石油炼化企业电力系统抗晃电设计研究

石油炼化企业电力系统抗晃电设计研究

艾雄伟

（塔里木油田塔西南勘探开发公司电力工程部新疆泽普844804）

摘要：分析“晃电”对石油炼化装置电力系统影响，利用新技术，新科技，从项目设计前期开始研究石油炼化企业装置系统安全稳定长周期运行，优选电力系统高低压设计方案，提出了石油炼化企业装置电力供电系统抗晃电功能设计研究，发挥抗晃电设计作用，防止因电力系统晃电造成石油炼化装置停车、停产发生，保证石油炼化企业在受到电网波动（晃电）时不造成生产装置停车，提高中国石油炼化企业的经济效益，具有深远的意义。

关键词：石油炼化装置；供电系统；抗晃电设计；晃电

1引言

电力系统晃电会严重干扰供电系统的稳定性。“晃电”短短的数秒钟，但对炼化企业而言就是灾难的几秒钟，它会造成设备连锁停机、工艺条件破坏、循环冷却机组停用、装置自保，造成石油炼化装置停车或局部停车，进而导致生产过程紊乱，轻则导致生产原材料不必要的浪费、生产设备损毁，其不仅影响装置生产的连续性正常运行，重则酿成重大的人身伤亡安全事故，造成无法挽回的经济损失，严重影响石油炼化企业的经济效益。因而，石油炼化工项目建设设计初期，研究电力系统安全稳定运行方案，优选电力系统高低压抗晃电设计，防止因电力系统晃电造成石油炼化装置停车、停产发生，保证石油炼化企业在受到电网波动（晃电）时不造成生产装置停车，提高中国石油炼化企业的经济效益，具有深远的意义。

2“晃电”对石油炼化装置电力系统影响分析

2.1晃电对石油炼化装置变配电所影响

晃电引起电力系统电网电压波动，会造成变配电所母线出现电压降低（欠压），因6~20KV母线的保护一般由变压器的后备保护来实现对母线的保护，变压器及用电设备低电压整定值设定过高的情况下，用电设备的电压低于整定值且超过整定时限的情况下，低压保护装置发出动作命令，造成进线开关因低电压误动作，母线失电配电所母线上所带设备全部停电。

2.2晃电对石油炼化装置大型机组影响

电网波动对大机组油站（油泵）电机和冷却水站电机稳定运行产生影响，进而影响大机组运行，因石油炼化装置系统关键大机组使用高压电机作为动力驱动机组运行，而大机组润滑油系统中的油站（油泵）电机和冷却水站电机是由交流接触器控制其运行的，当电网出现波动时，由于电压下降或中断，交流接触器线圈对铁心的吸引力小于释放弹簧的弹力使得接触器释放，导致大机组油泵电机、冷却水站电机跳闸，油泵和冷却水泵停止工作，使大机组油压低仪表联锁参数将联锁高压电机立即跳闸停机，致使关键大机组非计划停车，造成不必要的损失。

2.3晃电对石油炼化装置高压电动机影响

石油炼化企业装置的各类主风机、压缩机的驱动动力是高压电动机，高压电动机的低电压保护根据需要来确定是否装设，在实际生产中多数装设了带短延时的低电压保护，低电压保护定值一般设定为额定电压的65%～70%，不重要的电动机动作时限为0.5s，重要的电动机的动作时限一般为3S。当电网晃电持续时间超过保护装置的低电压整定时限定值时，低电压保护延时跳闸，机组停机。

2.4晃电对低压电动机控制回路接触器影响

低压电动机是炼化企业的主要拖动设备，占了大约90%以上的比例，也是晃电的主要影响对象，晃电由于电压降低，会导致电动机过电流，从而使电动机热保护动作跳闸。在实际生产中，晃电导致电动机过电流的情况出现得不多，在晃电过程中，虽然电流增加但由于晃电时间很短（通常为100ms以内），电动机发热不足以影响电动机的绝缘，因此因晃电造成过电流引起电动机跳车的次数很少，在大量场合应用的交流接触器受晃电影响释放跳闸的情况出现得相对很多，瞬间的电压波动将造成数百台电动机跳闸、设备停机，电网电压恢复后电机不能自行恢复运行，导致连续生产过程紊乱，并有可能造成生产及设备事故，而最终造成电机跳闸的原因是交流接触器的释放。

