化工企业电气系统抗晃电技术措施及应用

张庆忠，邵长晶，李进，宋玉国

（兖矿新疆煤化工有限公司，新疆乌鲁木齐 830011）

我公司一期600kt／a醇氨联产项目，年产300kt甲醇、520kt尿素，属于大型化工企业。作为大型煤化工生产企业，化工装置大部分用电设备为一级负荷和二级负荷，无论是从工艺还是从安全的角度都要求流程的连续性，任何电源波动都会对生产造成严重的影响。因此，对电源的供电可靠性要求较高。煤化工企业生产的特点是，对安全、稳定、长周期运行要求高，生产过程中危险因素较多，当电网发生严重故障波动时，将导致生产装置电气设备停用，造成生产突然中断。在事故情况下，可能导致危险介质泄漏，经济损失大，因此，对供电系统的平稳、安全、可靠供电要求很高。下面笔者以所在公司抗晃电技术应用为例，对抗晃电技术进行分析、对比，利于大家借鉴。

1 供电系统存在的问题

我公司外供电110kV 岗晶一、二线兖化一、二支线为双 “T”接线路，外电网供电可靠性较差。10kV 系统采用中性点不直接接地方式运行，虽然安装有消弧线圈，但电压波动现象还是时有发生；同时，由于系统需要安装大量的继电保护、自动装置等，设备多，系统中存在大量的谐波，对继电保护装置、自动控制设备造成干扰，设备故障出现的概率较高，易出现供电短时间中断现象，对生产装置可靠稳定运行影响较大。加之10kV 及0.4kV 供电系统采用单母线分段运行方式，较多母联开关正常情况下处于“热备”状态，生产系统中一旦任何设备故障都会引起一段母线失电，以致于导致部分生产出现异常，甚至停车的事故。在项目试开车阶段，110kV 外电网发生了多次电压波动低电压现象，造成各工段运行的低压用电设备因电网 “晃电”跳车，严重影响项目试开车工作。

2 抗晃电技术应用

通过对历次电网故障晃电跳车情况统计排查发现，因10kV 及以上电气设备控制电源均采用直流控制，抗晃电性能较好，不受外电网电压波动的影响。受电网电压降低影响比较灵敏的主要是低压电气设备，如低压交流接触器、低压交流继电器、低压变频器等电气设备。根据公司供电系统和电气设备的实际状态及负载在工艺系统的重要程度，主要采取以下几个方面的技术措施。

2.1 采用TPM 系列无扰动稳定控制装置

TPM－300系列无扰动稳定控制装置，能够实现快速启动动作，切换备用电源，基本能够消除外部电网波动造成的停电事故。10kV 和0.4kV供电系统分别为合富机电公司生产的TPM－300型无扰动稳定控制装置和TPM－310无扰动稳定控制装置。该装置适用于生产连续性强的供电系统，当供电系统出现异常情况时（系统晃电、保护动作、系统联跳等），系统迅速断开异常的供电回路，快速投入备用电源，保证母线段供电不中断，确保整个工艺生产流程的连续、安全运行，从而实现系统的无扰动供电。

2.2 采用动态电压恢复器

动态电压恢复器（Dynamic Voltage Restorer，简称DVR）是近年出现的装置，它串联于电源与负荷之间，当负荷电压正常时，DVR 被旁路，由系统提供电力。当发生电压暂降时，DVR 可以在毫秒级内对负荷电压进行有效补偿。DVR 由储能装置、电压型三相桥变流器、滤波电路及串联变压器4部分组成。DVR 为受控电压源，其输出电压为U2，供电线路电压为UL，当供电线路出现电压暂降时，为保证负荷的电压U1维持在正常水平，可控制输出电压U2，使之满足关系式：U1＝UL＋U2。

当电压检测单元检测到供电线路负荷端电压发生暂降时，根据检测到的供电线路实际电压，由标准信号产生模块产生与电网电压同步的标准正弦信号，与实际线路电压进行比较后通过控制电路产生由补偿策略确定的补偿信号。由此得到需要补偿的电压给定信号，利用控制环节生成SPWM 信号，通过驱动电路控制逆变器功率开关的通断。逆变器输出电压经LC 滤波器滤除高次谐波后通过串联变压器注入电网，产生补偿电压U2，用于抵消供电线路电压的波动，从而确保负载侧电压的稳定，提高整个电网的电压质量。

2.3 变频器加装MUPS电动机不间断电源系统

变频器技术发展到今天已实现直接矢量控制及逆变控制中部分实现抗晃电功能。在电源电压跌落时，逆变部分根据输出转矩减小输出甚至中断输出。在电压恢复正常时，逆变恢复正常输出。但现场使用的变频器并不是都具有此功能。

电动机不间断电源系统（Motor Uninterruptible Power System，简称MUPS），是基于VVVF（变频器）及DC－BANK（直流支撑系统）的组织构架。基本架构如图1所示。

图1 MUPS系统基本架构图

直流电源支撑装置DC－BANK 主要由蓄电池BAT、整流充电器CD1、静态开关SW1、快速熔断器QD1、直流接触器MF1、电动机M、执行单元控制器等组成。蓄电池采用免维护全密封铅酸电池。整流器的功率逆变管采用进口快速IGBT，其余元件采用进口工业等级器件，生产工艺严格完整，保证机器的可靠性和稳定性，整套MUPS 系统设备，即包括 VVVF、DCBANK 在内。如果用户已装有变频器VVVF，则可提供DC－BANK 直流支撑系统。

