浅析石油化工企业装设无扰动快切的必要性

浅析石油化工企业装设无扰动快切的必要性

王兴超

（惠生工程（中国）有限公司上海201203）

摘要：目前在大多数石油化工企业中，企业的双电源自动切换装置主要采用备用电源自动投入装置（以下简称备自投），本文主要分析用电源无扰动快速切换装置（以下简称无扰动快切）代替备自投的必要性。

关键词：无扰动快切；备自投；合闸时间；分闸时间；CB（断路器）；母线残压

石油化工企业的用电负荷等级一般为一级企业用电负荷等级，企业的电源一般由两个不同的地区变电站引来，两个电源一般采用互为暗备用方式，两电源进线断路器、联络断路器间一般装设备自投装置，实现备用电源的自动投入。下图为某一石油化工企业的厂内电气主接线简图（图1）。

图1

下面主要介绍110kV电源的备自投装置工作原理及分析其存在的弊端，无扰动快切工作原理及装设的必要性。

（一）备自投装置工作原理

图1中一般在1#CB、2#CB、3#CB间设置一套国产备自投装置，备自投装置分别取110kVⅠ母、110kVⅡ母PT电压信号及分别取1#、2#电源进线的A相电流信号。

1#CB、2#CB处于合闸位置，3#CB处于分闸位置，110kVⅠ母、110kVⅡ母电压超过80%母线额定电压，经备自投充电延时后，备自投逻辑投入。

假设1#电源失电；备自投装置检测110kVⅠ母电压下降至30%母线额定电压及1#电源进线的A相电流为零时，判断1#电源失电；备自投装置检测110kVⅡ母电压高于80%母线额定电压；经备自投整定延时后，备自投动作，将1#CB分闸，1#CB分闸后，再将3#CB合闸，完成备用电源的自动投入。

（二）备自投装置存在的弊端

由上述备自投工作原理可知，备自投装置很好地完成了备用电源自动投入的功能，对于企业用电负荷等级为二级及以下的企业，备自投装置可以很好地完成备用电源自动投入的功能。但是对于石油化工企业，备自投装置可能存在问题。

石油化工企业的负荷绝大多数为电动机负荷，且其中很大一部分为一级负荷，一级负荷的电动机对石油化工装置连续生产起决定作用，此部分负荷如较长时间停车，则可能引起整个装置的联锁停车，造成很大经济损失。

因此上述一级负荷的电动机一般设置了电动机自启动（一般高压电动机直接起动，低压电动机分批启动），用于在一个电源失去另一电源正常，备自投动作，由一个电源带全厂负荷时，将已失电的电动机再次启动，使石油化工装置不至于联锁停车，保证其连续生产。

上述设置本身没有问题，但是备自投装置动作时间很长，动作时间主要由两个时间组成，一个是母线电压下降至备自投动作值的时间T1，另一个是备自投装置动作延时时间T2，T1与T2之和往往大于2秒，此时电动机转速已下降很大，此时启动电动机，系统将需承受很大的启动电流，如高压电动机数量多且容量大或保护设置不当等原因，可能将另一电源拖垮，造成更大影响。

（三）母线残压及电动机冲击分析

在介绍无扰动快切工作原理前，需要对电源失电后，带有大量电动机的母线残压、重新接通电源时电动机的可承受范围进行分析。

假设：图1中的110kVⅠ母由于线路故障或误操作导致失去1#电源，后经过一段时间1#CB分闸，3#CB合闸，由2#电源带110kVⅠ母、Ⅱ母的全部负荷。

具体分析如下：

当110kVⅠ母失去1#电源时，110kVⅠ母所带的全部高、低压电动机由于惯性将继续旋转，电动机定子磁场由于失去电源而停滞，转子的磁场由于剩磁将继续旋转，从而使转子磁场超前定子磁场，电动机在此时将由异步电动机变为异步发电机，直至转子剩磁消耗完毕。母线残压下降的特性曲线详见图2中以A点开始的一条螺旋线。

