电机控制及配电系统备件优化配置

电机控制及配电系统备件优化配置

高玉龙申红伟

（安阳永金化工有限公司河南安阳455000）

摘要：根据中国石化集团公司的文件要求，结合上海高桥石化股份公司的实例，探讨了炼油、化工企业的UPS配电系统在不大幅增加投资的情况下，如何尽可能地提高UPS配电系统的可靠性，并给出了具体实施方案，在对UPS配电系统的可靠性有极高要求的炼油化工企业中具有一定的推广价值。

关键词：不间断电源；分散控制系统；配电系统

引言

炼油化工企业的生产特点是高温、高压、易燃、易爆，如果仪表系统工作不正常，将有可能造成重大的经济财产损失和人员伤亡，因此DCS和各种控制仪表对供电可靠性要求很高。担负供电任务的UPS配电系统几经改进，经过了单机、主机-从机热备份、直接并机等多种供电方式，但这些供电方式只是单纯提高了UPS本身的供电可靠性，并没有从配电系统的高度上考虑问题，因此尽管UPS本身的可靠性不断提高，但是整个UPS配电系统仍然存在可靠性瓶颈。

1化工集团公司对UPS配电系统的要求

经过化工集团公司多年的实践证明，没有一种配置方案可以完全满足炼油化工企业对仪表系统高可靠性的要求，各种系统配置方案都曾发生过严重的问题，因此中国石化集团公司2005年发布《生产装置过程控制仪表电源配电系统技术管理规定》，要求UPS配电系统必须满足如下主要要求：1）UPS配电系统在正常运行时可以进行UPS离线检修、蓄电池定期维护等工作。2）电源系统切换装置应能实现无扰动切换。3）在UPS出口或旁路出口需配置隔离变压器或稳压器。4）具备2路供电的控制仪表应具备2路非同期工频交流电源同时工作的条件。5）断开任意一路电源或同时断开2路电源或断开任意一路输出，仪表电源应不断电。

2继电保护和自动装置的设计原则

根据该化工企业的实际情况和工程需要，必须在配电系统的电力设备和线路中安装短路故障和异常运行的继电保护和自动装置，通过采用智能化的保护和控制单元，可以实时监测电路的运行状态，并对异常运行进行提示和智能处理。由于继电保护系统种类繁多，功能各有侧重，在进行电路设计时，应根据其功能和实际应用需求合理选择。总的来说，该企业的电路可以采用主保护、后备保护和辅助保护三个层次的继电保护系统，使得主保护能以最快速度实现对电路的有效保护。后备保护一般有远后备保护和近后备保护两种，当主保护没有工作时，它对电路系统进行控制和保护。辅助保护通常采用较为简单的保护，是为了补充主保护和后备保护的功能。为保证电力系统和生产设备的安全，在电力系统中设置的多种保护装置必须选择满足可靠性、选择性、灵敏性和速动性等指标要求，从而有效、准确地完成继电保护，发挥自动装置的功能。

3高桥石化UPS配电系统配置方案

3.1原理

为达到化工集团公司的文件要求，化工公司率先在业内进行了UPS配电系统的重新配置。

3.2系统说明及分析

UPS配电系统有两路电源，一路市电引自配电室Ⅱ段；另一路UPS电源引自配电室I段；UPS旁路电源和手动维修旁路电源引自经过隔离变压器净化的Ⅱ段，两路电源输出采用接触器自动切换。当两路电源正常时，仪表1由UPS输出供电；当UPS输出中断时自动切换为市电供电，所以只要任意一路电源有电就可以保证仪表1输出有电。该套配电系统的输出可靠性依次为仪表1，仪表2，仪表3。为此DCS也应做负荷分级工作，例如可把DCS中的卡件、计算机、电磁阀等负荷设为一级负荷；计算机显示器设为二级负荷；仪表照明等设为三级负荷。这样的分级工作可以尽量把各种设备的故障范围缩小，例如照明短路不可能再影响整个DCS的安全了，最大限度地保障核心设备的供电可靠性。可以看出该套系统的基本设计思路是符合中国石化《生产装置过程控制仪表电源配电系统技术管理规定》中建议的两电源方案，但是通过深入地研究，笔者发现几点问题。

