CN105680763A - 输气管道高可靠性安全供电方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种输气管道高可靠性安全供电方法，该方法用于输气管道工程的电驱压气站，该方法包括如下步骤：步骤一、开发输气管道大功率变频器的低电压穿越、动能缓冲功能、转速跟踪起动功能；步骤二、经备自投及快切装置设置为快速同期合闸装置，以配合变频器自身抗晃电能力；步骤三、对0.38kV控制回路进行改造，将0.38kV压缩机辅机控制电源由常规市电供电改为不间断电源供电或加装防晃电继电器。利用本发明的方法，可使电驱压气站内大功率压缩机及辅机在遭遇雷电及电力系统故障引起的电压凹陷时，仍然不间断对输气管道进行供电。

Description

输气管道高可靠性安全供电方法

技术领域

本发明有关一种输气管道的供电技术，特别是指一种当电驱压气站内大功率压缩机及辅机在遭遇雷电及电力系统故障引起的电压凹陷时，仍不间断对输气管道安全供电的方法。

背景技术

目前，随着我国经济持续高速发展，能源结构调整、优化能源供应的客观要求更为迫切，尤其天然气等优质能源需求迅速增长，面对发达地区天然气缺口巨大，供需矛盾十分尖锐，急待寻求新的气源以解市场燃眉之急。长距离天然气外输管道工程是中国石油及石化天然气股份有限公司作为主要投资方兴建的贯穿我国东西或南北的输气大动脉。对于输气规模、工程总投资大，管道线路长的一条主干线和数条支线组成的大型管道工程，一般途经全国十几个省、自治区，沿线路经沙漠、山区或平原，地形复杂、地貌多变、气候条件差、高铁交织、电网环境复杂，且大部分站场处于偏远山区，送电距离长达50～60km，电力系统在运行过程中地区，由于雷电、电网自身原因引发的电压凹陷和中断，造成电网瞬间故障，引起电压较大幅度波动或者短时断电又恢复的“晃电”现象频频发生，以上电网故障会造成压缩机停机情况，而压气站是输气管道的心脏，一旦压缩机停止运行，直接影响输气管道电驱压气站的供电可靠性，影响输气量。因此对输气管道电驱压气站，尤其是压缩机驱动变频装置、压缩机润滑油泵和干气密封空压机、循环水泵等辅助用电，其可靠性和连续性提出了很高的要求，供电中断和电压大幅波动会给企业带来巨大的经济损失。

图1是输气管道工程电驱压气站典型主接线图，一般大型电驱压气站采用110kV/10kV/0.38kV电压等级，110kV采用两路电源，110kV#1进线和110kV#2进线同时向110kVI母线和110kVII母线供电，母联开关断开，110kV两路电源来源于同一个电网的不同变电站，当电网发生故障导致其中一段母线失电时，跳开失电母线的进线开关1DL或2DL，然后快速将母联开关合上，使失电母线重新受电，以此来提高供电的可靠性。通过2台110/10kV变压器给2段10kV母线供电，10kV供电系统也采用单母线分段运行，即，1DL、2DL合闸，3DL分闸的供电模式，压气站中主要的用电负荷是10kV离心式压缩机，采用变频驱动，称为VSDS系统，均匀的分配在10kV两段母线上。压缩机配套的辅机系统均为0.38kV电压等级，通过两台10/0.4kV变压器分别为0.38kV的I段、II段母线供电，压缩机辅机系统由多台异步电机分别由0.38kV电压供电，0.38kV也是单母线分段运行。

如图2所示，按照电力系统的n-1准则，为了提高供电可靠性，压气站供电系统均采用不少于两个供电电源设计。

两路电源，电源1和电源2同时向I母线和II母线供电，母联开关ML断开，两路电源来源于同一个电网的不同变电站，当电网发生故障导致其中一段母线失电时，跳开失电母线的进线开关1DL或2DL，然后快速将母联开关ML合上，使失电母线重新受电，以此来提高供电的可靠性。电力系统将用来完成这一系列供电电源切换控制的装置统称为备用电源自动投入装置，简称备自投，其在电网的变电站内获得了广泛的应用，或者采用图1方式在10kV侧加装母联快速切换装置。