石油化工企业低压电动机大部分都是由交流接触器控制，出现晃电时，由于电压下降或中断，接触器线圈对铁心的吸力小于释放弹簧的弹力使得接触器释放，主触头断开，导致大批电动机停机，影响装置的连续运行，造成巨大经济损失。根据国家有关文献介绍，一般交流接触器当电压低于线圈额定电压的50%时，时间超过一个周波时接触器释放，当电压低于80%，持续五个周期时接触器也释放。电机跳的原因是交流接触器失去控制从电源脱开造成的。

2.7晃电对变频器的影响

当电网“晃电”变频器的逆变器件为GTR时，一旦失压（指电压下降到额定电压的70%，个别变频器为76%）或停电，控制电路将停止向驱动电路输出信号，使驱动电路和GTR全部停止工作，电动机将处于自由制动状态；逆变器件为IGBT时，在失压或停电后，将允许变频器继续工作一个短时间td（对于td有两种规定方法，一种具体的规定时间，如15ms；另一种规定为主电路的直流电压下降到原值的85%所需的时间），若失压或停电时间to<td，变频器将平稳过渡运行；若失压或停电时间to>td，变频器自我保护停止运行，使变频器调速的电动机停止运行，造成装置设备停机，生产中断。

2.8晃电对石油炼化装置其它影响

炼化装置工艺流程中有些关键电磁滑阀、电磁阀、电动阀、监视监控、在线分析测控等用电负荷影响，当电网晃电电磁力矩降低，使用中电磁滑阀和电磁阀误动作，从而引起装置停车。

3石油炼化装置抗晃电设计研究

3.1石油炼化装置电源总变电所可靠性设计

3.1.1电压等级选择

在设计电源电压等级选择时根据石油炼化企业所在地，选择当地国家电网电压等级高，且稳定的电网接入点，相对我国电网运行安全要求，电压等级越高安全稳定越好，要采用工业电网，避免用农村电网或者工农混用，可靠性太差。

总变电所次级电压等级设计选择时，根据国家电气设备设计标准和降低能耗，逐渐淘汰6.3KV级电气设备，选用10KV级电气设备，满足石油炼化企业装置送电距离要求。

3.1.2双电源进线电源设计，提高进线电源互为备用能力

根据石油炼化装置生产特点及物料性质的要求，石化企业总变电站电源应满足《供配电系统设计规范》（GB50052-2009）中一级负荷的要求，当一电源发生故障时，另一电源不应同时受到损坏，即相对独立的双电源供电，（双重电源可以是分别来自不同电网的电源，或来自同一电网但在运行时电路互相之间联系很弱，或者来自同一个电网但其间的电气距离较远，一个电源系统任意一处出现异常运行时或发生短路故障时，另一个电源仍能不中断供电，这样的电源都可视为双重电源。）在敷设时电源架空线路应采用不同的路径，即同一变电站的两路电源架空进线不能同塔架设；当为电缆进线时，应走不同的路径，若不能满足不同路径而采用同一路径时，应进行防火分隔，并应采取防止两回路同时遭破坏的措施。一级负荷中特别重要的负荷（通常大机组润滑油泵、消防负荷等）的供电除由双重电源供电外，尚需增加应急电源，应急电源的要求与电网不并列的、独立的应急电源供电（通常指企业自备的柴油发电机。

变电站主接线应设计为单母线分段形式，各电压等级两段母线之间设置快切装置（备用电源自动投入装置无法满足电动机对中断时间的要求），正常运行时一般变压器分列、母联分段运行，也可两条进线分别带单母线并列母联合闸运行，当分段运行时当一路电源出现故障或因晃电断路器退出时在100ms内实现两路电源达到无缝切换，对下级变电站不发生晃电，但快切装置一定要加过流闭锁，防止切换至故障线路，造成系统全部停电，扩大停电范围；任一电源满足装置满载运行要求，实现各种运行方式满足装置生产需求，提高电源互为备用的可靠性成为设计石油炼化装置安全、稳定运行的首要前提。

