石化企业电压暂降危害分析及治理措施研究

马梦白

(中石化安全工程研究院有限公司化学品安全控制国家重点实验室，山东青岛 266104)

0 前言

石化企业供电系统具有电力网络结构复杂、供电连续性及可靠性要求高、电力负荷数量多且设备运行状态不一致等特点，在外电网及恶劣环境作用下发生故障的概率较高，极大干扰了工业生产过程的平稳性[1]。在实际生产过程中，一般除直接停电事故外，更多的影响表现为供电系统电能质量的降低。据美国电科院(EPRI)统计，电压波动占总电能质量事件比率高达92%[2]。

目前，国内外学者围绕电压暂降对工业常用敏感电气设备(交流接触器、变频器、PLC)的耐受能力测试、工业设备耐受力评估、电气设备防暂降措施等方面开展了大量的研究，但较少考虑到电压暂降对后续工业过程参数的影响，也尚未形成一套全面、科学的方法来指导石化企业进行电压暂降的治理。本文在充分考虑石化企业连续性生产等特点的基础上，提出电网级、设备级及工业过程级的电压暂降协同治理方法，有助于为工业用户提供更为全面的暂降治理思路。

1 石化企业电压暂降的原因及危害分析

1.1 电压暂降产生原因

通常情况下，系统短路、遭受雷击以及异步电机启动等因素会引发供电系统电压暂降[3]。

1.1.1 短路

外部电网在正常工作状态下，由于各类过电压、绝缘材料的自然老化、各类设备本身缺陷以及恶劣天气导致的杆塔破坏、异物跨接裸露导体、工作人员误操作等多种原因均会致使系统发生短路。如图1所示，ZS为PCC点到电源段线路阻抗与电源阻抗之和，ZF为配电网故障线路公共点到故障发生点之间的阻抗，流经电网负荷的电流可忽略不计。系统短路时，电流IS增大，ZS上的电压随之升高，致使公共连接点及其支路的电压减小，此时便出现了电压暂降现象。

图1 短路引起的电压暂降原理

1.1.2 变压器投入运行

变压器作为石化企业供电网络中使用频率最高的电气设备之一，主要执行不同电压等级之间的变换任务。如图2所示，变压器的铁芯磁场具有饱和效应，变压器开始运行时，将产生巨大的励磁涌流，从而引发大于正常情况的电压降，此时便会发生电压暂降。

图2 变压器投入运行导致电压暂降原理

1.1.3 感应电机运行

以感应电动机拖动的压缩机、风机和各类泵群为代表的设备是石化企业中的主要用电终端。感应电机在开始运行时，将从电力系统中汲取约为满负荷运行时5～8倍的电流，瞬时的大电流导致PCC节点电压突然下降，造成电压暂降现象。如图3所示，电机开始运行时，定子电流迅速升至额定电流的数倍。在其他负荷的电流可忽略不计的情况下，电压降随之升高，PCC点电压迅速降低，在感应电机进入稳定运行状态时回升至正常值。

图3 感应电机运行导致的电压暂降原理

1.2 电压暂降对石化企业的危害

电压暂降产生的危害主要表现在敏感设备和工业过程两个方面。

1.2.1 敏感设备

发生电压暂降时，较容易受到扰动从而发生工作状态变化的设备为敏感设备。目前石化企业受影响较大的敏感电气设备通常有线圈类设备(如交流接触器)、电力电子类设备(如变频器)以及直馈型异步电机等3类。

a) 交流接触器。作为一种电压敏感型设备，交流接触器起到电动机的通断与控制作用，在电压暂降的过程中可能会断开，导致生产中断，给企业带来巨大的损失。

当接通电源时，产生的电流将带来交变的磁通，此时交流接触器具备电磁吸力，吸力大小与电流呈正相关关系。交流接触器为感性负载，当发生电压暂降时，电感电流缓慢减小，线圈吸力随电流的减小而减小。当电流持续减小到使得弹簧拉力FL大于电磁吸力FX时，交流接触器脱扣。

b) 变频器。变频器在石化企业中被广泛用于调速与节能。一旦电网发生电压暂降，便会使得接入电网的变频器直流母线低电压保护动作，从而使变频器处于停机状态。但工业流程因其连续性的特点无法容许系统中断。

低压变频器主要由整流部分、直流稳压部分、逆变部分和控制回路部分组成[4]，如图4所示，Urec为整流电路输出电压，Udc为直流侧电压，i为整流电路输出电流，iinv为逆变电路输入电流，uA、uB、uC为三相输入电压，uU、uV、uW为三相输出电压，C为直流稳压电容，L为平波电感，g1～g6为逆变器件控制信号。

