浅谈低压电机自启动在石油炼化行业抗晃电中的应用
摘要:本文介绍了在日常工作中发生电网波动时，石油炼化企业解决晃电问题的方法。石油炼化企业根据自身实际情况，为确保低压电动机在晃电情况下能够正常运行，在低压电动机控制回路安装了自启动模块，来增强自身对抗电网波动的能力。
关键词：抗晃电；电动机；石油炼化；启动模块
1、研究背景以及意义
近几年，兰州石油炼化公司经常发生电网波动（也称晃电）导致石油炼化装置深受影响，甚至不能进行正常的生产工作，严重影响生产进度。电网是一个复杂的工程，自造成电网波动的原因也很复杂，常见的有外电网波动，相关机械设备内部损坏导致电路短路，或者电路故障等。这些因素不可人为控制，无法预料。在电路系统中，低压电机是低压供电系统的核心设备，交流接触器一般用来控制低压电机的运作。当出现意外情况导致电网波动时，系统电压会变得不稳定，不符合交流接触器的运行标准，接触器电磁铁因低电压而失压脱扣，停止运行，给石油炼化装置带来巨大的损失，严重的时候甚至会发生工程事故以及工作人员人身事故。
一般来说，在低压变电所都会配备一套母联备自投，具有一定的保护功能，当电路设备出现问题的时候，例如线路中某一段电源故障或失电时，母联断路器会实时进入工作阶段，两段负荷会由同一段母线承担，使得电路系统重新运行。即使如此，由于母联设备的局限性，不能立刻投入运行，有一个反应时间，通常为2~3s。当电路问题较为严重的时候，2~3s的时间足以使得电气设备失常，电流紊乱，会导致接触器接收到不稳定电压，释放出线圈，从而使得机泵不能正常运转。综上所述，当电路系统遇到电线短路或者电压不稳定时，当前的高低压设备的保护功能不能实时发挥作用，无法有效地保护电路系统，进而对整个石油炼化装置产生很大的损坏，分别体现在以下几点：
（1）当母线发生异常或者电压不稳定时，即使备用自投设备能迅速投入使用，但由于启用装置以及开关进入工作状态均需一定的时间，因此还是会导致一些高低压的电动机故障甚至停止工作，从而影响整个装置的运转。
（2）当受外部因素影响，线路电压不稳定时，只是瞬间电压低于标准电压的70%以下，就会立刻触发低压接触器，导致大部分低压电动机停止工作，从而造成生产中断。此外，在兰州石化公司，当因为某些原因导致电压晃动之后，如果仅依靠人工去操控电机，修复故障，这种方式在新形势下显然是不可取的。
2、一般的低压电机抗晃电措施
2.1晃电后电压恢复正常时直接自启动
在电路系统中，有部分负荷要求比较高，在晃电解决之后，须立即投入使用，具有代表性的有A类负荷，包括装置核心机组，具体运作路径如图1所示：
图1 晃电后低压电机直接启动控制回路图
由图1可见，N是整个电路系统右端的控制器，TA是常闭开关，而QA是常开开关，KM是电动机主回路的接触器，KT则是断电延时性时间继电器，反应时间是3s。整个回路的工作原理是：当电路系统发生电网波动时，由于断电延时性时间继电器线圈低于正常电压，其断开与电路的接触点，导致主电路断开，从而电动机停止运作。当电网电压在3s之内变为正常电压，断电延时性时间继电器的常开开关则处于闭合状态，可以与接触器线圈相连接，接通电路，使得电动机进入通电阶段，继续工作。
2.2晃电后电压恢复正常时延时自启动
相比较A类负荷，另一类负荷不要求立刻启动，会在电压正常之后的一段时间内，进入工作，称为B类负荷，主要是装置重要机组，在电网波动后的4s，再次进入工作阶段。
B类负荷的运行过程如图2所示，与A类负荷电路图不同的是，图2中的回路多了一个KT2，也就是得电延时型时间继电器。B类负荷的回路流程主要是：当晃电发生时，由于电动机主回路的接触器低于吸合电压，其节点与线路断开，导致主回路停止工作，从而电动机失效。当晃电结束之后，由于断电延时性时间继电器的常开开关处于闭合状态，所以断电延时性时间继电器与得电延时型时间继电器均处于通电阶段，电动机主回路的接触器便处于得电状态，构成回路，电动机重新进入工作。
图2 晃电后低压电机延时启动控制回路图
2.3加装自启动模块令低压电机自启动
随着科技的发展，加装自启动模块的低压抗晃电技术日渐成熟，并成为众多企业使用的一种抗晃电措施。低压电机装上自启动模块之后，会在晃电发生的同时，瞬间启动成功，使得电回路正常工作。
本文以常见的自启动设备AIX-38作为分析对象，AIX-38设备不仅安全性高，而且安装方便，工作量小，并且十分可靠。同时，AIX-38的体积比较小，不占用太多空间，也适用于低压控制箱较为紧凑小巧的情况，不影响其他元件的安装使用，AIX-38的控制原理如图3所示：
