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电压骤降事故中升降机跳闸的缓解措施

发表时间:2020-06-11 13:08

电压骤降事故中升降机跳闸的缓解措施

2005年10月,香港特区政府将扶手电梯的电压骤降过渡能力列为《升降机及自动梯设计及建造实务守则》(第8号修订)的技术规定之一。扶手电梯的电压骤降过渡方案是一项有效而具有成本效益的投资,有助提升敏感设备的电力质量相容性。有些升降机也可能会在电压骤降之时出现跳闸。虽然大部分现代化升降机均设有自动重新启动装置,但这项功能偶而会不能运作而导致乘客被困。除非升降机因被安全装置锁定而必须由维修人员处理,否则在大部分情况下,适当的缓解措施是可以改善跳闸情况。有关措施包括遥距警报、可抵御电压骤降的马达驱动器、缓冲组件,及自动拯救装置(ARD)等。

  本文件阐述为改善升降机系统电力质量而制订的主要措施,以及有助升降机系统应付电压骤降的缓解措施。


1简介

  中华电力是香港的电力公司,为九龙、新界、大屿山及大部分离岛的住宅和商业用户提供电力服务。公司经营发电、输电及供电的纵向式综合服务,致力为供电地区内超过两百万用户提供高度可靠的电力供应及优质的客户服务。

  在香港,电压骤降是目前最受关注的电力质量问题之一。电压骤降的自然成因包括闪电、投入高负荷设备、供电系统故障,或树木增生所导致的线路故障等。由于许多电压骤降情况是自然现象所导致,因此无法完全避免。即使完全使用地底电缆以避免外在干扰,供电系统仍可能因设备或电缆故障而出现电压骤降现象。

  今天,用户需要极高质素的电力供应,以确保其设备正常运作。电脑化设备的出现,使电力质量成为一个重要议题。客户购买新设备时通常不会留意电压骤降的影响,原因是设备制造商并没有提供电压骤降兼容度的标准或指引。一旦设备的运作因电压骤降而中断,客户便会责难电力公司的电力质量太差。因此,用户要求电力公司提供极优质电力,而不寄望制造商提供具有适当电力质量兼容性的设备。

  踏入新千禧年后,中电成立了一个小组,专责处理所有电力质量相关事宜。小组的使命是透过与客户、制造商、电网经营商及规管机构密切合作,提供符合成本效益的电力质量解决方案。


2电力质量计划

  客户方面,电力质量小组与客户及其设备供应商合作,并向他们灌输有关电力质量问题及规格的知识,以努力帮助用户减少电力质量问题。团队提供的增值服务包括。

2.1电力质量服务

  小组提供电力质量服务,直接帮助用户减轻电压骤降对其生产/运行构成的影响。其主要职责包括透过外展/访问,了解客户的电力质量问题,并进行调查以识别用户设备中的“薄弱环节”,从而提高设备对电压骤降的过渡能力;此外,亦提供检测服务帮助客户确定电力质量问题。“薄弱环节”是指对电压骤降过于敏感因而导致设备跳闸的组件。

2.2评估电力质量缓解设备

  此项工作包括搜集、测试、评估及推介市场上的电力质量缓解设备/装置,以减轻电压骤降造成的影响。

2.3沟通及宣传

  此项工作包括就电力质量相关事宜与内外客/相关人士进行沟通。主要活动包括为大型客户举行电力质量研讨会;透过小册子、及网站开展用户及大众宣传活动,以及为用户、顾问/承办商、制造商及内部员工提供培训。这些活动旨在让所有相关人士,尤其是用户了解电力质量事宜,并让他们充分掌握解决方法。


3扶手电梯及升降机

  在某些情况下,电压骤降可能引致安全问题,例如扶手电梯及升降机跳闸而突然停顿等。对扶手电梯及升降机等运输系统而言,最终目标是安全、高效地运送乘客。为维持运输系统,例如铁路的日常客运流量,扶手电梯的速度与设计均是需要审慎考虑的重要因素。为纾缓繁忙时间的挤迫情况,扶手电梯必须具备相当的运行速度。《升降机及自动梯设计及建造实务守则》规定,扶手电梯倾斜角度达到30度时,运行速度不得超过0.75m/s,倾斜角度在30度至35度时,则不得超过0.5m/s。这是为了防止扶手电梯不正常地突然停顿时,乘客不致因急剧的震动而跌伤。每部扶手电梯都配有制动系统,可于供电中断时将扶手电梯煞停。在电压骤降情况下,电梯亦可能会跳闸而停顿。对于减轻电压骤降的影响,仍有改善的空间。2005年10月,香港特区当局将扶手电梯的电压骤降过渡能力列为《升降机及自动梯设计及建造实务守则》(第8号修订)的技术规定之一。

