石化裝置連續性供電設計的探討

汪 健

（中石化上海工程有限公司，上海 200120）

石化裝置連續性供電設計的探討

汪 健

（中石化上海工程有限公司，上海 200120）

通過石化裝置變電所設計案例，介紹了電源快切裝置、電動機再起動措施和應急柴油發電機在變配電系統中的作用。結合實例，給出了電動機再起動和柴油發電機應用的計算方式，為工程設計中確定供電系統方案提供了有效的參考。

電源快速切換；抗晃電；電動機再起動

石化企業的生產主要是配置連續運行的生產裝置，生產過程控制要求自動化水平高。而工藝裝置類型和數量很多，用電負荷主要為各類機泵的電動機，當電源發生異常時會引起電動機停止運行，從而打斷正常生產秩序，產生事故隱患，在經濟上造成重大損失。因此，對石化裝置供電要求安全連續可靠。本文將結合具體案例介紹采用“快切裝置”、“再起動”、“柴油發電機”等多種技術方案，來實現供電系統的快速切換和裝置運行的安全可靠?！翱烨醒b置”主要用于二路電源之間的無縫切換；“再起動”主要用于電源切換后電動機恢復運行；“柴油發電機”用于二路電源都失電情況下的應急供電。以下重點探討各個技術方案在供配電系統中的實際應用技術。

1 石化裝置供電系統的組成

石化企業的全廠供電系統一般應有兩個以上電源，用以滿足一級和二級用電負荷的供電需求。石化裝置中，如果一級負荷中有特別重要的負荷，則需增加應急電源設施來滿足供電安全。圖1是某石化企業一套化工裝置變電所的供電系統（以下簡稱“本案例”）。

2 電源切換

石化裝置變電所通常為二路電源供電，正常情況二路電源同時工作互為備用，當一路電源故障時自動切換至另一電源，保證供電連續性。由于技術的限制，以前石化裝置供電切換主要是采用備自投方式，但是實際運用中不能完全滿足生產需要。這主要是因為石化裝置內電動機數量眾多，存在較強的電動機反電動勢，從電源失電到失壓再到無壓，備自投切換時間一般需幾秒，即使備自投方式切換成功，電動機已經被分批切除，工藝裝置已停車，生產過程被打斷。運用電源快速切換裝置（以下簡稱“快切裝置”）對母線電壓、頻率、相位在線監測技術，可以快速發現電源故障，自動切換至備用電源，解決了傳統備自投時間長的問題，是一種性能更優的切換方式。

2.1 快速切換原理

當供電系統的工作電源發生斷線或者故障跳閘后，在備用電源自動切換之前，供電母線上連接的發電機和電動機，由于存在轉動慣量和電磁場，都將處于“惰走”狀態，母線電壓就是各“惰走”發電機和電動機的反電動勢之和，這就是母線殘壓[1]。母線殘壓的幅值和頻率隨著失電時間增加而逐漸減小，工作電源與備用電源的相位差將越來越大。母線殘壓衰減形式如圖2。

為了方便分析，將備用電源供電回路看作一個電源連接一臺電動機，等值電路中簡化暫態分析的模型，忽略電動機的繞組電阻和勵磁電抗等。合上聯絡開關時的簡化電路如圖3。

工作電源失電后等于電動機繞組開路，電動機機端電壓就是其電勢VM，聯絡開關合上前VM= VD，聯絡開關合上后，電動機繞組承受的電壓按式（1）計算。

式中 VS——備用電源的等值電勢，kV；

圖2 殘壓特性矢量Fig.2 Vector diagram of residual voltage

XS——備用電源的等值電抗，Ω；

VM——電動機等值電勢，kV；

XM——電動機等值電抗，Ω。

因VM=VD，則（VS-VM）=（VS-VD）= ΔU

UM=K×ΔU

圖3 簡化電路Fig.3 Simpli fi ed circuit

根據GB / T 755—2008《 旋轉電機定額和性能》7.3運行期間電壓和頻率的變化，UM應不大于1.1 倍額定電壓，則有：

設K= 0.95，則ΔU（%） ＜1.15。圖2中，以A為圓心，以1.15為半徑繪出圓弧A'-A''，則備用電源在A'-A''的右側為安全合閘區，左側為不安全合閘區。

如果工作電源與備用電源的相位和頻率一致，如圖2所示，A為其電壓的矢量端點，則電源失電后殘壓矢量端點將沿曲線由A點向B點移動，如果備用電源在曲線A-B區間合閘，這就是快速切換?？焖偾袚Q時殘壓幅值很高，相角差很小，電動機轉速下降很少，對生產工藝幾乎沒有影響。B點后的殘壓曲線B-D區間相角差增大，為不安全合閘區，這時不能切換。當殘壓與備用電源電壓矢量角再次重合，在如圖2所示D-F區間實現合閘，這就是同期捕捉切換。同期捕捉切換時電動機的轉速下降較小，一般仍能成功再加速，而且兩個電壓相位接近，備用電源合閘時沖擊電流不大，對用電設備及供電系統也沒有太大影響。過F點后相角差過大了，就需等殘壓衰減至無壓定值區，即小于額定電壓的20% ～ 30%后再合閘，這就是殘壓切換，類似于原來的備自投功能。殘壓切換時電動機轉速幾乎為零，需要重新起動。

