中石化南京化学工业有限公司检维修部 江苏南京 210044
摘要：在石油化工生产装置中，由于仪表及控制系统的供电发生故障，导致生产波动及非计划停车的事故时有发生。仪表电源系统的可靠性，对石油化工生产装置安全、稳定运行至关重要。本文主要讨论由低压交流配电装置通过交直流变换，为工业过程控制系统、可燃及有毒气体检测报警系统、现场仪表设备等提供直流24V电源的配置方案，探讨直流电源单元在实际工程中存在的缺陷，并提出提高电源可靠性的建议，对直流电源如何配置才能保证易维修性提出建设性意见。
关键词：直流基本供电单元；UPS；双重化；冗余；直流电源
仪表直流基本供电单元为为工业过程控制系统、可燃气体及有毒气体检测报警系统、现场检测仪表、执行单元等仪表设备供电。它通常由电气开关室直流电源直供或在机柜间设立交直流变换单元。机柜间独立设置的交直流变换单元，通常称为直流电源装置，由低压交流配电装置采用UPS或普通电源（GPS）采用双回路供电，输出通常为24VDC，为仪表设备提供电源。UPS输出电压一般应为单相220VAC（也有采用三相输出，因实际使用较少，不在讨论之列，也不推荐使用）。依据分散配置及冗余原则，应按双重化或冗余配置直流电源装置，但在实际工程中没有真正做到双重化或冗余，存在运行隐患，不便于维修。
由于历史原因，不同年代、不同时期、不同项目仪表机柜间内直流电源配置设计不一、要求不一、配置也不尽相同，主要有采用电气直流屏集中为仪表设备供电，机柜间仪表独立配置直流电源单元两种方式。机柜间仪表独立配置直流电源又有多种方式，主要有采用N+1的集中供电方式、系统厂家集成配套第三方直流电源、每个机柜独立配备直流电源等方式，先就每种方式讨论其优缺点并提出改进措施。
1电气专业配置直流屏，由电气直供24VDC至仪表机柜间
电气专业根据仪表负荷，集中配置直流屏，直流屏直接输出至仪表配电柜，在电气侧采用三相交流输入，配置充电电池。直流屏可根据仪表负荷选择不同功率，输出可实现无扰动切换。直流屏输出有多路，可以根据功能不同分别供电。直流屏供电输出电缆多数只有一路，未形成环路，属于单路集中供电，风险集中。如果电缆故障，影响面极大。要经常维护电池、充电机等设备。
直流屏运行稳定，电池、充电机等可以在线检测、更换，且容量大，建议直流供电首选直流屏方式，仪表负荷独立设置，馈出采用环形供电，提高供电安全性，根据我们的专业分工，电气的维护量可能会变大。
2仪表机柜室直流电源采用N+1冗余集中安装，并联输出
电源机架式集中安装，采用N+1冗余输出，输出并联，配置管理单元，实现均流输出，功率较大，便于实现集中监控，可以实现无扰动切换，独立模块出现故障可以更换。
采用机架式集中安装N+1冗余电源，风险较集中，单个模块故障率较高，维修更换风险较大，不建议采用此类方式。
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图3.1两个电源共用一个冗余模块
3仪表机柜独立配置1：1直流开关电源
仪表每个用电机柜独立配置开关电源，为机柜单独供电，风险分散，一旦电源故障，只影响局部，减少对整个装置的冲击。此类直流电源功率较小，常用的有5A、10A、20A、40A，一般最大不超过63A。但在实际工程实践中，冗余接法种类较多，不统一，存在运行隐患，不便于维修。集团公司系统内出现过多起因更换电源模块引发装置波动。现在装置中存在的接法主要有一下几种：
3.1两个电源共用一个冗余模块
两个开关电源共用一个冗余模块，一旦冗余模块中的肖特基二极管故障，在装置运行期间更换冗余模块的难度极大，可维修性极差，风险集中在冗余模块上。
3.2两个电源使用二个冗余模块，但冗余模块采用交叉接法
两个开关电源配备二个冗余模块，冗余模块与电源采用交叉连接，一旦一个电源或冗余模块故障，更换时都会涉及到另一路的安全供电，在装置运行期间，更换电源、冗余模块的风险很大。
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图3.2冗余模块交叉接法
3.3两个（多个）电源之间输出并接，无冗余模块
两个或多个开关电源输出并联在一起，未配置冗余模块，如果某一电源内部发生类似短路、器件烧毁，极易引起其它电源故障，导致整个电源失效。并接电源的最大数量一般有要求，需要仔细核对。
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图3.3多个电源输出并连接法
3.4 两路开关电源输入来自同一路UPS或母线
两路开关电源输入来自同一路UPS或母线，当电气晃电时，两路开关电源均失电，起不到冗余作用。
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图3.4电源输入来自同一路UPS或母线
《石油化工仪表供电设计规范》SH/T3082-2003 规定：直流稳压电源应采用并联运行方式，构成冗余的直流供电系统。以上系统配置均未实现完全冗余，只是局部冗余，给生产运行、维护带来风险，综合以上各类接法，建议采用下图方式，实现冗余。
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图3.5全冗余接法
每一个电源独立配置一个二极管模块，输出从二极管后经隔离开关后接至供电母排，实现1：1冗余，每个回路均可独立切除，方便维修，避免因电源更换造成次生事故。