3.1.3系统备用容量满足晃电对系统冲击

选用线路导体的长期允许电流不得小于该回路的持续工作电流。对于断路器、隔离开关、组合电器、封闭式组合电器、金属封闭开关设备、负荷开关、高压接触器等长期工作制电器，在选择其额定电流时，应满足各种可能运行方式下回路持续工作电流的要求。不但满足正常运行时、事故情况下的的容量要求，还要满足事故启动容量的要求。高压电器在制造通常以坐高环境温度不高于40℃海拔不高于1000m制造，故选型时一定要根据当地的最高温度和海拔进行修正，防止容量不够带不起全部负荷的要求。

3.1.4进线线路保护、快切切装置、系统安保自动减载补偿设计

两条进线供电线路设计光纤纵差保护和各级母线分段处的快切装置（不能采用备自投达不到生产要求）启动方式相结合，作为一个重要技术措施之一加以执行，特别是上下级电源快切的配合，一般原则是上级检测到电压晃动，上级动作，下级不动，防止误动和拒动，至于配合原则不能采用“备自投”的时间差概念来实现，那会失去快切的优越性，这就需要上下级快切的通讯必须实施迅速和可靠、无干扰，以及设计系统安保低周减载系统，当系统晃电或不稳定时，实现低频自动减载和自动电压调节补偿，提高石油炼化装置企业供电系统的抗内部“晃电”的能力非常重要。

3.1.5集中自动化监控系统设计

总变电所自动化监控系统设计有常规和智能变电站综合自动化系统，能实现总站远方监控、测量、显示开关状态、五防操作、语音提示报警、历史数据记录，同时实现各装置区变配电所子站综合自动化系统的远方监控、测量、显示开关状态、五防操作、语音提示报警、历史数据记录，满足继电保护装置、快切装置、系统安保装置、电度表、直流屏、UPS电源、电电机综合保护、低压电机晃电停机分批自启装置等智能设备监控。

3.1.6直流电源和监控系统UPS电源设计

变电站中的电力操作电源直流电源设计，它为控制负荷和动力负荷、开关分合闸及二次回路中的仪器、仪表、继电保护以及直流事故照明负荷等提供电源，是变配电站抗晃电的重要设计措施，电力系统控制、保护的基础。监控系统UPS电源设计为集中自动化监控系统中电脑、各种功能模块提供稳定交流电源，实现电力系统晃电和不稳定时电源可靠，石油炼化装置要求直流电源和监控系统UPS电源保障1.5小时正常供电。

3.2装置区域变配电系统设计

3.2.1装置区域变配电系统电压等级选择

装置区域电压等级设计选择时，根据国家电气设备设计标准和降低能耗，逐渐淘汰6.3KV级电气设备，区域负荷集中，选用10KV级电气设备，满足石油炼化企业装置送电距离要求，低压0.4KV设计送电距离要求内，装置区域内的电气设备的电压等级根据功率、电气设备的投资、电缆的投资及运行成本、供电半径（电器设备正常运行的电压偏差要求）等即总费用来选定该设备的电压等级。

3.2.2装置区域变配电系统双电源进线电源设计

装置区10KV配电室双电源进线电源设计，提高进线电源互为备用能力，设计做到两条进线分别带单母线分列运行，母联分段运行，加装双向电源快切装置，达到100ms内实现两路电源达到无缝切换，不发生晃电；单线路带载容量满足区域装置满载运行要求，也可两条进线分别带单母线并列母联合闸运行，实现各种运行方式满足装置生产需求。

低压0.4KV配电室设计采用双干式变压器（10/0.4KV），两变压器低压出线分别带低压单母线分列运行，低压母联分段运行，加装双向电源快切装置，达到100ms内实现两路电源达到无缝切换，不发生晃电；低压单线路带载容量满足区域装置满载运行要求，也可两条进线分别带低压单母线并列运行，低压母联合闸运行，实现各种运行方式满足装置生产需求。提高电源互为备用的可靠性成为设计石油炼化装置安全、稳定运行的首要前提。

