天然气净化厂晃电现象及抗晃电技术

肖长久 李浩 金綦庆

中国石油西南油气田公司天然气净化总厂 重庆 400021

天然气净化厂主要针对天然气进行脱硫、脱水及酸气进行处理。其作为连续生产的高危企业，生产过程具有易燃易爆、高温高压、产出有毒有害物质的特点。因此，对供电的安全性、可靠性、连续性和稳定性有着较高要求。一旦供电出现问题，将导致整个生产运行过程处于不安全状态，造成一类设备损坏，引起大面积停车，装置停运，甚至引发火灾、爆炸等安全事故。其中，晃电对天然气净化生产过程影响很大，是困扰安全生产的一大难题。晃电是指供电电压的瞬间跌落，瞬时失压，短时断电的现象[1]。电路结构的不合理性，自然现象如雷电，都可能造成电网短时故障，引起晃电。石油、化工、电力等行业，晃电情况较为多见，对企业正常运行生产产生严重影响，并造成巨大经济损失。

1 晃电现象及其危害分析

1.1 晃电现象及其成因

电压暂降、电压短时中断俗称晃电，在2013年颁布的GB/T 30137中，电压暂降和短时中断定义如下：（1）电压暂降指电力系统中某点工频电压方均根值突然降至0.1～0.9pu，并在短暂持续10ms～1min后恢复正常；（2）短时中断指电力系统中某点工频电压方均根值突然降至0.1pu以下，并在10ms～1min后恢复正常的现象。

由于电网覆盖范围广，用户性质复杂，多种因素都可导致晃电，一般有如下4种情况：

1.1.1 自然因素

自然因素是晃电的主导因素，包括雷电、大风、大雾和大雪。此外，空气污染严重时，“污闪”将直接导致晃电，且强度和频率较大。在众多自然因素中，雷电和“污闪”最具影响力，甚至会导致供电中断。

1.1.2 设备因素

设备因素同样关键，主要是设备运行状态不良和绝缘老化。设备运行使用时间过长而没有及时更换出现绝缘老化，导致运行状态不良甚至时常发生故障，再启动频率随之增高。此外，由于动设备大多是感性负载，瞬间的电压波动产生极大动态电流，加大了对供电网的影响，因此晃电强度也随之增大。

1.1.3 电网负荷因素

随着国家经济的不断发展，电力负荷复杂性和不确定性增加，重载设备的起停会对电网造成很大的影响。例如重型设备启动过程中，启动电流会对电网造成较强的干扰，导致电网过载、电压降低；而重型设备突然停机，线路电流减小，又会造成电压上升。

总之，当输配电系统内部发生短路或过流故障、大功率电机启动、开关操作、电容器组投切，以及外部出现如雷击、大风落物、污闪、断线接地或短路等事件时，均可引起晃电。其中，短路故障、雷击和污闪是引起晃电的主要原因，而雷电和污闪会使保护装置动作，晃电持续时间一般超过100ms，影响范围较大。

1.2 晃电的危害分析

化工装置对供电质量要求较高，晃电是发生频次最高、后果最严重的电能质量问题之一，它会引起生产流程紊乱，产品质量下降，给企业带来安全隐患和巨大经济损失。而天然气净化厂工业园区包含大量对晃电极其敏感的用电设备，且大量设备在工艺流程上不允许电动机跳闸停机，晃电短短的数秒钟往往是灾难性的，轻则停机停工，带来几十万、上千万经济损失，重则发生火灾、爆炸乃至人身安全事故。

采用文献研究法得知晃电的次数及危害。具体见表1。

表1 化工企业晃电及其后果统计

由此可见，晃电时有发生，会影响企业正常生产带来严重损失。文献统计了国内石油石化企业1010起晃电事件可知，93%的晃电事件持续时间在0.5s以内，84%的晃电是轻微晃电（电压降幅小于50%），电压降幅大于50%的严重失电压情况比例较低（约16%），其中持续时间在0.5 s以上的情况更少（约0.7%）。

对于0.5s以内的晃电，可通过抗晃电措施进行预防，而对于轻微晃电，可通过成本较低的抗晃电接触器等措施减小损失，下面将对化工企业中典型抗晃电技术进行介绍。

2 化工企业中典型抗晃电技术

从电网侧和设备侧均可采取抗晃电措施，主要从以下方面治理：智能模块快速切换隔离故障、快速隔离电源或者使用不间断电源供电技术；使用抗晃电时间继电器、交直流接触器、抗晃电模块和在低电压保护增加延时等延缓控制类设备；采用再启动技术，当使用微机综合自动保护控制装置时，还可以甩掉一部分不重要负荷。以上3个办法分别对应抗晃电的三道防线。

基于三道防线，下面对化工企业中常用的抗晃电技术进行介绍，包括电源备自投/快速切换装置、不间断电源UPS和不间断电源DC-BANK，交流接触器抗晃电技术，以及断电后电动机再启动技术。