空压机在短时停电时而停止工作后，由于空压机配有两座1MPa的储气罐，在空压机停机后，储气罐能够维持10min。

传统的母联备自投的投切时间不能满足电驱压气站供电可靠性要求，一般是在电驱压气站110kV变电站的110kV侧设母联备自投，110kV母联备自投在110kV某段母线掉电情况下的总切换时间为1.8s，其中跳10kVI段进线开关（或10kVII段进线开关）的时间为1.2s（1.2s为躲过110kV线路自动重合闸时间）。为配合110kV某段母排掉电情况下，110kV母联备自投，在投切过程中，10kV及0.4kV母线有1.8s停电时间，在这段时间内变频器故障电压设定值在低于额定电压的11%，设定时间20ms跳开10kV断路器，一部分低压负荷也迅速失去电源，从而引发压缩机停机。

图1中10kV快速切换开关在10kVI段或10kVII段母线短时失电后，传统的快速切换装置采用快速启动合闸方式，将母联开关3DL合闸，由于大功率压缩机电机通过变频器直接接入10kV系统，其压缩机电机的残压被变频器阻断，只有0.38kV的辅机通过10/0.4kV变压器反送到10kV母线，由于辅机电机功率只是压缩机电机的1/15，所以在10kV母线上残压衰减很快，这时采用快速切换装置合3DL开关时，在10kV母线上造成的电流冲击为额定电流的50倍，造成压缩机辅机及变频器跳闸断电。

压缩机采用VSDS驱动系统，其中变频器对电网要求较高，不允许供电系统出现较大压降。对于10kV变频器国内外生产厂商对变频器正常运行电压低于正常电压时均有保护设定,以西门子GM150为例，当电网电压低于80%时发出报警命令，倒计时2s，如果电压不恢复正常,则变频器本体会发出欠压脱扣命令跳开10kV断路器，断开10kV电源，当电网电压低于正常电压的11%时，在10~100ms以内变频器本体会发出故障命令跳开10kV断路器,断开10kV电源，从而引起压缩机停机。国内变频器则直接设定为当电网电压低于75%时在100ms以内变频器本体会发出故障命令跳开10kV断路器，断开10kV电源，压缩机停机。

影响压缩机电机可靠性的重要辅助设备是润滑油泵，一般情况下，润滑油泵交流接触器由于雷电引起断电，在润滑油总管压力在1s内从0.25MPa降到0.12MPa，触发压缩机停机。一旦润滑油泵停电，即使工艺采取了备用润滑油罐，也是在压缩机停机过程中防止润滑油中断而设置，从根本上解决不了润滑油连续性问题，要解决此问题，唯一的办法是润滑油泵不间断供电，而润滑油泵一般在20kW左右，3用1备，采用UPS供电会造成UPS容量很大，采用应急发电机也在启动时间上不满足润滑油泵连续不停机的要求，所以不采用这两种方法保障润滑油泵不间断供电。

变频器的辅助系统有外循环水泵和内循环水泵，外循环水泵引起变频器停机，会在变频器内循环水LOGO面板显示“RawWaterFlowLow”的故障代码，一般是外循环水管道水压不够，也就是说，有可能循环水泵出力和水管道阀门开度等原因导致外循环水管道水压偏低。压缩机电机也会用到外循环水，一般和变频器统一设置外循环水泵，外循环水泵由站内10/0.4kV低压配电系统供电（2台变压器，单母线分段运行），所以要求外循环水泵在断电（因切换电源断电）的情况下，来电后能够自启动即可，运行证明外循环水泵停机不会立即逼停压缩机，要求断电后自启动做到5s以内即可。

变频器本体的内循环水泵引起变频器停机，内循环水泵是由变频器自带的MCC低压开关柜采用UPS供电，变频器本体的内循环水泵故障，会在变频器内循环水LOGO面板显示“WaterFlowLow”的故障代码，同样，内循环水泵停机不会立即逼停变频器，所以要求内循环水泵在断电（因切换电源断电）的情况下，断电后自启动做到5s以内即可，再者，本工程内循环水泵采用的是UPS供电，所以供电可靠性满足要求。

