浅析抗晃电技术在化工企业的应用

王德州，王德亚

(1.枣庄杰富意振兴化工有限公司，山东 枣庄 277000；2.枣庄学院，山东 枣庄 277000)

“晃电”现象是化工企业电力系统中经常出现的问题，会引起瞬间断电或电压骤降。“晃电”现象影响化工企业生产系统正常运行，对化工企业安全生产造成严重威胁。本文通过对“晃电”产生的原因、特点、危害等分析,结合我公司化工生产的特点及抗晃电技术的应用，为其他化工企业解决晃电故障提供技术方面的参考。

1 晃电的概念

电压有效值降至标称值的10%至90%称为电压暂降/骤降，持续时间为10 ms至1 min(典型持续时间为10～600 ms)的电能质量事件之一。电压暂降如果比较严重，将使用电设备停止运行，或引起所生产系统紊乱和瘫痪，或导致生产系统非计划停车。

引起电压暂降的原因大体可分为三类，第一类是电力系统原因：当输配电系统发生短路故障、感应电机启动、开关操作、变频器以及电容组的投切等事件；第二类是自然原因：雷击、暴雨、暴雪等；第三类是无法预料的偶然因素：人为操作失误、建筑施工造成输电系统损坏等等。其中，引起电压暂降的主要原因是短路故障、感应电机启动和雷击。保护装置会因雷击时造成的绝缘子闪络或对地放电而发生动作，导致供电电压暂降。这种暂降波及范围广，持续时间大于100 ms；电机全电压启动时，需要从电源汲取的电流值为满负荷时的500%～800%，这一大电流流过系统阻抗时，将会引起电压突然下降；短路故障可能会引起系统远端供电电压较为严重的跌落，化工生产过程中对电压敏感的电气设备的正常工作会受此影响，发生生产系统瘫痪停车，造成严重的经济损失。

2 有关电压骤降之国际标准

国际电气与电子工程师协会(IEEE)将电压暂降定义为供电电压有效值下降到额定值的90%～10%，持续时间为10 ms～1 min；国际电工委员会(IEC)将其定义为下降至额定值90%～1%，持续时间为10 ms～1 min。两大主流对于电压骤降的定义与规范基本一致，都属于电压骤降的定义范围。

3 晃电的成因

导致晃电现象的原因是多方面的，比如说:突如其来的雷击;外界物体的接触;疾风及其他自然环境影响导致的线路故障;备用电源切换故障所引发的现象等。所有这些故障会引起电力设备瞬间断电或电压突然下降，目前，仍是电力系统无法完全避免的，不能彻底解决的难点，晃电现象发生概率远高于完全停电。

4 晃电的特点

一是突发性，无法事先预知；二是短暂性，维持时间只有仅仅 1～2 s，甚至到几百微妙。虽然发生时间短，但却后果严重。

5 晃电的危害

“晃电”发生时，由于电压的降低,电机运行电流增大，易引起电气设备发热，造成设备故障，同时会使接触器释放，从而造成大量电动机的跳机；在使用变频器控制的场合在电源“晃电”比较严重时，会触发变频器低压保护动作，设备停止运行，生产装置安全生产受到严重威胁。大部分的低压电动机是由接触器控制，普通接触器会因供电系统的短暂失压工作在临界释放区或者立即释放。通常当电压低于线圈额定电压的50%，时间超过一个周期时接触器释放；当电压低于额定电压80%，持续五个周期时接触器也会释放。晃电过后，电动机失电停止运转。母线恢复正常后，需要人工去逐台恢复开启，浪费大量的时间，使得生产被迫中止。这种现象尤其是对连续性、不间断生产系统，造成严重损害。

我公司作为苯酐(邻苯二甲酸酐)生产的化工企业，深受“晃电”威胁。由于我公司苯酐生产系统安装使用了SIS系统(Safety Instrumented System 安全仪表系统)，一旦遭受“晃电”影响，不允许停顿设备(2台变频熔盐泵)发生停顿并且触发SIS连锁，从而导致生产系统瘫痪，装置停车。据统计，2017年全年因雷雨天造成“晃电”导致苯酐停车事故高达7起，给公司造成约150万元的损失。

6 抗晃电技术的应用

6.1 概念

抗晃电技术，旨在防止电源电压发生晃电时暂时跌落或者消失，一般维持在很短的时间内，让电源电压不会出现间断，设备持续运行的技术。这种技术应用于化工企业生产过程设备，这些设备极易受到电压暂降的影响，因为设备内任何一个元件由于电源出现问题都会使整个流程停止运转。常受电压暂降影响的重要设备有可编程逻辑控制器(PLC)、可调速驱动装置、冷却装置控制、机械装置、直流电机驱动等。

6.2 主要技术

针对晃电突发性、短暂性特点，现介绍以下抗晃电技术进行交流探讨：

6.2.1 分批自启动技术

分批自启动技术是通过断电延时时间继电器来实现的，时间继电器因为失电而延时断开，电压在整定时间内恢复正常，电动机启动回路因时间继电器的延时触点而接通，电机重新二次启动。