  符合过渡(持续运行)要求可尽量减少扶手电梯因突然跳闸而出现的强烈颠簸。经改良的扶手电梯,在成功过渡电压骤降时出现的颠簸,远比跳闸时轻微。一般而言,我们可透过改善扶手电梯的控制及紧急操作来达致过渡能力的要求。这可有效确保乘客安全、减少运行中断、保持乘客流量,并带来更舒适的乘搭体验。有些升降机的运行亦会受到电压骤降的影响,给乘客带来不便和安全问题。据消防处和相关机构报告,一些电动升降机在出现严重电压骤降时跳闸,使乘客被困。香港约有50,000部升降机,据报受电压骤降影响的升降机最多只占0.089%。尽管升降机因跳闸而停止运作的比例不高,但对被困的乘客却是一个非常不愉快的经历。在巿民对优质服务的要求不断提高、人口持续老化之时,这已成为现代都市一个备受关注的问题。参考扶手电梯过渡电压骤降的成功例子,可以作为改善升降机因电压骤降引起乘客被困这问题上的借镜。


3.1香港的升降机系统

  香港的升降机总数约在50,000部以上,扶手电梯总数则约在6,000部以上(包括香港岛、九龙、新界及大屿山)。升降机包括全球不同制造商的各种型号,其中不同的驱动类型包括:

  (1)AC2——交流马达双速驱动

  (2)ACVV——交流马达可变电压驱动

  (3)DCWL——直流马达变速控制驱动(配有马达发电机组)

  (4)DCT——直流电晶闸管相控(无马达发电机组)

  (5)ACVVVF——交流马达变压变频驱动

  (6)液压

  事实上,ACVVVF是香港升降机最普遍使用的驱动类型,其稳定性、可靠性和能源效益均较高。部分液压升降机以高度运载能力,取得香港升降机市场较小的占有率。然而大部分升降机都采用微处理器进行控制。


3.2潜在的弱点

  大多数升降机都配备自动重启功能,因此即使在电压骤降时跳闸,也能自动重设并回复运作。然而,有时升降机可能被机械安全保护闭锁,使自动重启装置无法运作。导致升降机跳闸的机械安全保护(见图1),包括位于升降机门转子、限速器、破损钢带(机槽内的选层器钢带安全开关)、上/下限安全开关及计数器。跳闸的其他原因包括系统故障(控制电路的故障)、升降机在隧道范围内跳闸、驱动器故障,以及控制处理器失灵等。

  根据这些现象,我们可以总结出两类导致升降机跳闸及乘客被困的原因:

  (1)机械故障,

  (2)系统故障。

  机械故障由升降机的安全保护引起,需要承建商派出适当员工前往现场,以手动方式重新设定/启动升降机。

  系统故障包括:

  (1)隧道区内跳闸

  部分升降机的设计是分区运作,高层专用升降机不会停留较低楼层,而不停留的通道称为隧道区。有些类型的升降机(见图2)可能在隧道区内跳闸,原因是超时(45s)保护装置动作,此保护原本的作用是防止机厢在马达运行时受阻/拖行。电压骤降过后,升降机将缓慢运行以找寻下一个机门位置。此时,升降机从处到达隧道底部的下一个机门所需的时间可能超过45s,而且隧道的中间位置并无感应器。

  不同升降机制造商设定的超时保护装置各有不同。其中一个可行的解决方案是在隧道区安装位置感应器,向控制系统传达升降机正在运行及未受阻碍的讯号。有些升降机于隧道区跳闸后,在慢速重启下,可能需要五分钟以上才能恢复正常运作;所以另一个可行方案是利用隧道区设置的紧急出口门,让乘客在升降机重新调整位置前疏散。第三个方案可考虑重新设定升降机由电压骤降至回复正常运作过程中的运行速度。


  (2)驱动器故障及控制系统失灵

  电压骤降模拟测试于2007年1月进行,其线路配置见附录1。测试结果(见表1)显示,当升降机下行,模拟三相电压降至70%,持续时间达0.1s时,升降机便会跳闸并且锁定。当升降机上行,三相电压降至60%,持续时间达0.08s时,升降机也会出现上述现象。测试发现,直流母线欠压时,马达驱动器便会跳闸,使乘客被困,需要以手动方式重新设定才能恢复升降机的运行。

  据了解,升降机也可能会在马达高负荷的情况下跳闸并且闭锁。尽管升降机可过渡轻微的电压骤降,但电压骤降时升降机会出现震动。此类震动亦可能触发其他保护装置,导致乘客被困。结果显示,升降机需采用与扶手电梯类似的过渡装置,以改善电压骤降时的性能表现。


  (3)重启时间过长

  有些升降机可能不会出现驱动器故障或处理器失灵的问题,但电压骤降后的重启时间(例如处理器重启来校准马达磁极和升降机位置)过长。尽管升降机最终能够重启,但重新启动时间太长,乘客可能误以为他们被困而感到恐慌。透过采用过渡装置来稳定升降机的控制电源,可尽量减少此类不必要的跳闸/重启操作。