3.2.3区域系统备用容量满足晃电对系统冲击

线路额定载流量、开关载流量、变压器容量设计满足晃电和系统不稳定所有电机启动的容量要求，严禁发生晃电时一条进线电源线路、进线开关和一台主变压器不能带全部负荷的现象，提高石油炼化装置安全、稳定运行的基础。

3.2.4装置区域进线线路保护、快切切装置、系统安保自动减载补偿设计

装置区内部线路一般都是不到2km的短线路，短路电流曲线比较平缓，因此10KV配电室两条进线供电线路设计光纤纵差保护和快切装置启动方式相结合，作为一个重要技术措施，以及设计系统安保低周减载系统，当系统晃电或不稳定时，实现低频自动减载和自动电压调节补偿，提高石油炼化装置企业供电系统的抗内部“晃电”的能力非常重要。

3.2.5区域集中自动化监控系统设计

区域配电自动化监控系统设计有常规和智能子站变电站综合自动化系统，能实现上传总站远方监控、测量、显示开关状态、五防操作、语音提示报警、历史数据记录，实现装置区变配电所无人值守，满足继电保护装置、快切装置、系统安保装置、电度表、直流屏、UPS电源、电电机综合保护、低压电机晃电停机分批自启装置等智能设备监控。

3.2.6区域直流电源和监控系统UPS电源设计

区域配电室电力操作电源直流电源设计，它为控制负荷和动力负荷、开关分合闸及二次回路中的仪器、仪表、继电保护以及直流事故照明负荷等提供电源，是变配电站抗晃电的重要设计措施，电力系统控制、保护的基础。监控系统UPS电源设计为集中自动化监控系统中电脑、各种功能模块提供稳定交流电源，实现电力系统晃电和不稳定时电源可靠，石油炼化装置要求直流电源和监控系统UPS电源保障1.5小时正常供电，满足石油炼化装置要求。

3.3关键大机组设备抗晃电稳定设计

装置关键大机组在石油炼化装置中必不可少的重要设备，是工艺流程中的一环，其能否实现长周期安全运行，关系到整套装置安全长周期生产，装置关键大机组设备运行关键在于润滑油系统设计和辅助系统设计。

3.3.1关键大机组设备润滑油系统抗晃电设计

装置关键大机组设备运行关键在于润滑油系统设计，目前国内装置关键大机组设备滑油系统设计基本为低压电机带油泵提供润滑油起到润滑作用，当系统晃电或不稳定时，滑油电机跳闸，滑油压力低造成关键大机组停机。因此装置关键大机组润滑油系统设计时，考虑尽可能减少影响关键大机组运行的因素，做到辅助系统稳定，应设计滑油系统主要油泵和次要油泵，主要油泵为关键大机组本体动力驱动的机械齿轮油泵，次要油泵为低压电动机驱动；当关键大机组启动或停机时，启动次油泵运行提供机组滑油；当关键大机组正常运行时，由关键大机组本体驱动的主油泵工作，次油泵停运，发生主油泵故障时启动次要油泵运行，使关键大机组设备润滑油系统不受晃电影响，保障关键大机组稳定运行；若关键大机组无法设置机头泵时，应设置2台润滑油泵，则2台润滑油除了防晃电模块、仪表自起之外还有设置电气联锁，当运行电动机停机，备用电机立即自起，保证润滑系统的稳定。

3.3.2关键大机组设备辅助系统抗晃电设计

关键大机组设备辅助系统有冷却水站等附属配套设施，其是否能够抵抗晃电时电网波动对关键机组稳定运行产生的影响，将辅助系统两台主备泵之间增加电气互锁自起设计，正常运行时发生主泵故障停机立即自动起备用泵运行；电动机设计具备有“晃电”自起动功能，在这些关键地方设置防晃电模块，在晃电时使交流接触器按设定的时间延时脱扣，而不影响正常分合闸操作和保护动作。在晃电时使交流接触器不脱扣，按设定时间延时脱扣，有效抵御系统由于雷电、电源切换、自动重合闸、分支故障等引起“晃电”造成的影响。“晃电”时使交流接触器不脱扣，线圈无需再向系统吸收吸合功率，有利于电机快速恢复正常运行，降低了自起动电流；而且智能模块自身损坏，交流接触器仍可通过原电路控制，不影响用户正常使用。还需要设置仪表联锁启动功能和电气联锁启动功能。