发明内容

有鉴于此，本发明的主要目的在于提供一种解决变频器自身抗晃电能力、并能不间断供电的输气管道高可靠性安全供电方法。

为达到上述目的，本发明提供一种输气管道高可靠性安全供电方法，该方法用于输气管道工程的电驱压气站，该方法包括如下步骤：

步骤一、开发输气管道大功率变频器的低电压穿越、动能缓冲功能、转速跟踪起动功能；

步骤二、将备自投及快切装置设置为快速同期合闸装置，以配合变频器自身抗晃电能力；

步骤三、对0.38kV控制回路进行改造，将0.38kV压缩机辅机控制电源由常规市电供电改为不间断电源供电或加装防晃电继电器。

在所述步骤一中，在低电压穿越过程中控制系统和功率单元工作正常，不要求有功功率输出，压缩机装置运行不间断，电网恢复时快速平滑切入正常工作状态。

所述动能缓冲功能是：在出现电网短时失电故障时，为保持生产的连续性，电压型逆变器继续工作，通过降低电动机转速，把电机部分动能回馈至电动机的直流贮能电容，维持一个低电压，使控制电路继续工作，待电网电压恢复后电动机重新加速到原转速。

所述转速跟踪起动功能用于起动正在旋转中的电动机，在变频器经过低电压穿越功能和动能缓冲功能后，如果电网还未恢复供电，或者变频器的输出频率与电动机转速不匹配，转差率大，将导致电流冲击，因此，需根据转速来设置变频器的初始频率，使变频器能自动检测电动机的实际转速，据以设置初始频率。

所述步骤二中采用一种以捕捉首次同相点为主要切换方式，以残压切换作为后备切换方式的压缩机双电源切换的方法，该快速同期合闸装置是将残压切换给捕捉同期算法提供后备，当同期捕捉条件不满足时，保证原有的技术手段不失灵。

在所述步骤三中，所述不间断电源供电或防晃电继电器能在电源短时失电时，确保交流接触器线圈不失压脱口。

在电网故障导致母线失电的工况下，配合变频器的抗晃电能力前提下，在500ms以内快速投入备用电源，迅速再受电继续运转。

本发明解决变频器自身抗晃电能力，解决电力系统电压瞬时骤降和中断时利用离心压缩机同步电机返送给变频器的能量，维持变频器直流母线电压，降低压缩机电机转速，在压缩机不进入喘振区的工况下，变频器重新捕捉压缩机电机的转速，将压缩机电机重新拉入正常运行状态，实现不停电功能。并且采用同期快速切换装置，配合变频器的二次开发应用，使得电压凹陷及中断供电现象得以改善。

附图说明

图1为现有技术中电驱压气站典型主接线图；

图2为现有技术中输气管道电驱压气站常见的供电方式；

图3为本发明中母线残压向量轨迹；

图4为本发明中首次同相点捕捉切换角度示意图；

图5为本发明中I母失压衰减图；

图6为本发明中投入瞬间进线II冲击电流图；

图7为本发明中进线II稳定后电流图；

图8为本发明输气管道高可靠性安全供电方法的步骤图。

具体实施方式

为便于对本发明的方法及实现的效果有进一步的了解，现结合附图并举较佳实施例详细说明如下。

结合图8所示，本发明输气管道高可靠性安全供电方法通过以下方式实现：

一、开发输气管道大功率变频器的低电压穿越LVRT（LowVoltageRideThrough）、动能缓冲功能、转速跟踪起动功能。

（1）变频器LVRT（Lowvoltageridethrough，低电压穿越）功能：在低电压穿越过程中控制系统和功率单元工作正常，不要求有功功率输出，压缩机装置运行不间断，电网恢复时快速平滑切入正常工作状态。

（2）动能缓冲：在出现电网短时失电故障时，为保持生产的连续性，希望电压型逆变器不停止工作，通过降低电动机转速，把电机部分动能回馈至它的直流贮能电容，维持一个较低电压，使控制电路继续工作(逆变器控制电源来自贮能电容电压)，待电网电压恢复后电动机重新加速到原转速，这功能被称之为越过暂时失电(ride-through)，又称动能缓冲。

