石化装置连续性供电设计的探讨

汪 健

（中石化上海工程有限公司，上海 200120）

石化装置连续性供电设计的探讨

汪 健

（中石化上海工程有限公司，上海 200120）

通过石化装置变电所设计案例，介绍了电源快切装置、电动机再起动措施和应急柴油发电机在变配电系统中的作用。结合实例，给出了电动机再起动和柴油发电机应用的计算方式，为工程设计中确定供电系统方案提供了有效的参考。

电源快速切换；抗晃电；电动机再起动

石化企业的生产主要是配置连续运行的生产装置，生产过程控制要求自动化水平高。而工艺装置类型和数量很多，用电负荷主要为各类机泵的电动机，当电源发生异常时会引起电动机停止运行，从而打断正常生产秩序，产生事故隐患，在经济上造成重大损失。因此，对石化装置供电要求安全连续可靠。本文将结合具体案例介绍采用“快切装置”、“再起动”、“柴油发电机”等多种技术方案，来实现供电系统的快速切换和装置运行的安全可靠。“快切装置”主要用于二路电源之间的无缝切换；“再起动”主要用于电源切换后电动机恢复运行；“柴油发电机”用于二路电源都失电情况下的应急供电。以下重点探讨各个技术方案在供配电系统中的实际应用技术。

1 石化装置供电系统的组成

石化企业的全厂供电系统一般应有两个以上电源，用以满足一级和二级用电负荷的供电需求。石化装置中，如果一级负荷中有特别重要的负荷，则需增加应急电源设施来满足供电安全。图1是某石化企业一套化工装置变电所的供电系统（以下简称“本案例”）。

2 电源切换

石化装置变电所通常为二路电源供电，正常情况二路电源同时工作互为备用，当一路电源故障时自动切换至另一电源，保证供电连续性。由于技术的限制，以前石化装置供电切换主要是采用备自投方式，但是实际运用中不能完全满足生产需要。这主要是因为石化装置内电动机数量众多，存在较强的电动机反电动势，从电源失电到失压再到无压，备自投切换时间一般需几秒，即使备自投方式切换成功，电动机已经被分批切除，工艺装置已停车，生产过程被打断。运用电源快速切换装置（以下简称“快切装置”）对母线电压、频率、相位在线监测技术，可以快速发现电源故障，自动切换至备用电源，解决了传统备自投时间长的问题，是一种性能更优的切换方式。

2.1 快速切换原理

当供电系统的工作电源发生断线或者故障跳闸后，在备用电源自动切换之前，供电母线上连接的发电机和电动机，由于存在转动惯量和电磁场，都将处于“惰走”状态，母线电压就是各“惰走”发电机和电动机的反电动势之和，这就是母线残压[1]。母线残压的幅值和频率随着失电时间增加而逐渐减小，工作电源与备用电源的相位差将越来越大。母线残压衰减形式如图2。

为了方便分析，将备用电源供电回路看作一个电源连接一台电动机，等值电路中简化暂态分析的模型，忽略电动机的绕组电阻和励磁电抗等。合上联络开关时的简化电路如图3。

工作电源失电后等于电动机绕组开路，电动机机端电压就是其电势VM，联络开关合上前VM= VD，联络开关合上后，电动机绕组承受的电压按式（1）计算。

式中 VS——备用电源的等值电势，kV；

图2 残压特性矢量Fig.2 Vector diagram of residual voltage

XS——备用电源的等值电抗，Ω；

VM——电动机等值电势，kV；

XM——电动机等值电抗，Ω。

因VM=VD，则（VS-VM）=（VS-VD）= ΔU

UM=K×ΔU

图3 简化电路Fig.3 Simpli fi ed circuit

根据GB / T 755—2008《 旋转电机定额和性能》7.3运行期间电压和频率的变化，UM应不大于1.1 倍额定电压，则有：

设K= 0.95，则ΔU（%） ＜1.15。图2中，以A为圆心，以1.15为半径绘出圆弧A'-A''，则备用电源在A'-A''的右侧为安全合闸区，左侧为不安全合闸区。

如果工作电源与备用电源的相位和频率一致，如图2所示，A为其电压的矢量端点，则电源失电后残压矢量端点将沿曲线由A点向B点移动，如果备用电源在曲线A-B区间合闸，这就是快速切换。快速切换时残压幅值很高，相角差很小，电动机转速下降很少，对生产工艺几乎没有影响。B点后的残压曲线B-D区间相角差增大，为不安全合闸区，这时不能切换。当残压与备用电源电压矢量角再次重合，在如图2所示D-F区间实现合闸，这就是同期捕捉切换。同期捕捉切换时电动机的转速下降较小，一般仍能成功再加速，而且两个电压相位接近，备用电源合闸时冲击电流不大，对用电设备及供电系统也没有太大影响。过F点后相角差过大了，就需等残压衰减至无压定值区，即小于额定电压的20% ～ 30%后再合闸，这就是残压切换，类似于原来的备自投功能。残压切换时电动机转速几乎为零，需要重新起动。