图3 AIX-38的控制原理示意图
由图3可知，AIX-38的2号节点为工作电压，也担任电路电压输入的判断依据，同理，8号节点也是如此。而5号节点则是交流接触器的自保持节点信号，6号节点与5号节点一样。由这四个节点围成的A部则是主继电器的输出部分。
在正常工作的时候，电动机主回路的接触器的节点会锁闭，持续接通机泵。当电网波动的时候，若电网的电压在可控时间内稳定下来，A部会接通节点，使得电机继续工作。而电压没有在合理的范围内稳定的话，控制系统会处于锁闭状态，不再运作。AIX-38的工作原理是：一般而言，大部分自启动设备包含四个变量因素，分别是UF（低电压设定值176 V,AF（晃电允许时间10 S),DA（主继电器再启动时间5 s）以及UH（恢复电压设定值220V)。
当电网设备正常停工的时候，电压会变为零，在10 s的时间内，重新通电，同时，此时的电压值是一个重要参数，控制电源电压大于176 V，则控制器不会发生变动，一般的停送电不会重启电动机。AIX-38自启动设备有以下几种特点：
（1）系统电路中的电压值和电动机的工作情况可以被自启动设备监测；
（2）如果正常运行的电动机因为电网波动而罢机，当电压可以在规定时间内稳定下来，电动机可以在设定好的时机内重新启动投入使用。
（3）在发生电网波动后，并没有能够在规定时间内回复正常，则控制设备不会重新启动。
加装自启动模块之后，能够让生产设备在遇到晃电的时候，可以及时重新进入工作状态，在一定程度上，减少了因为电网波动带来的经济损失。
3、安科瑞ARD3电动机保护器（带晃电功能）的介绍
ARD3智能型电动机保护器（以下简称ARD3），适用于额定电压至AC690V、额定电流至AC800A、额定频率为50/60Hz的电动机。产品体积小，结构紧凑，安装方便，在低压控制终端柜和1/4模数及以上各种抽屉柜中可直接安装使用，提高了控制回路的可靠性和自动化水平。
ARD3采用模块化的产品结构形式，包括主体控制模块、互感器模块和显示模块，并可根据需要选配ARD3的其他功能模块或附件，与接触器、电动机起动器等电器元件构成电动机控制保护单元，有远程自动控制、现场直接控制、面板指示、信号报警、现场总线通信等功能。适用于煤矿、石化、冶炼、电力、船舶、以及民用建筑等领域。详见图4-图5。
图4 智能电动机保护器动作示意图
图5 过载特性曲线图
安科瑞ARD3系列电动机保护器的功能如下：
（1）辅助电源支持AC85V～265V/DC110V～350或AC380V±10%(需另配380V电源模块)。
（2）测量功能分为基本测量(电流参数)和增选测量(电压、功率、相序、剩余电流(漏电流))。
（3）具有起动超时、过载、堵转、阻塞、欠载、断相、不平衡、剩余电流(接地/漏电)、温度、外部故障、相序、
（4）过压、欠压、欠功率、过功率、tE时间等电动机综合保护功能。
（5）9路DI无源干节点输入，信号电源采用内置DC24V电源。
（6）5路DO输出，满足直接起动，星—三角起动，自耦变压器起动，软起动等多种起动方式，通过通讯总线可实现。
（7）远程主站对电动机进行实时遥控“起/停”操作。
（8）抗晃电确保电动机运行不间断，重起动功能在短时欠压、失压时用于电动机分批重起。
（9）具有标准的RS-485通讯接口，采用Modbus_RTU、Profibus_DP通讯协议，保证了上位机通讯的快速可靠。
（10）具有DC4-20mA模拟量输出接口，直接与DCS系统相接，可实现对现场设备的监控。
（11）具有系统时钟和20次故障记录功能，系统时钟记录当前时间(日、时、分、秒)，故障记录功能记录故障原因。
（12）显示部分采用全中文液晶显示。
可以替代各种电量表、信号灯、热继电器、电量变送器等常规元件，减少了柜内电缆连接及现场施工量，可靠性和综合性价比远高于传统方案。
4、结语
前些年兰州石油炼化公司为了使炼油区供电设备的电量得到有效的保证，投资重金为大部分0.4 kV低压电机共安装了300多个自启动元件。事实证明，在后来的几次突发电网波动事件中，低压电机的自启动元件很好地完成了预计的任务，阻止了装置低压电机进一步发生晃电现象，降低了兰州石油炼化企业的损失，保证了企业经济稳定，为石油炼化装置安全工作保驾护航，成功实现了预防晃电的目标。