3.4UPS电源系统抗晃电设计，

UPS电源在石油炼化装置中为安全仪表（联锁）系统（SIS）、分散型控制系统（DCS）、可编程程序逻辑控制器（PLC）、监控和数据采集系统、仪表及自动控制系统、与操作和安全相关的重要在线分析仪表、火灾及可燃气体和有毒气体检测系统（FGS）等等特别重要一级负荷，保证这类负荷电源不中断，满足SH/T3082-2003《石油化工仪表供电设计规范》要求。设计采用两台大容量UPS电源，并实现热备冗余式UPS供电系统，在两UPS进线电源设计自动切换开关（STS）接在不同系统两电源上，旁路和检修开关事故应急电源上，两UPS输出分别接入数字式静态开关（DSTS）上，实现互为备用，切换时间小于4ms；UPS电源能保障1.5小时正常供电设计。

3.5监控系统抗晃电设计

石油炼化装置中安全仪表（联锁）系统（SIS）、监控和数据采集系统作为指挥、控制安保中心，目前国内大多数采用一套这样监控系统，而国外采用两套系统，做到双冗余，一套出故障时另一套系统立即运行来保证装置安全长周期运行，因此在设计时应做两套监控系统设计，电源采用直流电源或接入UPS电源。

3.6仪表检测及自动控制系统抗晃电设计

工艺流程中各种参数（如温度、压力、流量、液位）过程的测量，并实现必要的数据处理，是实现各种控制作用的手段和条件，是装置安全运行的基础，将检测得到的数据进行运算处理，实现被控变量调节，使装置平稳运行。设计时考虑仪表现场安装条件、环境条件、有无抗振动措施，如何避免单只仪表故障，引起装置停机停产事故发生，在石油炼化装置安全仪表检测控制设计采用三选二，电源采用直流电源或接入UPS电源，做到装置安全长周期运行。

3.7低压系统抗晃电设计

抗“晃电”种类虽然较多，但原理无外乎以下两种：一是保持接触器在失电一定时间内不释放；二是使已脱扣的接触器在电压恢复后自动重合，以便在供电恢复后自动重起电动机。属于前者的主要有防晃电接触器、防晃电辅助电源模块和利用不间断电源UPS给接触器操作线圈供电等，属于后者则主要为采用具有欠电压重起功能的低压电动机综保装置和低压电动机自起动装置等。低压电动机的抗晃电的选择根据工艺的需要以及电要求分批启动的要求选用不同的模块来实现，为保证按工艺或安全条件下不允许自启动即次要电动机装设瞬时动作的低电压保护，不允许启动的重要电动机，应装设短延时的低电压保护，其时限科取0.5~1.5S，按工艺或安全在长时间断电后不允许自启动的应装设长时间低电压保护，当电源电压中断后再规定期限内恢复时，控制回路应有确保电动机自启动的措施。

3.7.1装置关键主风机采用先进应急电源切换（ATS）设备抗晃电设计

石油炼化装置中关键主风机低压两段进线断路器目前大多设计为双电源自动切换开关（ATS），ATS切换时间较长无法满足晃电要求，应设计为静态转换开关（STS），在电网各种波动起伏及中断的情况下，能够在40ms内切换到另一段电源，对低压电机提供电源起到抗晃电作用。

3.7.2关键低压电机采用动力UPS抗晃电设计

石油炼化装置中如重要锅炉风机，设计采用动力Ups为电机提供电源，在电网各种波动起伏及中断的情况下，均能够对低压电机提供电源起到抗晃电作用。在电网晃电时，动力UPS会立即自动转为备用模式运行，在备用模式状态下，UPS通过汲取蓄电池的能量来不间断地为电机持续供电。当电源恢复正常后，自动切换回由市电供电。

3.7.3关键工艺电机控制回路接入Ups电源抗晃电设计

根据工艺流程情况，对关键低压电动机控制回路设计，采取将各回路控制电源与主电源分开，用UPS不间断电源对各回路控制电源供电，并将各回路控制电源的两端子有序地接至UPS的输出供电箱，当主母线失电超过一定的时间认为系统失电后，根据二次控制部分设定断开输出，防止电网晃电时控制回路的短时失电跳闸。