2.2 快切装置的应用

快切装置主要有三部分工作逻辑，起动方式逻辑、切换方式逻辑和合闸方式逻辑，其中起动方式逻辑和合闸方式逻辑是快切逻辑的核心。快切装置动作的一般过程为：首先由起动方式逻辑判断故障类型，然后根据切换方式逻辑设定的动作顺序，跳开工作开关合上备用开关，在合备用开关的过程中，还需满足合闸方式逻辑规定的条件。

起动方式模块内置逻辑程序，用于区分内部故障还是电源故障。逻辑程序启动条件有开关变位启动、逆功率启动、无流启动、保护启动、频压异常启动、失压启动等。保护启动就是将电源侧的设备主保护信号接入快切装置，电源主保护动作断开故障线路的同时，立即起动备用电源切换，这是最直接快速的一种起动方式，推荐使用。逆功率启动、无流启动、频压异常启动主要是解决电源侧快速保护接点无法接入到快切装置情况下的快速起动，一般还要辅以其他判据，整定较为困难。失压启动是其他起动方式的后备，失压启动定值及延时定值与一般的备自投设置相同。

切换方式模块，用于预先设定开关切换动作顺序。开关切换方式分为同时切换、串联切换和并联切换。当两个电源的相位差比较大时，采用同时切换或串联切换方式，多用于事故情况下电源切换。当两个电源满足同期条件时采用并联切换方式，这方式仅用一路电源需要停电检修时的人工倒闸或故障切换后恢复两个电源运行。

合闸方式判别模块，主要用于如何快速安全地合上备用开关，通过实时监测两个电源电压、频率、相位，按照快速切换、同期捕捉切换、残压切换优先顺序，实现备用电源的切换功能。

快切装置的主要输入和输出信号如图4所示。

图4 快切装置信号设计Fig.4 Design sketch of auto transfer system

本案例设计中，6 kV中压系统电源切换设置一套快切装置，将35 kV进线光纤纵差、35 kV变压器差动、35 kV变压器重瓦斯保护等，电源侧快速保护接点接入快切装置起动快切，35 kV变压器高后备、6 kV进线过流保护等内部保护接点接入快切装置闭锁快切，实现了外部电源故障时两个电源的无缝快速切换。快速切换成功后中压电动机几乎没有影响，能够保持继续运行。如果电源切换错过了快速切换的时机，转为残压切换，6 kV中压系统通过设置低电压延时，对于非重要电动机低电压0.5 s切除，重要电动机设低电压3s延时，等待电压恢复后再起动，来保证重要电动机的运行。因保护级差配合需要，6/0.4 kV变压器进线一般没有速断、差动之类的快速保护，且低压系统故障影响相对范围较小，所以低压系统一般只设置普通备自投切换，通过低压电动机再起动措施，来恢复低压电动机的运行。

3 电动机再起动措施

“晃电”系指供电系统因雷电、短路、大负载起动、电网发生故障等情况引起的供电电源的电压发生瞬间较大范围波动，或者短时断电的现象。由于低压电动机的功率小转动惯量都不大，故机端残压要比高压电动机下降更快，即使低压系统设置了快切，还是有可能快切动作成功，由于母线电压已低于80 %、低压电动机的接触器脱扣，电动机停止运行。因此，供电恢复后让低压电动机尽快再起动的措施十分必要，通常也称作“抗晃电”。低压电动机再起动措施种类较多，主要有下面几种类型，都有成功的应用实例，可根据需要选择。

（1）电动机的控制回路采用UPS电源代替交流电源，使接触器在主回路短时失电后仍然能继续吸合，实现电源恢复后电动机零秒再起动。需要注意的是，当失电时间超过再起动定值时，需要增加断开接触器线路，确保电动机不再重起，避免长时间断电恢复后电动机随机起动，引发次生事故。

（2）使用带有低电压再起动功能的微机电动机保护器或专用抗晃电继电器，保护装置能够自动检测控制回路电压，在控制电压恢复后根据失电前的运行状态，发出合闸信号让接触器再次吸合。

（3）使用抗晃电类型的接触器[3]，接触器自带一个电源储能模块，在控制回路短时失电后，储能模块短时维持接触器线圈电压，实现接触器的延时释放。

（4）采用具有再起动功能的PLC柜，用PLC实时监测电动机运行状态和母线电压，发生晃电后通过预设的电压与电流计算模型，对电动机实施多分批再起动。这种方式特别适应于再起动电动机数量和起动批次特别多的场合。

如果一段母线上需要再起动的电动机数量较多、功率较大，同时再起动，会引起供电母线电压下降过大，电动机转矩不足，起动不成功。根据GB 50055—2011《 通用用电设备配电设计规范》电动机不频繁起动时，配电母线电压不宜低于85%的要求[4]。工程设计应当计算电动机再起动时母线电压，假如母线电压低于85 %应考虑电动机分批再起动，具体计算按式（2）～（4）。