2.2 快切裝置的應用

快切裝置主要有三部分工作邏輯，起動方式邏輯、切換方式邏輯和合閘方式邏輯，其中起動方式邏輯和合閘方式邏輯是快切邏輯的核心?？烨醒b置動作的一般過程為：首先由起動方式邏輯判斷故障類型，然后根據切換方式邏輯設定的動作順序，跳開工作開關合上備用開關，在合備用開關的過程中，還需滿足合閘方式邏輯規定的條件。

起動方式模塊內置邏輯程序，用于區分內部故障還是電源故障。邏輯程序啟動條件有開關變位啟動、逆功率啟動、無流啟動、保護啟動、頻壓異常啟動、失壓啟動等。保護啟動就是將電源側的設備主保護信號接入快切裝置，電源主保護動作斷開故障線路的同時，立即起動備用電源切換，這是最直接快速的一種起動方式，推薦使用。逆功率啟動、無流啟動、頻壓異常啟動主要是解決電源側快速保護接點無法接入到快切裝置情況下的快速起動，一般還要輔以其他判據，整定較為困難。失壓啟動是其他起動方式的后備，失壓啟動定值及延時定值與一般的備自投設置相同。

切換方式模塊，用于預先設定開關切換動作順序。開關切換方式分為同時切換、串聯切換和并聯切換。當兩個電源的相位差比較大時，采用同時切換或串聯切換方式，多用于事故情況下電源切換。當兩個電源滿足同期條件時采用并聯切換方式，這方式僅用一路電源需要停電檢修時的人工倒閘或故障切換后恢復兩個電源運行。

合閘方式判別模塊，主要用于如何快速安全地合上備用開關，通過實時監測兩個電源電壓、頻率、相位，按照快速切換、同期捕捉切換、殘壓切換優先順序，實現備用電源的切換功能。

快切裝置的主要輸入和輸出信號如圖4所示。

圖4 快切裝置信號設計Fig.4 Design sketch of auto transfer system

本案例設計中，6 kV中壓系統電源切換設置一套快切裝置，將35 kV進線光纖縱差、35 kV變壓器差動、35 kV變壓器重瓦斯保護等，電源側快速保護接點接入快切裝置起動快切，35 kV變壓器高后備、6 kV進線過流保護等內部保護接點接入快切裝置閉鎖快切，實現了外部電源故障時兩個電源的無縫快速切換?？焖偾袚Q成功后中壓電動機幾乎沒有影響，能夠保持繼續運行。如果電源切換錯過了快速切換的時機，轉為殘壓切換，6 kV中壓系統通過設置低電壓延時，對于非重要電動機低電壓0.5 s切除，重要電動機設低電壓3s延時，等待電壓恢復后再起動，來保證重要電動機的運行。因保護級差配合需要，6/0.4 kV變壓器進線一般沒有速斷、差動之類的快速保護，且低壓系統故障影響相對范圍較小，所以低壓系統一般只設置普通備自投切換，通過低壓電動機再起動措施，來恢復低壓電動機的運行。

3 電動機再起動措施

“晃電”系指供電系統因雷電、短路、大負載起動、電網發生故障等情況引起的供電電源的電壓發生瞬間較大范圍波動，或者短時斷電的現象。由于低壓電動機的功率小轉動慣量都不大，故機端殘壓要比高壓電動機下降更快，即使低壓系統設置了快切，還是有可能快切動作成功，由于母線電壓已低于80 %、低壓電動機的接觸器脫扣，電動機停止運行。因此，供電恢復后讓低壓電動機盡快再起動的措施十分必要，通常也稱作“抗晃電”。低壓電動機再起動措施種類較多，主要有下面幾種類型，都有成功的應用實例，可根據需要選擇。

（1）電動機的控制回路采用UPS電源代替交流電源，使接觸器在主回路短時失電后仍然能繼續吸合，實現電源恢復后電動機零秒再起動。需要注意的是，當失電時間超過再起動定值時，需要增加斷開接觸器線路，確保電動機不再重起，避免長時間斷電恢復后電動機隨機起動，引發次生事故。

（2）使用帶有低電壓再起動功能的微機電動機保護器或專用抗晃電繼電器，保護裝置能夠自動檢測控制回路電壓，在控制電壓恢復后根據失電前的運行狀態，發出合閘信號讓接觸器再次吸合。

（3）使用抗晃電類型的接觸器[3]，接觸器自帶一個電源儲能模塊，在控制回路短時失電后，儲能模塊短時維持接觸器線圈電壓，實現接觸器的延時釋放。

（4）采用具有再起動功能的PLC柜，用PLC實時監測電動機運行狀態和母線電壓，發生晃電后通過預設的電壓與電流計算模型，對電動機實施多分批再起動。這種方式特別適應于再起動電動機數量和起動批次特別多的場合。

