防“晃电”事故的分析与对策

朱力召，王少盼

(陕西渭河煤化工集团有限责任公司，陕西 渭南 714000)

1 概述

现代化工企业低压电动机广泛采用交流接触器控制，其控制电源通常取自微型断路器后侧，接触器带电自保持，无压释放。然而，电动机正常运转时遇电源瞬时失压，接触器就会释放，当电源自动恢复后则需人工重新操作恢复电动机运转，造成运行中电动机短时停机，使生产中断，从而对企业造成一定的经济损失，甚至联锁，导致大面积系统停车。随着电网并网、环网的日益扩大，以及馈电变压器容量增大带来的配出回路增多，相邻回路故障引起的电压波动概率升高造成电源瞬时失压即"晃电"现象越来越频繁。配电系统"晃电"的发生一般都是突发性的，同时也是无法避免的，但是如何在"晃电"情况下尽量避免非计划停车却是必须考虑的问题。

陕西渭河煤化工集团有限责任公司在借鉴其他公司的各种方法后，决定采用供电更加稳定可靠的UPS来提供低压电气设备的控制电源，同时在控制电源分配柜的设计过程中解决了如何区分"晃电"和系统真正失电时控制电源是否断开的问题，以及下级控制电源短路时如何避免所有控制电源全部丢失的问题。

2 控制电源改造整体设计方案

此次技术改造重点为控制电源分配柜的设计，分配柜必须能够区分真正失电和"晃电"，避免真正失电时的拒动作和"晃电"时的误动作。同时分配柜设计还要考虑到支路短路故障时对干路断路器的影响，避免因支路短路造成总开关跳闸，导致事故扩大，即断路器要具有选择性[1]。

鉴于以上方面，最终的设计方案如下：UPS电源选用索克曼Masterys IP系列UPS；控制电源分配柜通过ABB三相电压监视器、时间继电器、接触器、空气开关组成的回路提供给低压开关柜控制回路电源，接触器下侧配套微型断路器给每列开关柜供电。三相电压监视器的作用是监视系统电压的升降、电源缺相或失压，发生故障时配合时间继电器可以延迟5s断开电源分配柜内接触器。根据历年“晃电”现象和运行经验，5s内的“晃电”现象占据大多数，所以"晃电"发生时在5s内开关柜控制回路靠UPS电源供电保证接触器不释放，从而保证系统正常运行。如"晃电"超过延迟时间，为保证生产系统设备安全，控制电源将通过接触器断开供电，以保证设备安全。同时，控制电源分配柜总断路器选用ABB公司生产的S752 DR-E63带选择性过电流保护断路器，该断路器可以有效避免支路短路而造成的越级跳闸事故。配电室I段控制系统原理如图1～图3所示。

图1 控制电源一次接线原理

图2 主回路接触器的控制原理

图3 电压监视器延迟动作回路二次原理

3 UPS选型以及技术指标

经过分析本项目的特点以及UPS各种性能、可靠性、技术先进性等参数指标要求，最终选用SOCOMEC公司Masterys IP系列UPS，具体型号为MASTERYS IP 20/10kVA。IP系列UPS有以下特性：

(1)标配隔离变压器，起到保护、防雷、滤波作用，次级不和地相连。

(2)内置冗余直流回路(包括双组充电器)，可采用双组电池连接。

(3)逆变器工作电压范围为 20%可调；逆变器能满足所有负荷连续运行的要求，并能适应负荷在额定值0～100%波动。逆变器能在额定负载下可靠起动；带有同步锁相电路，可随时保证逆变器和旁路系统同步，实现负荷无扰动地切换至旁路。

(4)整流器采用IGBT整流器，其输入电压AC 380V/400V且带有零线，输入电压范围为 20%可调，在-35%时仍可带70%的负载，UPS具有独立自动旁路和手动维修旁路设置。

(5)静态开关旁路侧是双路无触点电子式静态开关，控制电路采用"过零点"切换技术，保证UPS在同步锁相时切换时间为0；在与电网不同步时，切换时间小于4ms。即电网频率无论怎样变化，均可确保UPS输出电压、频率的稳定与不间断。

(6)静态切换开关具有自动、手动两种工作方式，实现不间断切换，当逆变器故障或失压时，通过静态切换开关切向旁路系统供电，切换时间不超过4ms；静态旁路开关装备测试装置，保证在不影响负荷运行的情况下进行功能测试。

