联锁故障分析及排查方法和防范措施

范文进

(扬子石油化工设计工程有限责任公司，南京 210048)

在某低温乙烯储运装置的试车过程中，出现冷冻机组联锁跳车故障，致使冷冻机组压缩机吸入带液丙烯气，最终造成机组受损，耽误了工期，造成了巨大的经济损失。笔者针对该故障进行分析，并总结故障的排查方法，提出了必要的防范措施，希望能够对今后相关项目的现场施工及调试有所帮助。

1 故障现象

为保证控制的可靠性，冷冻机组的二次控制回路采用220 V(DC)系统，原理如图1所示。图中STP为二次控制回路的启停开关，信号由仪表控制系统输出；KM为直流继电器，该继电器触点串入电机控制主回路，实现电机的启动和停止。

图1 控制回路原理示意

正常运行时，STP闭合，KM得电，电机主回路闭合；当联锁发生时，STP断开，KM失电，电机主回路断开，电机停止运行。但现场试车时，联锁信号正常产生，而KM并没有失电。并且调试人员发现，在电机启动后，开关柜有声光报警。

经确认，开关柜声光报警是由直流系统的绝缘监测装置产生的，因而初步判断为直流系统存在接地干扰。通过调试人员排查，用摇表测出控制信号电缆对地电阻为2.5 kΩ，根据国家电网公司2005年3月发布的《直流电源系统运行规范》第9章第28条规定： 220 V直流系统两极对地电压绝对值差超过40 V或绝缘对地电阻降低到25 kΩ以下，48 V直流系统任一极对地电压有明显变化时，应视为直流系统接地，可认为该故障是由直流系统接地引起的。最终调试人员检查信号电缆，发现信号电缆绝缘层已破损。

2 故障分析

因工作需要，直流电源系统只允许在绝缘监测装置内有一处接地，其正、负极均应是绝缘的。根据平衡电阻桥绝缘监测原理，图1的详细原理如图2所示，图2中R1，R2为绝缘监测装置内部的检测电阻，R+，R-为直流系统正负极对地绝缘电阻，C+，C-为直流系统正负极对地等效电容。

图2 控制回路详细原理示意

根据上述故障现象，即启停开关STP闭合后，绝缘检测装置发出声光报警，可以断定，接地不应发生在A和C点，而是发生在B点，B点接地后，其等效原理图如图3所示。

图3 B点接地后控制回路原理示意

图3中R为摇表测出的接地电阻(2.5 kΩ)，正是由于该电阻远小于25 kΩ，造成电源正母线通过开关STP和该电阻接地，使得绝缘监测装置产生声光报警。

根据图3所示，当开关STP闭合时，BC间电压UBC=Us=220 V(DC)，继电器KM得电动作，电机运行。同时，电容C-通过接地电阻R充电，当工艺联锁产生时，STP断开，电容C-通过闭合回路DBCE放电，KM维持得电状态，根据电路三要素法，可计算出UBC。

在STP断开的0时刻，UBC不可突变，则：

UBC=UBC(0+)=Us=220 V

(1)

根据闭合回路DBCE的电容和电阻关系可知：

T=RC

(2)

式(2)中，T为时间常数，计算忽略了继电器KM及电缆的等效电阻，从而得到STP断开后的UBC如下：

UBC=220e-t/T

(3)

当UBC大于继电器KM的动作电压时，电机主回路仍不能断开，压缩机仍继续运行，直到UBC降至继电器KM动作电压以下，KM失电，电机才能停止运行，原理如图4所示：

图4 UBC与UKM关系

图4中，UKM为继电器动作的最低电压，t0时刻UBC=UKM，图4中阴影部分为继电器的动作区域，即t0之前，电机都无法停止运行，也正是该段时间过长，致使压缩机吸入带液丙烯气，并使油气分离器缺油，导致整个机组受损。

3 故障排查

直流电源系统在长期运行过程中，会由于环境的变化，电缆以及接头的老化等问题，不可避免地发生直流系统接地。其接地情况包括： 按接地极性分为正接地和负接地；按接地种类可分为直接接地(金属接地或全接地)和间接接地(非金属接地或半接地)；按接地的情况可分为单点接地、多点接地、环路接地和绝缘降低(片接地)。

正常时，正、负极对地绝缘电阻相等，对地电压平衡，发生一极接地时(图2中A和C点接地)，电压的平衡性被破坏，接地极对地电压降低，非接地极电压升高，直流一极接地时，一般不会立即产生寄生回路，危害保护设备的运行。但是，存在一极接地的直流系统，供电可靠性大幅降低，因为当同一极的另一地点再发生接地时，可能使信号装置、继电保护和控制装置误动作或拒动作，或者发生另外一极接地时，将导致直流系统短路，造成严重后果，所以不允许直流系统长期在一点接地的情况下运行，必须及时排查。

目前，直流系统都配置有绝缘监测装置，在发生直流接地后，检测到母线绝缘下降时，会自动投入支路巡检功能，查出接地支路，但无法定位具体的接地点，技术上受监测点安装数量的限制，很难将接地点缩小到一定范围，所以该绝缘监测装置的局限性较大。要明确定位，还可采用便携式直流接地检测装置，该装置在电力系统中广泛应用，无需断开直流回路，可带电查找，极大地提高了查找的安全性。但在石化行业内，现场调试、试车过程中仍以拉回路法为主，即分别对各路空气开关或熔断器拉闸停电进行查找，将接地点限定在某个回路中，再用摇表对回路中的每根电缆摇测其绝缘从而锁定接地点。

对于图2中B点接地的情况，在试车初期，不易发现，而且在接地干扰不强时，也能维持正常运行，因而隐患较大。而对于该类接地，可将继电器KM断开，并短路开关STP，通过观察绝缘监测装置来判断是否存在绝缘降低的情况。若有，即可采用拉回路法确定接地点的大致位置。

4 防范措施

提高系统内电气设备的性能是保证直流系统可靠稳定运行的首要措施，如增大继电器KM的动作功率，减小图4中阴影部分的面积，或采用抗干扰能力强而无抗干扰电容的微机保护装置，以减小二次控制回路的对地电容。

除此之外，由于直流系统中一般电缆多且长，容易受尘土、潮气的腐蚀，使某些绝缘薄弱元件绝缘性能降低，甚至绝缘破坏造成直流接地。因此，还应采取以下措施来防止该类事故的发生：

1) 二次控制回路绝缘材料应选用合格的、绝缘性能高的产品，避免年久老化，施工时还应避免电缆磨伤、砸伤、压伤和扭伤等。

2) 采用合格的接线盒等产品以及必要的防护措施，避免二次控制回路及相关设备因污秽、受潮或进水使直流系统对地绝缘下降。

3) 采取必要的填埋措施，防止老鼠、蜈蚣等爬入带电回路，造成某些元件线头、未使用的螺丝、垫圈等零件掉落在回路上。

4) 在设计控制电缆走向时，应远离动力电缆，并尽量缩短电缆敷设长度，减小分布电容。

5 结束语

综上分析，直流电源系统一点接地的概率较大，若发生在控制信号电缆侧，其危害性往往比两点接地更大，难以预防，且隐蔽性强，很难查明真正原因。同时，直流二次控制回路处在一个强电磁环境中，工频电流电压、系统短路故障、开关操作、雷电侵扰等各种干扰信号，均可通过杂散电容进入二次回路，不可避免地影响二次回路的正常工作。

因此，要避免发生接地事故，还应加强对系统的维护力度，如对电缆沟、接线箱等易受潮设备进行定期检查，防止因受潮引起的直流接地引发此类事故。

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