图4 变频器拓扑结构

直流侧电容中所存储能量的损失与负载消耗的能量相同：

(1)

式中：U0——暂降发生前的直流母线电压，V；

Udc(t)——暂降过程中t时刻的直流母线电压，V；

PL——负载功率，W；

C——直流侧电容，F；

t——时间，s；

若变频器不触发低压保护动作的最低电压为Umin，则其对应的耐受时间为：

(2)

由式(2)可知，低压保护整定值设置越低，时间越长，其可耐受的电压暂降深度越大，暂降耐受能力也越强。

在电压暂降后，恢复到正常值的输入电压对电容快速充电导致产生冲击电流，大概率也将使过电流保护发生动作。在实际生产过程中，上述情况时有发生，对其进行如下分析。

对图4中的L、C分别列写KVL、KCL方程，如式(3)所示：

(3)

式中：L——平波电感，H；

Urec——整流电路输出电压，V；

i——整流电路输出电流，A；

iinv——逆变电路输入电流，A。

根据式(3)，假设逆变电流iinv在暂降恢复瞬间保持不变，并且t=0时，暂降结束，因此最大充电电流Δi的近似解为：

(4)

(5)

由上述过程可看出，充电电流最大值与暂降恢复时的直流电压变化量呈正相关，因此过电流保护与低电压保护存在关联。假设低电压保护整定值过小，尽管电压暂降时低电压保护并未动作，暂降结束后由于电压突变量过大，较大的充电电流也可能使过电流保护动作从而导致变频器跳闸。

c) 直馈型异步电机。石化企业供电系统中，一般将需要恒转速运行的电机直接连接到电网，称为“直馈型异步电机”。 低压机泵一般以异步电机作为驱动电机运行。电压暂降对直馈型异步电机的影响一般体现在转速上。

图5 感应电机转速变化

1.2.2 电压暂降对敏感工业过程的影响

对于石化企业来说，直接表征工业过程运行状态的参量是过程参量(温度、压力、流量等)。因此，除电参量外，过程参量的变化也是工业用户关注的重点。电压暂降导致设备失效后，由设备输出的相关过程参量开始发生变化，直至其超过工业允许的限制，引发联锁，最终导致工业的实质性中断。

一般用过程免疫时间(Process Immunity Time，PIT)来度量工业过程对电压暂降的响应速度及免疫能力[6]。如图6所示，电压暂降于t1开始，Δt时间后过程参数开始变化，TPIT表示从电压暂降起始至过程参数到达设定阈值时的时间。当暂降持续时间小于Δt时，过程完全正常；当暂降持续时间介于Δt与TPIT之间时，过程参数未降低至阈值，若此时电压恢复则工业过程可自动恢复；当暂降持续时间大于TPIT时，过程参数降低至阈值以下，工业过程中断，需要人工恢复。

图6 过程免疫时间示意

2 石化企业电压暂降治理措施研究

对石化企业电压暂降问题进行治理，其本质在于解决供电电压水平与用电设备电压暂降耐受能力的兼容性问题[7]。工业过程受电压暂降的影响程度不仅与自然因素、电网结构相关，同时也与电气设备耐受性能及工业联锁条件相关，其治理措施的研究可从电网侧与用户侧两个方向开展，用户侧又可分为设备级与工业过程级。

电压暂降发生后，从时间角度看，暂降持续时间、敏感设备响应速度、继电保护整定时间以及过程参数的变化速率之间的协同配合关系是暂降治理能否取得成功的关键；同时，从空间角度看，仅考虑其中一级的治理措施很难取得良好的治理效果，只有从电网级、设备级以及工业过程级等3个维度入手、构筑多层防线，才能保证暂降治理的有效性。

为降低电压暂降对石化企业正常生产造成的影响，结合其供电系统的特点，形成石化企业电压暂降协同治理技术，其框架如图7所示。

图7 石化企业电压暂降治理技术框架

2.1 电网级治理措施

由外界因素及电网低可靠性引起的电网侧故障是致使电压暂降发生的根本因素。

电网级电压暂降治理可从降低由故障引起的电压暂降发生的频率以及增强应对能力两方面切入。采取治理措施以减少电网故障次数是最直接和最根本的治理手段。基于电气设备易受雷击等恶劣天气影响的特点，可针对性地对电气设备进行定期的绝缘性能检测、预防性检查及设备周期性维护。输电线路两侧树木修剪、加装避雷器等方式可有效提升系统的可靠性，减少系统因外界因素引起的短路故障。