4.系统厂家集成第三方电源
有许多系统，自己集成电源，如DCS、SIS等。有的电源集成还自带电池，具有多路输出，有的带有强制散热，并带有保护，过热时或风扇停运时会切断电源。
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图4.1外配电源
集成电源设计思路、质量不一、保护不尽相同，比较复杂，维修方式各不相同，应重点掌握这类电源的维护，在可能条件下尽量选用通用电源，尽量选用自然散热方式。
5.两路电源之间无隔离开关，交直流空开混用严重、选型不当、接线不规范
开关电源输入220VAC一般都配有空开，但直流输出往往没有空开，有的直流输出空开配置在电源和冗余模块之间，这两种方式都不利于维护。现场也存在大量交直流空开混用，绝大部分是直流回路选择交流空开，容量不匹配，而且极性接反，失去保护作用。
《石油化工仪表供电设计规范》SH/T3082-2003 规定：直流稳压电源应采用并联运行方式，构成冗余的直流供电系统。并联运行的每个直流稳压电源的输入端和输出端均宜设置空气开关。所用的直流稳压电源必须具有负载平衡功能。《仪表供电设计规范》HG/T20509-2014规定：直流配电柜仅对输出端正极设置自动断路器，但当负极浮空时，输出端的正、负极都设置自动断路器。
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图5.1隔离开关或断路器
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图5.2断路器极性
《石油化工仪表供电设计规范》SH/T3082-2003 规定：断路器的额定电流应同时满足正常工作电流和启动尖峰电流两个条件的要求；多级配电系统中，干线上断路器的额定电流应大于支线断路器的额定电流至少两倍；多级配电系统中，上级断路器的动作时间应大于下级断路器的动作时间。断路器接线要注意极性。
6.直流电源报警信号不完善
直流电源故障报警信号不完善，有的电源或冗余模块没有报警，或报警信息未引入DCS系统。未推送至信息化平台。有的报警检测设置在电源末端，当其中一个电源故障时不能及时发现，直到另一个故障时引发整个系统失电。对上游供电未采取监控措施。
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图6.1具备报警功能模块
对于连续供电要求很高、长周期生产、供电功率大的场合，除了需要提高负载的稳定度外，还要考虑电源本身具备容错的设计，即有故障检测报警、故障隔离、在线更换（热插拔）、冗余等功能。即采用电源模块并联结构，每个模块中都有完善的诊断功能，而且模块在线更换方便，单个模块故障不会影响到其他模块，每个模块内设计自动均流电路，负载稳定度较好。
UPS、直流屏的报警信号接点应引入仪表DCS，仪表对电压、电流及故障状态进行监控。
7.直流电源负荷选取不合理
直流电源负荷选取过小或卡边运行，当一个直流电源故障时，另一个不能全部承担所有负荷，易引起联锁反应。因此要合理计算负荷，选择合适功率电源。某装置现场曾发现两路电源现负荷分别为17.9A、17.6A，一旦一路电源发生故障，全部35.5A的负荷加载至另一块电源模块上，从而使该电源模块过载失效，造成系统掉电。
根据《石油化工仪表供电设计规范》SH/T3082-2003第6.1.1条，仪表电源容量，应按仪表及控制系统的用电总和的1.2-1.5倍确定的要求。要充分考虑一个电源故障时，负荷转移至另一个电源，另一个电源的负荷应该在50%-60%，不宜超过80%。
8.直流电源供电、接地
直流电源交流输入采用UPS或普通电源，输出端均有隔离变压器，应采用TN-S接地方式，输出端中性线与PE线之间的电位差应满足电子信息设备使用的要求（一般规定为2V），PE端地接入配电柜内保护接地汇流排；当配电需要提供参考零电位时，将24VDC负极接入工作接地汇流排，接地连接电阻小于1Ω。
目前安全环保、稳定生产的压力越来越大，建议中石化所有装置为仪表机柜间供电均采用双UPS、分列供电方式，提高供电质量。
24VDC输出是否浮空或接地，各有优缺点，可根据系统设计要求选择，在多数仪表系统中，直流输出负极通常接地。
9.结论
综上所述，对于直流单元电源，由于直流屏的可靠性高，易于维护，容量大，对于新建装置、中央控制室、项目改造等有安装空间的首选配置直流屏供电，供电范围可根据负荷分别配置。对于分散安装、负荷较小、较难实现集中供电的直流电源可选开关电源，尽量减少外配系统电源种类。为了保障电源的可靠性，要合理计算负荷、实现全冗余配置，选择合适容量的断路器、并正确接线，确保各元器件发挥正常作用。
参考文献：
[1]《供配电系统设计规范》GB50052-2009
[2]《低压配电设计规范》GB50054-2011
[3]《电力工程电缆设计规范》GB50217-2007
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[5]《石油化工仪表供电设计规范》SH/T3082-2003
[6]《仪表供电设计规范》HG/T 20509-2014
[7]《电力用直流和交流一体化不间断电源设备》DL/T1074-2007
[8]《电子信息系统机房设计规范》GB 50174 -2008