1）电源切换有扰动。当发生如上1中5）所述情况时，虽然负载不会长时间断电，但由于采用接触器切换，其切换时间最短不小于30ms，这会造成计算机黑屏、重启故障，在该公司几次有计划的UPS检修工作中也发生了这种故障。2）可靠性低。笔者知道串联系统的可靠性小于任一组合的可靠性，由于串联系统的任何一部分的可靠度R（t）都小于100%，串联的部分越多，系统的总可靠度越小，所以减少系统串联部分可以提高系统的可靠性。实际上是隔离变压器和UPS并联后又与接触器切换系统串联组成配电系统，隔离变压器和UPS的可靠性是相当高的，它们并联后的可靠性更高，所以配电系统的另一个串联环节即切换系统就成了影响系统的可靠性的关键因素，由于接触器的可靠性较低，因此由接触器构成的切换系统可靠性更低，这样就导致整个配电系统的可靠性大大降低。只有解决故障检测和切换系统这2个可靠性瓶颈，该套配电系统的可靠性才能大幅提高。在实际运行中也发生过退出UPS进行维修时烧坏仪表稳压电源的事故。例如某次维修UPS时进行了如下操作：依次断开UPS旁路电源、UPS输入电源，合上手动维修旁路开关，断开UPS输出，即依次断开QF3，断开QF4，合上QF2，这时仪表1和仪表2出现最高达380V的电压导致仪表电源烧毁。究其原因，是因为UPS输出自动跟踪旁路输入电源的频率，以保证故障时迅速地以环流最小的方式将负载无扰动地切换到旁路，而当断开QF3，也就是UPS旁路电源时，由于UPS失去了跟踪对象，UPS将自动输出标准的50Hz正弦波，此时如果合上手动维修旁路开关QF2，由于市电频率并不一定达到50Hz，市电相位与UPS输出也不一定相吻合，所以这两路输出波形可能在某时刻叠加，不仅产生很大的系统环流，而且波幅可以达到最高380V的相电压。这种情况在该公司维修UPS时出现过3次，不仅烧坏了仪表稳压电源，而且UPS本身也受到损伤。当然，这种故障完全属于误操作，因为退出UPS时是不允许先断开旁路电源的，但是这种事故也警示人们，无论设备可靠性多么高，人的因素依然是影响系统可靠性不可忽视的原因，因此必须制定严格的操作规程以杜绝此类事故再次发生。

4UPS配电系统的优化设计

优化原理：由于DCS多种多样，其中有些具有2路电源输入口，系统也是冗余系统，而有些只有一路电源输入，系统也是单一系统，并无冗余，所以必须研制2套UPS配电系统才可以满足DCS的要求。将该公司方案中的接触器切换装置用快速自动切换装置替代，虽然改造方案成本大大提高，但是切换时间可以控制在8ms以内，满足了仪表对切换时间的要求，达到无扰动切换目的，并且快速切换装置可靠性非常高，大大提高了整套系统的可靠性。

将2路输出直接连接到仪表两路输入上，减少了系统的串联环节，可靠性在3个方案中最高，而且由于取消了快速切换装置，改造投资也相应减少，因此该套方案是最佳方案。

5继电保护系统的应用

化工企业用了较为完善的供配电系统综合微机控制系统，在综合后台通过计算机采集各级电路继电保护装置的工作状态和电气设备的运行参数，实现对全厂电气设备的实时监控。供配电系统投入运行以来，曾出现过一次电路接地故障，导致35kV进线电路出现2次过流、过负荷启动和2次速断跳闸保护。通过综合控制室监控设备的故障记录，可方便现场维修人员快速诊断系统故障，从而在较短的时间内恢复系统运行。

结语

本文探讨了在不大幅增加投资的情况下，如何尽可能地提高配电系统的可靠性，并给出了具体实施方案，在对配电系统的可靠性有极高要求的炼油化工企业中具有一定的推广价值。

参考文献：

[1]阮旻智，李庆民，张光宇，等．多约束下化工装备携行备件保障方案优化方法［J］．兵工学报，2013，34（9）

[2]周伟，王东锋，刘亚杰，等．考虑相关失效的备件优化配置模型［J］．系统工程与电子技术，2011，33（10）