(7)蓄电池采用汤浅UXH系列免维护阀控式密封铅酸蓄电池，平均使用寿命为12年。

4 控制电源分配柜设计

控制电源分配柜设计方案中UPS输出电源通过总断路器QF1以及接触器KM1和KM2分配到每个配电柜的控制电源分空开上(即图1中6A的微型断路器)，然后给配电柜提供控制电源。电压监测回路负责监测母线电压，当发生系统故障时发出指令，并结合时间继电器延迟动作来跳开控制电源接触器。为保证控制电源分配柜能够按照设计原理可靠动作，同时避免元器件越级跳闸，控制电源分配柜元器件选型就显得尤为重要。

4.1 断路器的选型设计

为避免断路器越级跳闸问题，QF1最终选型为ABB公司生产的S752 DR-E63带选择性过电流保护断路器(SMCB)。该断路器过载脱扣采用的是双金属片，此种设计在下部短路电流达到其额定值后，在1ms内将会断开主触头，其线路的短路能量会通过辅助触头释放。

当短路发生在下级微型断路器的负载端时，因线路阻抗原因，其短路电流不可能太大，但这已足够使下级微型断路器脱扣。SMCB在此短路电流的电磁力作用下，主触点会断开，同时使辅助回路触点闭合，但不足以使SMCB脱扣机构脱扣。与此同时，辅助回路的限流电阻及其热元件会控制短路电流，既要允许下级微型断路器动作又不能使SMCB实质性脱扣。下级微型断路器切除短路电流后，SMCB主触点回复到闭合位置，辅助回路触点断开，继续提供电源。如果微型断路器拒动或不能分断时，选择性热元件使SMCB在稍加延迟后(小于300ms)脱扣。

当短路故障发生在SMCB的负载端时，其预期短路电流相当大，可能达到104A的水平。此时SMCB可承受其最大分断能力，短路电流电磁力驱动脱扣机构快速分断。

下级微型断路器采用ABB公司生产的S202-C6，该断路器与选择性断路器结合可以完美解决下级开关短路时越级跳闸问题。

4.2 电压监视器的选型设计

电压监测回路可以设计成多种模式，其中早期的设计为U、V相之间以及V、W相之间各安装一个电压继电器，同时再安装一个时间继电器作为动作延迟。随着电子技术的发展，电子继电器也越来越成熟，动作更可靠的电子式三相电压监视继电器成为首选。本次技术改造最终选用ABB公司生产的CM-PVS三相电压监视继电器。

其动作情况为：所有三相电压都正常，输出继电器动作。如果电压小于或大于设定阀值(该阀值可调)，输出继电器立即复位或延时复位(0.1～30s)，同时LED指示故障状态。当电压返回到设定阀值之内(加上固定迟滞5%)，输出继电器立即自动重新动作或延时动作(0.1～30s)。同时考虑到控制电源分配柜的供电稳定性，在设计时加入了时间继电器。通过三相电压监视继电器和时间继电器共同调节达到规定动作时间要求。

4.3 控制电源分配柜的试验数据

(1)三相电压监视器保护动作试验(模拟"晃电"情况)：欠电压保护延迟动作试验，设定值为300V，延迟5s后输出电源断开；缺相动作试验，在系统"晃电"情况下通过时间继电器延迟5s后输出电源断开；失压动作试验，在系统失电情况下通过时间继电器延迟5s后输出电源断开。

(2)UPS电源空载试验：UPS电源装置输入380V市电，UPS开机设置参数，测量输出回路电压值稳定输出，电压波形正常。

(3)UPS电源带载试验：在UPS输入电源故障情况下(电力系统电压正常)，UPS通过蓄电池能不间断可靠供给控制回路负载电源。

5 结束语

此次技术改造以后，经检测UPS电源各项参数、指标都符合电力系统要求，各控制电源分配柜运行稳定，电力电能质量符合供电要求，电控设备稳定运行。在设备投入运行后，2017年11月25日19：35左右，外网110kV系统发生"晃电"，系统电压突然产生波动，6kV系统电压短时间内从6.27kV迅速降至5.62kV。此次"晃电"除造成脱硫装置部分设备微机保护动作外并未造成其他变电所大面积系统停车。尤其是此次技术改造过的变电所，均未出现系统电压波动而造成低压设备误停车。

本次技术改造保证了现场电力电动设备控制电源供电安全可靠，同时也提高了供电设备运行稳定性，消除了电力系统短时电压波动无故跳车的隐患。