式中 ustm——起动时母线电压相对值；

Skm——供电变压器母线最小短路容量，kVA；

Qfh——预接负荷的无功功率，kvar；

Sst——电动机起动容量，kVA；

Pst——电动机起动功率，kW；

Kst——电动机平均起动电流倍数；

cos φM——电动机平均起动功率因数。

本案例4台6 / 0.4 kV变压器容量ST=1 600 kVA，平均负荷率LA= 37 %，补偿后母线功率因数cosφB= 0.9，低压系统最小短路电流Skm= 2.53×104kVA，设：电动机平均起动电流倍数Kst= 6.5，电动机平均起动功率因数cos φM= 0.3，按照母联切换后一台变压器带二段母线，电动机再起动时母线电压相对值ustm= 85 %，计算每段母线最大再起动电动机功率之和。

平均预接负荷的无功功率：

最大再起动电动机容量：

最大再起动电动机功率之和：

本案例共有28台电动机需要再起动功能，总功率约1 200 kW，这些电动机分配至4台变压器低压母线后功率均大于208 kW，因此需设计分组采取分批再起动措施。先挑选18台重要电动机按功率略小于208 kW分4组接至低压母线，采用UPS做控制电源零秒再起动，作为第一批再起动电动机。再将剩下10台次重要电动机按功率约100 kW分4组接至低压母线，采用微机电动机保护器3 s延时再起动，作为第二批再起动电动机。通过二批次再起动措施，实现电源切换后生产上重要低压电动机可继续运行。

4 应急柴油发电机选用

本案例生产装置少数工艺有特别重要机泵，在供电电源全部失电后，还需运行一段时间，来保证装置安全停车。故低压配电系统另设置一台柴油发电机作为应急电源，当发生二路电源都失电时，柴油发电机自动运行，向特别重要机泵供电。应急柴油发电机的功率选择，一般应根据应急负荷容量和起动最大的电动机功率等综合因素统筹确定，在单台电动机功率较大时，为了与柴油发电机过载能力相匹配，电动机通常采用软启动方式。本案例中特别重要机泵二台（一用一备），额定功率110 kW，额定功率因数0.85，电动机效率0.92，因功率较大采用软起动方式，起动电流限值为3.5倍。根据《工业与民用配电设计手册》（第三版）第二章第六节公式，按发电机母线允许电压降20 %计算发电机容量如下[5]：

式中 SstΔ——最大电动机起动容量，kVA；

Pm——电动机额定功率，kW；

Ks——电动机起动电流倍数；

ηm——电动机效率；

cos φM——电动机额定功率因数。

式中 SG——发电机容量，kVA；

PG——发电机功率，kW；

cos φG——发电机额定功率因数，取0.8；

X'd——发电机次暂态电抗，取0.2；

ΔU——发电机母线容许电压降百分比。根据计算，本案例选用一台350 kW / 0.4 kV柴油发电机作为应急电源，当外部电源全部失电后，自动切换运行至应急电源供电。柴油发电机从起动至电压稳定需要约10 s，故特别重要机泵应等柴油发电机供电电压稳定后起动，再起动时间设为15 s。

5 应用小结

从本文介绍可以看出，石化装置供电连续性设计是通过多层次综合方式实现的。首先要保证有二路供电电源，并且二路电源不会同时受到损坏，然后工作电源故障时实现备用电源的快速切换，同时应辅以再起动措施，快速恢复电动机运行。如再起动电动机功率过大，则通过分批再起动措施，确保起动成功。万一发生外电源全部失电的情况，自动起动应急柴油发电机，保证少数重要电动机正常运行。经这些技术措施运用，最大程度地减少供电故障对石化装置连续生产的影响。

[1]郭伟，胡敏羑，叶留金，等. 厂用电切换方法的研究及应用[J].电力系统自动化，1999（15）：26-29，54.

[2]中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局，GB / T 755—2008. 旋转电机定额和性能 [S].

[3]张朝伟. 抗晃电交流接触器应用技术[J]. 电工技术，2004（6）：47-48.

[4]中华人民共和国住房和城乡建设部，GB 50055—2011. 通用用电设备配电设计规范[S].

[5]中国航空工业规划设计研究院，工业与民用配电设计手册（第三版）[M]. 北京：中国电力出版社，2005.

Discussion of Continuous Power Supply Design for Petrochemical Plants

Wang Jian
（SINOPEC Shanghai Engineering Co., Ltd, Shanghai 200120）

With example of the design of power substation in petrochemical plant, the functions of auto transfer system, motor restart device and emergency diesel generator in power supply system were introduced in this article. Combined with practical instance,the calculation equations for restarting electrical motor and using diesel generator were presented, which may be referenced in determination of power supply scheme.

auto transfer system; anti-sway; restart of motor

TQ 083+.1 文献标识码：A 文章编号：2095-817X（2017）05-0001-005

2017-08-04

汪健（1965—），男，工程师，主要从事电气工程设计工作。