根据《电力工程电气设计手册》，电动机启动时的允许的端电压为不大于1.1倍的电动机额定电压，此时电动机可承受启动时的冲击。

故令Um等于电动机启动时的允许电压，即1.1倍电动机额定电压UDe得

《电力工程电气设计手册》给出了两条线K=0.67和K≈0.8时的两条限定曲线，详见图2中的A-A”和B-B”两条圆弧线，此两条圆弧线均以A点为圆心，以△U为半径绘制。

当K=0.67时，由式②知，△U=1.64。

当K=0.8时，由式②知，△U=1.37。

在石油化工企业中，由于正常运行时，两个电源各带50%左右的负荷，故K值取0.8较为合适，在B-B”圆弧的右侧完成切换，对电动机的冲击在可接受范围内。

（四）无扰动快切工作原理

在介绍无扰动切换工作原理前，先介绍现今主流断路器（如VD4、HVX、3AE）的固有分、合闸时间；一般为：分闸时间T2≤60ms，合闸时间T3≤80ms。

无扰动切换的启动逻辑图详见图4。

图4

无扰动快切启动逻辑共分逆功率启动、无流启动、失压启动、误跳启动、保护启动五种逻辑。下面介绍下五种启动逻辑的原理及应用范围：

逆功率启动：以功率反向及频率下降为判据，主要用于石油化工企业内有自发电的情况，即当系统失电，企业内的发电机可能向外电网供电。

无流启动：以无流及频率下降为判据，主要用于系统内由于某种原因失电的情况，如上级出线开关误操作跳闸等情况。

失压启动：等同于备自投装置，不再介绍。

误跳启动：以进线开关跳闸和进线无流为判据，主要用于进线开关由于误操作导致跳闸的情况。

保护启动：以线路保护（主要是线路光纤差动保护）动作作为判据。

上述启动逻辑启动后，无扰动切换装置进入如下几种切换模式：

快速切换：在启动逻辑动作瞬间，若母线残压与备用电源进线的电压相角差、频率差在定值范围之内，且母线电压不低于快切低电压闭锁定值，则可以在启动瞬间进行“快速切换”，立刻发出合闸命令。切换逻辑判断+工作电源进线断路器分闸+备用电源断路器合闸总时间一般在0.2s以内。查找图2的B-B”圆弧线，满足切换要求。

捕捉耐受电压点准则切换：在启动逻辑动作瞬间，判断母线残压与备用电源进线的电压差，满足在备用电源断路器合闸瞬间，切换点落在图2的B-B”圆弧线的右侧，来满足切换要求，但切换时间比快速切换慢，一般作为快速切换的备用方案。

捕捉首次同相点切换：在启动逻辑动作瞬间，判断母线残压与备用电源进线的相角差，在相位角为零附近时完成切换，此时冲击最小，但切换时间比上述两种切换时间都长，且仅作为上述两种切换的备用方案，已经不是快速切换的范畴。

残压切换：同备自投装置，不再介绍。

（五）装设无扰动快切的必要性

在石油化工企业中，由上述对备自投装置存在的弊端的介绍可知，当一个工作电源失电时，快速的投入备用电源以保证工艺装置连续运行，其意义巨大。

通常情况下，无扰动快切动作时，一般均在快速切换模式下，切换时间一般都在0.2s以内，由图2可知此时母线残压为80%系统标称电压以上，此时低压电动机的接触器还未释放、高压电动机断路器未跳闸，此时投入备用电源，工艺装置的连续生产将不会受到影响。

即使快速切换模式无法启动，作为其备用方案的捕捉耐受电压点准则切换也会在0.5s以内完成切换，由图2可知此时母线残压为65%系统标称电压以上，此时高压电动机断路器未跳闸、部分低压电动机的接触器可能释放，但可以通过再启动解决此问题，工艺装置的连续生产所受影响也非常有限。

所以装设无扰动快切对石油化工企业是必要的。

总结：石油化工企业工艺装置均为连续生产性大型工业装置，连续生产一旦被打断，将造成很多经济损失；根据上述分析，在电源上安装无扰动快速切换装置用于代替备用电源自动投入装置是十分必要的，其能很好的保证在失去一个电源的情况下，使备用电源快速投入，使工艺装置生产不中断，保证装置连续生产。

参考文献：

[1]《电力工程电气设计手册》、无扰动快切装置样本

作者简介：

王兴超男汉族学历：大学本科学历职位：工程师。