（3）转速跟踪起动：转速跟踪起动功能用于起动正在旋转中的电动机。在变频器经过LVRT功能和动能缓冲功能后，这时，如果电网还未恢复供电，由于离心压缩机电机机械惯量大，自由停车时间很长，在电动机尚未停止前又需要恢复供电；如果变频器的输出频率与电动机转速不匹配，转差率大，将导致电流冲击。要解决这问题，需根据转速来设置变频器的初始频率，而压缩机电机传动通常都无转速传感器，因此希望变频器能自动检测电动机的实际转速，据以设置初始频率，这就是转速跟踪起动。

二、传统备自投及快切装置改造

（1）传统备用电源的投入条件存在问题：传统备自投装置的投入条件概括起来有三个：工作电源已断开（使用“无流”作判据）；工作母线电压为零（使用“无压”判据）；备用电源电压正常（使用“有压”判据）；显然“无流”是正确的，因为要防止将备用电源投入到故障点；“有压”判据也是正确的，因为如果电网故障导致两个电源均失电，切换是没有意义的；“无压”有很大的局限性，因为压缩机辅机电机为异步电动机，当母线失电后电动机群将进入发电机状态，通过现场试验，其反馈电压衰减为零需要300~500ms。

（2）传统的快速切换装置何种方式切换存在问题：快速启动是快速投入的前提，在传统的设计原理中，启动电源切换的条件有三个：“工作开关误跳（人为误操作或断路器操作机构故障）”；“母线失压启动”；“依靠进线装设的继电保护装置发信号启动”。其中，“工作开关误跳”发生的概率很低，不是主要的启动原因；“母线失压启动”在动作速度和选择性存在很大矛盾，“依靠进线装设的继电保护装置发信号启动”存在信号无法获取的问题，负荷距离电网电源（主力发电机）较远，经多级线路连接，其间只要有一段线路发生故障，就会造成负荷失电，无法通过获取远方所有线路的保护启动信号来实现启动电源快速切换况。

（3）本发明通过对备自投、快切、继电保护相关技术的优化和综合运用，提供一套解决压气站备用电源快速投入的方法和装置，以解决在电网故障导致母线失电的工况下，配合变频器的抗晃电能力前提下，在500ms以内快速投入备用电源，迅速再受电继续运转。本发明将传统的快速切换装置设为快速同期合闸装置，将残压切换主要是给捕捉同期算法提供后备，当同期捕捉条件不满足时，依然可保证原有的技术手段不失灵。

三、0.38kV控制回路改造

对电驱压气站的0.38kV压缩机辅机控制回路进行改造，将0.38kV压缩机辅机控制电源由常规市电供电，改为UPS（UninterruptiblePowerSystem/UninterruptiblePowerSupply）不间断电源供电或加装防晃电继电器，彻底解决由于晃电造成交流接触器线圈失电脱口现象，使其在电源短时失电时，确保交流接触器线圈不失压脱口。

其中，图3为母线残压向量轨迹图，UG为衰减的残压，UB为备用电源电压，通过此图可以看出，安全线左侧角度区间为禁止投入备用电源区域，右侧为允许投入区域。当UG残压幅值在60%UN时，假设压缩机可承受电压矢量差为1倍额定电压，那么根据余弦定理公式计算，允许的切换角度大概范围为（-72°，+72°）。而以捕捉首次同相点的方式进行切换的实际录波图如下所示。

图4实测在频差为6.34HZ的情况下，残压为61%Un时，捕捉到首次同相点的角度为57.1°，完全符合理论分析的角度切换范围。

图5~图7利用同相点捕捉的方式迅速投入备用电源，使得备用电源投入瞬间，对压缩机和备用电源的冲击都达到最小化。进线II的冲击电流峰值，最大为1.635A，进线II稳定后电流峰值最大为0.510A，由此可得备用电源投入瞬间的冲击电流为额定电流的3.21倍。由此带载试验可得出如下结论，利用捕捉首次同相点的方式进行电源切换，可以在母线残压值较高的情况下迅速投入备用电源，对压缩机和备用电源的电流冲击都是可承受且比较小的，完全体现了本发明的优势之处。

在工作电源因故障跳闸的情况下，利用捕捉首次同相点的方法投入备用电源，一方面可以保证压缩机负荷的不停转持续运行，保证生产流程不被破坏，提高生产效益，另一方面对压缩机设备的安全运行提供最大限度的技术保障。