3.7.4一般电动机采用分批启动装置抗晃电设计

当装置所带电机较多功率较大时，采用分批启动电机装置设计。实时监测电网电压和电机的运行状态，当电网发生晃电时，正在运行的电机因晃电而停机，若在允许时间内电网电压又恢复正常，装置将自动按预先设定的次序分批启动要求再启动电机，从而保证生产过程连续进行。如电压波动或中断时间超过设定的允许值，则自动闭锁再启动程序，等待人工干预，因为这时再自启动已无意义，甚至会引起事故。

3.7.5运用电动机综合保护器抗晃电设计

设计采用电动机综合保护器，它系统集成了电流互感器，可检测电流，并大大简化了接线，减少了故障点，可实现控制和监视功能及信号处理，已被广泛应用到电气系统中，它具有“晃电自起动”功能，通过设置综保参数就可实现大部分低压电动机的抗“晃电”能力。在供电系统发生“晃电”导致电动机低电压跳闸后，通过接触器辅助触点将电动机运行状态的变化反馈至综保，如果供电系统在我们设定的时间范围恢复正常，综保就会自动复位并发出“自动重起动”命令，使电动机重新运行。同时为了防止电动机都在同一时间起动会对供电系统造成较大的影响，根据其重要程度设置分批自起动时间。

3.7.6电机控制回路接触器抗晃设计

采用防“晃电”接触器来代替普通的接触器设计或者采用抗晃电模块设计，在接触器线圈增加抗晃电模块，抗晃电模块采用旁路工作模式。供电正常时该模块处于监控状态，接触器线圈供电由系统电源提供，在系统电源发生晃电时，该模块可在２０ｍｓ的时间从系统电源切换到由模块供电，起到抗晃电作用。

3.7.7电动机变频器抗晃设计

采用变频器具有抗“晃电”功能设计，变频器具有断电后自动启动功能、捕捉再启动功能、故障后自动再启动功能，或者采用变频器DC-BANK设计，电网正常时，由电网通过变频器驱动电动机，充电器对电池浮充电；电网晃电、断电时，静态开关开通，变频器由电池直流供电继续运行并驱动电动机，转换过程不断电；电网恢复，系统自动恢复正常工作，转换过程不断电。

3.8单独低压电源回路抗晃电设计

根据工艺流程情况，对关键单独低压供电回路（电磁滑阀、电磁阀、电动阀）设计，采取用UPS不间断电源对各回路电源供电，当电网晃电不受影响。

4结束语

文章介绍了“晃电”对石油炼化企业生产影响分析，利用新技术，新科技，从项目设计前期开始研究石油炼化企业装置系统安全稳定长周期运行，优选电力系统高低压设计方案，提出了石油炼化企业装置必须有抗晃电功能设计研究；减少装置运行后抗晃电技术改造，节约后期改造费用，在石油炼化项目设计中具有指导意义。

做好防晃电治理工作，是一个系统性多方位的工程，不是增加一个设备或者改变一个地方就能实现的，应根据各单位电网及所处电网的情况，涉及了电源方面、输电过程、用户继电保护管理的深度、负荷侧设备等多种措施的应用，当硬件确定后关键在于继电保护整定值是否合理，上下级保护的配合是否得当和终端负荷的保护是否合适等，通过厂家、石油炼化企业用户、设计部门三者不断的总结和摸索经验，才能使电网抗晃电能力大大提高，避免或减轻电力系统晃电问题造成石油炼化企业的经济损失，最大限度地降低甚至克服各种“晃电”影响，实现安全生产的目的。

参考文献

[1]祁欲，炼化企业“晃电”影响分析及对策[J].电气应用，2011，（3）：44-47.

[2]陈琳，严金云，石化企业晃电影响及抗晃电措施[J].电气技术，2012，（10）：72-74.

[3]许洪元，石化企业抗“晃电”综合解决方案研究与应用[J].电气应用，2012，（11）：46-49.