一套直流支撑系统DC－BANK 可支持多台乃至上百台变频器VVVF 在电网晃电、停电时无间断工作。因此，MUPS 是针对电动机群的理想电源系统。该电源系统特别适用于连续生产的化工企业。当主电源失电后，MUPS 将确保特别重要电动机组继续运行，使生产装置有时间紧急处理、安全停车或继续运行。使用DCBANK 装置对变频器直流母线供电，即在变频器直流桥臂加不间断直流电源，提高变频器的低电压跨越能力，使变频器在瞬时低电压时仍能正常工作，具有可靠性高的优点。但是由于其投资大，使用的都是重要的大型设备机组，在电网故障时，设备运转启动直流电流很大，对电池的瞬时放电性能要求很高，电池不易加工制作，其可靠性有待提高。空分系统液氧泵、液氮泵，气化系统高压煤浆泵等机组加装DC－BANK 装置。

2.4 采用ABB ACS－800系列变频器

ABB ACS－800系列重载型变频器负载率高、抗晃电性能好、故障率低，抗腐蚀性能好，易于安装改造，使用口碑较好。公司根据现场实际情况，将晃电时多次中断供电的重要机组变频器更换为比实际负载大一等级、具备抗晃电功能的重载型变频器。如锅炉给煤机、原料叶轮给煤机、环形给煤机等负载，在电压降低或停车再启动时，因带煤属于重载启动，晃电时经常发生变频器过流跳车，配置比实际负载大一等级的ABB ACS－800重载型变频器；空分液氧泵、气化高压煤浆泵等均采用ACS－800系列变频器驱动（要求采用抗晃电可选件）。

2.5 低压交流接触器抗晃电技术措施

由于低压交流接触器大量应用于用电设备控制回路，其释放电压的高低直接影响供电网络的可靠稳定性。对低压电动机来说，交流接触器释放就直接停车，对于10kV 及以上大型机组，因辅机油泵等低压用电设备停电造成高压机组跳车，进而影响大系统。解决释放电压较高（70%左右）的接触器的问题有以下四种方法。

（1）采用FS系列抗晃电交流接触器

抗晃电接触器的原理和断电延时继电器差不多，预先用电容存贮好能源，使得接触器可以实现延时释放，但是在同一电网中使用过多会造成设备群启时变压器过流保护跳闸。同时，其在现场存在腐蚀性气体的情况下，使用故障率较高。经试验使用，可靠性差。

（2）采用直流线圈接触器

更换直流控制电源，需将原交流线圈接触器更换为直流线圈接触器。由于直流线圈接触器在动作时存在滞后现象，同时还必须配置低电压保护，并且直流接触器型号、外型和安装空间大大超出了现有装置的设计范围，还需另外配置直流电源装置，从而造成很大的投资费用支出。从安全技术方面和经济效益考虑，此方案不可行。

（3）采用ABB－AF系列接触器

在电网晃电时出现跳闸的ABB－A 型系列接触器（包括国产新系列接触器，数据相近），试验其释放电压为120～150V（额定220V），而现场ABB－AF系列大容量接触器均未脱扣，试验其释放电压为50～60V，抗电压跌落在70%以上。经与ABB公司联系，其ABB－AF系列为专有低释放电压设计产品。但是，此种接触器释放电压偏低，须利用低压回路的微机智能保护装置，配置低电压及过流保护功能，确保在电网故障时设备能按整定值要求跳闸，不造成事故扩大。考虑到后系统属于生产工艺的末端，系统波动时只会造成部分或局域停车，影响较小，采用对生产工艺的下游系统关键电动设备的接触器统一更换为ABB－AF系列的方式处理。

（4）采用UPS不间断电源装置

重要用电设备的控制回路供电电源采用UPS不间断电源装置供电。其供电性能稳定、设备故障率低，可实现设备低电压分级保护功能。缺点是装置如果出现故障，就会造成所带负荷设备全停。公司热电锅炉系统和空分系统属于公用工程并为单系统，一旦停车就会造成整个生产系统全停。空分系统电气设备控制电源已采用UPS供电，在电网波动时没有发生过机组跳车。考虑到热电锅炉系统的重要性，根据现有的运行经验，对热电锅炉系统电动机控制电源改造采用UPS供电。变电所每段采用一套UPS装置，每套UPS 总输出配置一套微机综保（南瑞PCS－9691D保护测控装置）＋各回路控制继电器（UPS供电）的保护装置。微机综保设置两段式低电压保护（电压测量点为0.4kV 进线开关下口），保护配置：60%Ue，1s动作跳闸；45%Ue，0.5s动作跳闸。高压电动机低电压保护配置为60%Ue，1s动作跳闸。

3 应用效果

由于我公司采取了变频器加装MUPS 电动机不间断电源系统，采用ABB－AF 系列交流接触器，采用抗晃电性能好的ABB ACS－800系列变频器，交流控制电源采用UPS不间断电源供电等多种抗晃电技术措施，经过2011年7月～2012年8月一年多的运行检验，期间110kV外电网发生了多次电压波动低电压等晃电现象，均未对生产系统造成大的影响，节约了开停车及产量损失费用。由于化工生产的工艺复杂、连续性强，电动机组庞杂，供电等级多，这给保护配置及抗晃电设备选择带来困难，实现全系统的抗晃电功能难度非常大。以上抗晃电技术措施值得在化工企业推广应用。