本发明的方法能实现以下效果：

1、解决变频器自身抗晃电能力，解决电力系统电压瞬时骤降和中断时利用离心压缩机同步电机返送给变频器的能量，维持变频器直流母线电压，降低压缩机电机转速，在压缩机不进入喘振区的工况下，变频器重新捕捉压缩机电机的转速，将压缩机电机重新拉入正常运行状态，实现不停电功能，通过试验和仿真此过程持续500ms压缩机运行工况不受影响。通过实验证明，在对变频器进行控制系统改造后，在中石化川气东送利川压气站及涪林压气站中得到应用，在夏季雷雨季节，能减少由于雷电造成的压缩机停机60%。

2、解决传统备自投装置和快速切换装置无法配合变频器自身抗晃电能力下，要求电力系统快速恢复供电，解决不停电、有效的将负荷切换到备用电源上的问题，本发明提出一种以捕捉首次同相点为主要切换方式，以残压切换作为后备切换方式的压缩机双电源切换的方法。由于采用了同期快速切换装置，配合变频器的二次开发应用，使得电压凹陷及中断供电现象得以改善，能减少电力系统故障造成压缩机停机的40%。

3、解决润滑油泵等压缩机辅机在遭遇雷电晃电引起的电压骤降以及电力系统故障引发的短时中断供电时，交流接触器线圈失电，引发压缩机辅机停电，“逼停”压缩机的情况。并且0.38kV压缩机低压辅机系统采用二次控制回路改造电路后，能100%避免控制回路失电，“逼停”压缩机现象。

4、以上技术措施综合应用，可彻底解决输气管道工程电驱压气站安全、高可靠性供电问题，彻底提升压气站的供电质量，减少直接经济损失1.2亿元/年。

以上所述，仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。

Claims (7)

1.一种输气管道高可靠性安全供电方法，该方法用于输气管道工程的电驱压气站，其特征在于，该方法包括如下步骤：

步骤一、开发输气管道大功率变频器的低电压穿越、动能缓冲功能、转速跟踪起动功能；

步骤二、将备自投及快切装置设置为快速同期合闸装置，以配合变频器自身抗晃电能力；

步骤三、对0.38kV控制回路进行改造，将0.38kV压缩机辅机控制电源由常规市电供电改为不间断电源供电或加装防晃电继电器。

2.如权利要求1所述的输气管道高可靠性安全供电方法，其特征在于，在所述步骤一中，在低电压穿越过程中控制系统和功率单元工作正常，不要求有功功率输出，压缩机装置运行不间断，电网恢复时快速平滑切入正常工作状态。

3.如权利要求2所述的输气管道高可靠性安全供电方法，其特征在于，所述动能缓冲功能是：在出现电网短时失电故障时，为保持生产的连续性，电压型逆变器继续工作，通过降低电动机转速，把电机部分动能回馈至电动机的直流贮能电容，维持一个低电压，使控制电路继续工作，待电网电压恢复后电动机重新加速到原转速。

4.如权利要求3所述的输气管道高可靠性安全供电方法，其特征在于，所述转速跟踪起动功能用于起动正在旋转中的电动机，在变频器经过低电压穿越功能和动能缓冲功能后，如果电网还未恢复供电，或者变频器的输出频率与电动机转速不匹配，转差率大，将导致电流冲击，因此，需根据转速来设置变频器的初始频率，使变频器能自动检测电动机的实际转速，据以设置初始频率。

5.如权利要求1所述的输气管道高可靠性安全供电方法，其特征在于，所述步骤二中采用一种以捕捉首次同相点为主要切换方式，以残压切换作为后备切换方式的压缩机双电源切换的方法，该快速同期合闸装置是将残压切换给捕捉同期算法提供后备，当同期捕捉条件不满足时，保证原有的技术手段不失灵。

6.如权利要求1所述的输气管道高可靠性安全供电方法，其特征在于，在所述步骤三中，所述不间断电源供电或防晃电继电器能在电源短时失电时，确保交流接触器线圈不失压脱口。

7.如权利要求5所述的输气管道高可靠性安全供电方法，其特征在于，在电网故障导致母线失电的工况下，配合变频器的抗晃电能力前提下，在500ms以内快速投入备用电源，迅速再受电继续运转。