通过改变电网运行方式、提升电网韧性，增强电网应对突发故障的能力，使电力系统能够在故障发生后迅速恢复断电负荷。目前备用电源常用的机械切换开关具有动作时间长、触头易产生电弧等局限性，用固态高速切换开关(Solid State Transfer Switch，SSTS)替代机械切换开关是提升供电系统应对电压暂降能力的有效方式之一。当电压值发生非正常变化时，SSTS可快速(5～12 ms)切换至另一路电源，从而保证供电连续性。双单元SSTS拓扑结构如图8所示。

图8 双单元SSTS拓扑结构

该方案具有改造简单、体积小且在开关过程中不产生电弧的优点[8]，在进行电网级电压暂降防控时，仅需要将SSTS串接在原供配电网络中。

此外，在石化企业中通常对重要负荷设置继电保护装置，电压暂降的发生将会触发设备的保护装置动作，从而造成设备断电。继电保护整定时间与暂降持续时间之间存在对应关系，而在给定幅值的电压暂降作用下，生产过程受影响程度取决于暂降持续时间与过程免疫时间的对应关系。因此，保护动作时间与过程免疫时间是判定过程是否会受暂降影响的关键指标。为降低电压暂降对生产过程的影响，需在考虑设备耐受度及生产过程免疫特性的基础上，合理优化从总变到各馈线的梯级保护及发电机保护的定值，注意暂降发生时电气、设备、工业之间的关系，从而缓解电压暂降带来的危害。

2.2 设备级治理措施

设备级治理的目标在于增强敏感设备的耐受能力，即在产品设计阶段即考虑其与供电电压水平之间的兼容性问题[9]。现有针对电压暂降问题的研究通常较少考虑到用户侧的需求，因此，在产品设计阶段，设备制造商若能充分考虑大型工业用电用户对于供电连续性及设备电压耐受水平的高要求，面向石油化工企业定制生产耐受水平较高的设备、通过调整内部某些环节参数及电压检测方式提升设备抗电压暂降的能力等，对于提升石化企业供电系统抗晃电能力具有重要的意义。

针对电压暂降对400 V机泵控制回路的影响，可通过对工业过程中控制关键机泵的交流接触器加装储能装置、采用DC-BANK直流支撑技术以及利用电机自启动技术等分别提升接触器、变频器、低压电机对电压暂降的抗扰动能力。

2.3 过程级治理措施

过程级治理措施的目的之一是在电压暂降已经造成电气设备失效的情况下，延缓过程参数的变化速率，避免其在设备重启前降低至规定限值以下(如油温、油压联锁)[10]。如图9所示，曲线c与曲线c′分别表示采取过程级治理措施前后的PIT曲线。

图9 过程级治理措施前后的PIT曲线

过程级治理措施包含提高厂务设施与外界的绝缘特性、对关键机泵增设UPS电源、在管线上加装蓄能器以及增加中间环节储能等方式等，有效延缓过程参数的变化速率。

动态电压恢复器(Dynamic Voltage Regulator，DVR)作为连接在电网级及敏感电气负荷之间实现电压暂降补偿的电力设备，可以在系统发生电压暂降时，在毫秒级的时间内投入运行，对母线电压进行有效补偿[11]。

如图10所示，DVR检测单元实时检测到母线电压暂降发生时，将暂降特征量输送至控制单元，控制单元基于相应的补偿策略生成参考电压，并快速计算出参考电压与电网侧电压的差值，利用动态电压跟踪控制方法生成PWM信号控制逆变单元的工作并从储能单元获取能量从而产生所需的补偿电压，通过滤波单元滤除高次谐波后保留负荷电网正常工作所需的补偿电压，最后通过耦合单元实现补偿电压和电网侧电压的叠加使母线电压恢复正常。使用DVR及快速切换对母线进行配合治理，结合负荷的PIT曲线，可降低在开关切换过程中的敏感设备跳闸的可能性。

图10 动态电压恢复器拓扑结构

3 结论

a) 石化企业电压暂降主要由短路故障、企业变压器投切及感应电机启动3个主要原因引起。

b) 电压暂降会对敏感设备及工业过程产生直接或间接危害，可能导致敏感设备跳闸停机、转速下降，引发工业过程参数发生波动，最终导致工业联锁、装置非计划停工。

c) 单一手段的暂降治理措施较难取得良好的治理效果，充分考虑电网、设备及工业过程之间的协同配合关系，建立一套适用于石化企业的协同治理技术是进行暂降治理的有效途径。