2.1 电源自动投入装置（BZT）/快速切换装置抗晃电

备自投（BZT）的原理是在故障电源跳闸之后，投入母联开关，从而实现备用电源投入切换功能。自动投入母联开关，从而实现备自投切换功能。BZT回路采用低电压启动，整定时间需要躲过厂用电负荷故障的整定时间，所以动作时间较长，会使母线电压下降严重，可能导致低压负荷失电、电动机转速下降，因此存在切换时间长、对系统冲击大的缺陷。

电源快速切换装置按照同时断合的原则，对断路器发出分、合闸指令，系统无电流时间仅为分、合闸时间之差，切换产生冲击电流较小，能很好解决各自设备固有缺陷造成的用电隐患，适用于对供电连续性、安全可靠性和稳定性有较高要求的场合。国家重点工程普光气田即在两段6kV母线间装备了快速切换装置，元坝天然气净化厂也采用了快速切换控制技术，切换总时间小于0.3s。

2.2 不间断电源UPS抗晃电

UPS的抗晃电原理是在供电系统发生晃电、造成电压波动时，为二次控制系统，如分散控制系统（DCS），可编程序逻辑控制器（PLC）提供可靠的电源，保持接触器控制线圈在额定时间内稳定无变化。当失压超过一定时间后，则根据系统智能保护控制设定的时间断开输出，避免事故的发生。UPS结构简单，智能保护控制回路不增加接线难度，是目前解决系统电压波动较好的技术措施，适用于有抗晃电要求的多数量回路中。

UPS按结构和工作模式可分为后备式、在线式和在线互动式，其中在线式切换无间断，适用于对供电质量要求较高的场合，在净化厂实际生产中应用广泛[3]。UPS投资和维护成本较高，技术改造时，需要母线停电，过程复杂、改造周期长、增加了投资费用与维护成本。

2.3 不间断电源DC-BANK抗晃电

DC-BANK为直流不间断电源，因其具有高效、可靠、扩展性强、性价比高及故障率低等优点，在抗晃电中得到越来越广泛的应用。在用电质量要求高的特殊负载场所，比如存在交流并机困难和切换时间问题时，DC-BANK能充分发挥优势，主要应用于变频电机和 PLC/DCS 供电系统。

电网正常时变频器由交流母线电源供电，DC-BANK 系统处于热备状态；电网波动或备自投切换时，电网电压下降，转换成由DC-BANK向变频器的直流母线电源供电。

2.4 交流接触器抗晃电

交流接触器用于电力的开断和控制，在低压电动机控制系统中应用非常广泛，当产生晃电故障而使电压下降到接触器最低吸合电压时，接触器会断开。对此，常见的抗晃电措施有采用抗晃电交流接触器、在原交流接触器上增加控制模块。

2.4.1 抗晃电交流接触器

抗晃电的交流接触器具有延时释放/避开弹跳区的功能，电源正常工作情况下，抗晃电控制模块处于储能状态，启动和停止与正常交流接触器没有任何区别。在晃电情况下，当工作电压降低到接触器的设置电压以下时，控制模块开始工作，接触器以储能释放的形式保持继续吸合，当电源电压恢复后，控制模块又转入储能状态。

抗晃电交流接触器具有体积小、可靠性高、动作特性好、寿命长、便于维护和更换的优点，在石油、化工、电力等企业有比较广泛的应用，大幅度提高了连续生产的可靠性。

2.4.2 交流接触器上增加控制模块

常见的控制模块具备延时功能，对于要求较高的场合，还开发出多种新型抗晃电控制器，综合电力电子技术和单片机技术，对接触器动态过程进行控制，实现直流高压起动、低压保持、抗晃电功能。也有结合微电子技术和电力电子技术，在防晃电智能控制模块基础上，增加微机保护功能。

总的来说，防晃电控制模块，特别是智能控制模块，功能强大，具有诸多特点，如可实现智能切换、可靠性高、维持时间可设置、输出功率高、功耗低等。

2.5 电动机抗晃电重启动技术

电动机抗晃电方法一般是通过再启动控制器实现重新启动，按再启动过程是否可控，分为无控式和可控式两种。

无控式原理为：电压瞬间恢复时，参加再启动运行的电动机全部同时再启动。该方法简单，使用电器元器件较少，费用低。缺点是易受配电系统容量的限制、电动机残余电压可能产生电流及转矩冲击、很大启动冲击电流可能导致启动失败等。

可控式再启动原理为：系统故障时，记录电动机的运行状况，系统电压恢复后，利用各种控制方法按电动机的运行信息，将停运的电动机分期分批地再启动，常见的再启动方式有延时分别再启动和成组分批再启动[4]。

同理，对于变频电机及变频器进行抗晃电时，当电源瞬时恢复正常后，变频器再启动进入转速跟踪再启动模式，恢复晃电前运行状态。若晃电后电源恢复时间超过整定时间，则不再输出指令和运行闭锁信号，避免重要设备误动作。

3 结束语

综上所述，随着工业用电量增大、环网并网日益增多等，晃电发生的频率和危害均增大。抗晃电对天然气净化厂意义更加重大，而抗晃电技术的应用成效显著，保证了生产的连续性、稳定性和安全性。随着生产中智能化、控制精度、响应速度要求的提高，还需开发抗晃电新技术，减少晃电不良影响，帮助天然气净化厂生产创造更多价值。