缺点：控制线路太过繁琐，时间同步很难做到，只能控制单台设备，针对我们公司生产装置，并不适用。

6.2.2 PLC控制分批自启动

电动机顺序控制启动系统的核心是一套稳定可靠的PLC(可编程控制器)，在系统运行前，整个系统的控制逻辑是已输入至PLC的CPU模块的RAM存储区，PLC失电后程序和数据的记忆由一粒3.6 V的锂电池维持。该系统可对电动机在发生“晃电”恢复后，按照设定程序对被控电动机群分批次按排序实现连续自动快速二次启动。

母线电压被电压变送器转换为直流信号，输入单元将直流信号转换为数字信号，最后送给CPU模块进行比较计算，判定电压是否异常。母线电压和电动机状态被控制单元采集完成后进行逻辑分析判断，接受操作指令，各电机启动命令顺序输出，执行单元接受控制单元指令，执行顺序启动电机指令。

此系统维护操作可靠方便，主要应用在电动机负荷较集中的变电所，对于电动机负荷较分散的变电所，成本较高，根据分析，针对公司苯酐生产系统特点，不适用。

6.2.3 节能型交流接触器应用

节能型交流接触器能够在85%～110%Ue的额定电压值吸合，在20～75%Ue的额定电压值释放，能避免部分电压下降产生的晃电影响。但对于电源在短时间内发生中断的情况无济于事，所以在抗晃电功能上并未广泛应用。

6.2.4 MUPS

MUPS型电动机不间断电源是低压电动机群的不间断电源系统。适用于连续生产的化工生产工艺装置。当主电源失电后，MUPS将确保关键电动机组继续运行使生产过程中有时间紧急处理、安全停车或继续运行。

MUPS在电网发生晃电时给变频器直流母线提供补偿电压，保证其电压不会发生瞬间跌落或者消失，变频器正常运行免受影响。原理简图如下所示。

我们通常使用变频器的本身都具有捕捉再启动、断电后自动启动及故障后自动再启动功能，这些功能进行调节控制电动机，而不加装MUPS，我们公司苯酐生产装置设备熔盐泵本身已经加装变频器，已具备此功能，所以没有必要加装MUPS。

6.2.5 抗晃电自控技术

1)针对公司苯酐生产系统特点，经公司领导研究决定，采用直流电源结合PLC、通讯模块、检测元件、保护元件等组成一套完备的抗晃电自控系统，如图1、2所示。

图1 抗晃电自控系统示意图

图2 变频抗晃电直流电源系统示意图

2)控制过程：变频器由在线互动式直流电源负责提供补偿电源，正常情况下直流电源通过控制系统给变频器直流母线提供热备电源，直流电源控制系统只能单向给变频器提供电源，变频器直流电源不能反向供电。直流电源系统配有一组免维护蓄电池，确保晃电电压跌落时变频器直流电压保持不变，使得正在运行的变频器晃电时继续运行。在系统供电母线端取一路电源连接到智能晃电检测控制器及电压变送器。由晃电控制器检测出晃电现象，并输出信号至 PLC，发出晃电报警。晃电控制器可根据实际情况设定 “晃电”允许时间 Tm(0.1～3.0 s)。由电压变送器检测母线电压，并输出信号至 PLC，PLC 对采集到的信号实时进行分析判断电网是否停电，如停电发出信号断开直流输出电源。

3)电机再启动实现。在原电机控制柜内变频器直流母线端，通过电缆将热备直流电源引至变频器直流端子。直流供电控制系统，确保晃电时变频器可继续运行。由变频器进线接触器新增 1对常开辅助节点引至端子，再通过电缆连接到 PLC 控制系统，作为晃电系统反馈运行状态信号。

6.3 实际应用

图3为我公司安装使用抗晃电自控技术后发生晃电时系统工作记录。

图3 抗晃电系统的工作记录

当我公司苯酐装置正常运行电机遭遇“晃电”时，不允许停顿设备(2台变频熔盐泵)，用直流不间断电源给变频补偿电源，确保在晃电欠压出现时变频器仍能继续运行，电机在规定最低转速以上运转，以保证监控电流继电器不动作，实现设备持续运转，不会触发SIS系统(Safety Instrumented System 安全仪表系统)，从而保障装置不跳车。自2018年4月份苯酐抗晃电系统完成后，夏季遭受雷电冲击3次，上级变电站重合闸1次，均未对苯酐生产系统造成影响，直接为公司挽回约88万元的损失，此次抗晃电技术的成功应用彻底避免了我公司苯酐生产系统在遭遇“晃电”时造成的停车。

7 结语

电力系统一旦发生“晃电”现象，大多会导致化工生产装置局部停车或整体停车，从而引起生产系统瘫痪，给企业带来重大的损失，本文介绍的几种抗晃电技术希望能够为不同类型不同特点化工企业在解决“晃电”问题时提供技术方面的参考，避免或者减少“晃电”造成的危害及损失。