如果一段母線上需要再起動的電動機數量較多、功率較大，同時再起動，會引起供電母線電壓下降過大，電動機轉矩不足，起動不成功。根據GB 50055—2011《 通用用電設備配電設計規范》電動機不頻繁起動時，配電母線電壓不宜低于85%的要求[4]。工程設計應當計算電動機再起動時母線電壓，假如母線電壓低于85 %應考慮電動機分批再起動，具體計算按式（2）～（4）。

式中 ustm——起動時母線電壓相對值；

Skm——供電變壓器母線最小短路容量，kVA；

Qfh——預接負荷的無功功率，kvar；

Sst——電動機起動容量，kVA；

Pst——電動機起動功率，kW；

Kst——電動機平均起動電流倍數；

cos φM——電動機平均起動功率因數。

本案例4臺6 / 0.4 kV變壓器容量ST=1 600 kVA，平均負荷率LA= 37 %，補償后母線功率因數cosφB= 0.9，低壓系統最小短路電流Skm= 2.53×104kVA，設：電動機平均起動電流倍數Kst= 6.5，電動機平均起動功率因數cos φM= 0.3，按照母聯切換后一臺變壓器帶二段母線，電動機再起動時母線電壓相對值ustm= 85 %，計算每段母線最大再起動電動機功率之和。

平均預接負荷的無功功率：

最大再起動電動機容量：

最大再起動電動機功率之和：

本案例共有28臺電動機需要再起動功能，總功率約1 200 kW，這些電動機分配至4臺變壓器低壓母線后功率均大于208 kW，因此需設計分組采取分批再起動措施。先挑選18臺重要電動機按功率略小于208 kW分4組接至低壓母線，采用UPS做控制電源零秒再起動，作為第一批再起動電動機。再將剩下10臺次重要電動機按功率約100 kW分4組接至低壓母線，采用微機電動機保護器3 s延時再起動，作為第二批再起動電動機。通過二批次再起動措施，實現電源切換后生產上重要低壓電動機可繼續運行。

4 應急柴油發電機選用

本案例生產裝置少數工藝有特別重要機泵，在供電電源全部失電后，還需運行一段時間，來保證裝置安全停車。故低壓配電系統另設置一臺柴油發電機作為應急電源，當發生二路電源都失電時，柴油發電機自動運行，向特別重要機泵供電。應急柴油發電機的功率選擇，一般應根據應急負荷容量和起動最大的電動機功率等綜合因素統籌確定，在單臺電動機功率較大時，為了與柴油發電機過載能力相匹配，電動機通常采用軟啟動方式。本案例中特別重要機泵二臺（一用一備），額定功率110 kW，額定功率因數0.85，電動機效率0.92，因功率較大采用軟起動方式，起動電流限值為3.5倍。根據《工業與民用配電設計手冊》（第三版）第二章第六節公式，按發電機母線允許電壓降20 %計算發電機容量如下[5]：

式中 SstΔ——最大電動機起動容量，kVA；

Pm——電動機額定功率，kW；

Ks——電動機起動電流倍數；

ηm——電動機效率；

cos φM——電動機額定功率因數。

式中 SG——發電機容量，kVA；

PG——發電機功率，kW；

cos φG——發電機額定功率因數，取0.8；

X'd——發電機次暫態電抗，取0.2；

ΔU——發電機母線容許電壓降百分比。根據計算，本案例選用一臺350 kW / 0.4 kV柴油發電機作為應急電源，當外部電源全部失電后，自動切換運行至應急電源供電。柴油發電機從起動至電壓穩定需要約10 s，故特別重要機泵應等柴油發電機供電電壓穩定后起動，再起動時間設為15 s。

5 應用小結

從本文介紹可以看出，石化裝置供電連續性設計是通過多層次綜合方式實現的。首先要保證有二路供電電源，并且二路電源不會同時受到損壞，然后工作電源故障時實現備用電源的快速切換，同時應輔以再起動措施，快速恢復電動機運行。如再起動電動機功率過大，則通過分批再起動措施，確保起動成功。萬一發生外電源全部失電的情況，自動起動應急柴油發電機，保證少數重要電動機正常運行。經這些技術措施運用，最大程度地減少供電故障對石化裝置連續生產的影響。

[1]郭偉，胡敏羑，葉留金，等. 廠用電切換方法的研究及應用[J].電力系統自動化，1999（15）：26-29，54.

[2]中華人民共和國國家質量監督檢驗檢疫總局，GB / T 755—2008. 旋轉電機定額和性能 [S].

[3]張朝偉. 抗晃電交流接觸器應用技術[J]. 電工技術，2004（6）：47-48.

[4]中華人民共和國住房和城鄉建設部，GB 50055—2011. 通用用電設備配電設計規范[S].

[5]中國航空工業規劃設計研究院，工業與民用配電設計手冊（第三版）[M]. 北京：中國電力出版社，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 文獻標識碼：A 文章編號：2095-817X（2017）05-0001-005

2017-08-04

汪?。?965—），男，工程師，主要從事電氣工程設計工作。