成开口三角形零序电压“NVD Vn＞”的设定，要综合考虑线路各类电压故障等影响进行设定。

①零序电压一般按躲过电动机三相空载运行时的中性点最大偏移电压来整定［5］，即

式中：Krel为可靠系数，取 1.1－1.3；U″0m为电动机三相空载运行时因电源电压不平衡所引启的中性点最大偏移电压，可用实测法测出，也可参考已有电动机实测值。

加入三相线电压幅值检测后可抵消三次谐波电压的影响［6］。

②基于电压二次回路故障考虑。现场配电柜内三相电压小母线一般采用三相单联微型开关控制，当发生接地或短路故障时，故障相开关将会动作分断。其次，操作人员误分电压开关也会使P241三相电压检测异常。极端情况下，若操作人员不慎误分两路电压开关，此时P241只检测到一相电压，零序电压Vn实则为剩余相相电压，此时Vn值可考虑按三相平均相电压设定。计算方式基本同式（1），不同的是Kr为零序过电压返回系数，取值范围 0.9－0.95，则设定范围 Vnop为（0.475－0.52）Un。

综上所述，各批次群启电动机的容量和批次启动时间设置是否合理，是晃电后电动机能否自启动成功的重要因素。在实际应用中，最大批次设备容量、群启时间、负荷类别、群启瞬间所造成的压降等都是需要考虑的因素。从电网安全角度考虑，三类自启动总负荷应按一定比例分配。尤其是设备大幅增容，在全部设备分类部署完毕，不要忘记用电网最大短时容量进行校验。

上述逻辑设计思路严谨，考虑较为周全，已通过了实验室的各项严格测试，并在实际生产中有具体的应用。对于重启动不成功的电动机，需经过充分的调查论证后再作调整，并通过实际测试。

该编程模式和参数设定并非唯一和一成不变，在具体应用时部分逻辑可作适当调整，还可以与其它方案（如时间继电器、再启动继电器、PLC程控、计算机系统等）融合使用。上述编程思路还可以拓展应用到其它各类可编程综合保护器中。