  尽管如此,我们亦需妥善处理乘客的心理反应。建议使用显示器或音频系统,使乘客知道升降机的异常情况,例如向他们宣布及简单说明运行的暂时中断,以纾缓乘客的紧张情绪。


3.3具成本效益的电压骤降缓解方案及预先规划

  若然并非机械故障,大多数升降机在电力中断或电压骤降后,一般可透过其内部断电重启/重新调整位置逻辑电路,恢复运行,但亦有例外情况。处理这些情况的其中一个方法,是加装过渡装置,在电压骤降时稳定升降机,将运作受到的干扰降至程度。对升降机马达驱动器的两个过渡装置的测试,详见下文过渡电路及自动救援装置(ARD)测试一节。另外,辅助系统的过渡能力亦不可忽视。控制电路应配备电压稳定器,以防电压波动引起的问题/事故,从而延长机电组件的寿命及稳定性,提高服务表现。另一种方法是在乘客被困升降机时,加快营救速度。为此,我们可考虑采用市面上另外两个解决方案:

  (1)自动救援装置(ARD)

  自动救援装置提供备用电源及控制功能,以便在停电及系统故障时,乘客可从最接近的楼层逃生。自动救援装置应安装电压骤降探测器及其他感应器,以确保升降机系统因电压骤降而失灵时,自动救援装置能有效地启动「救援」功能。

  自动救援装置可接驳至马达驱动器、控制主板上的监视触点或其他设备,以接收故障讯号,在升降机跳闸及无法重启时发挥救援功能。由于自动救援装置自备电源,而且能够在升降机控制系统失灵时接管其控制功能,因此可灵活地编程,以应付其他故障情况。

  (2)遥距警报及通信系统(RACS)

  遥距警报及通讯系统配备运作计数器、感应器、控制输入/出功能,以及连接升降机与升降机公司服务中心的通讯频道。若发生紧急情况,被困乘客与升降机公司的当值员工可保持有效的联系。该系统不仅可安抚焦虑的乘客,还可为检修工程师提供足够的资讯(详见图5),协助他们快速地营救乘客及清除故障。另外,此系统可遥距监控升降机主要组件的运作情况,并适当和全面地记录升降机的维修及操作历史。

  有些遥距警报及通讯系统还配备视像镜头,可在线上实时监视机厢的情况。

  以上解决方案(不论是过渡或救援功能)均可提高升降机的性能表现,故日后安装新设备时应将此等方案纳入设备规格之内。预先规划,就是加强设备性能,及预防日后出现问题,成本效益的良方。


3.4预先规划

  方法是规定新采购的设备需要具备过渡能力(设备对电压骤降兼容度的国际标准,例如SEMIF47、ITIC曲线及IEC61000-4-34和-4-11等)。香港一个高科技工业邨最近采用了此方法,证明卓有成效。


3.5过渡装置及自动救援装置(ARD)测试

  升降机的主马达驱动器可通过两个方法获得过渡能力。其一是选择具备过渡能力的先进马达驱动器;其二是在马达驱动器的直流母线上安装储能缓冲装置。(1)测试先进马达驱动器

  以下测试是在2006年11月进行,接线配置如附录1所示。测试结果(详见表2)显示,当三相电压降至70%,持续时间0.5s,马达在电压骤降期间仍保持运转,但速度明显降低。当电压降至60%并为时0.15s,所得结果相同。但当电压骤降至60%而持续时间达0.2s,马达驱动器便会跳闸。

  虽然先进马达驱动器无法在严重的电压骤降下运作,但其过渡能力明显胜于普通驱动器。普通VVVF驱动器会在模拟电压骤降时(即电压降至70%,持续时间0.1s)跳闸。


  (2)测试已加装缓冲装置的升降机

  我们测试了升降机在未采用援解措施前的一些表现,测试结果如上文所述。在下行过程中,升降机会在三相电压降至70%而持续0.1s时跳闸。为提高控制器/电器的稳定性,我们使用无间断电源供应器(UPS)来稳定升降机控制板的供电。为提高马达驱动器的稳定性,我们建议使用蓄能缓冲装置,以稳定驱动器的直流母线电压。

  我们在加装品牌B的蓄能缓冲装置及无间断电源供应器后,重新进行测试。升降机可在三相电压降至50%(持续时间1.0s)及降至40%(持续时间0.3s)时顺利过渡,而无任何明显的异常情况。电压骤降只会造成几乎察觉不到的轻微震动。测试结果令人满意。详尽的测试结果如表4示。


  (3)测试加装自动救助装置的AC2升降机

  此测试于2006年8月,在香港旺角区某幢大厦的AC2型升降机进行。该升降机仅停偶数楼层,为12楼。测试期间,工作人员发出指令,让升降机在4楼与8楼之间运行。升降机系统同样由电压骤降测试装置(见附录1)接驳至主电源。与升降机系统连接的自动救援装置(见图8)安装了电压骤降探测器。测试按以下步骤进行:

(1)对自动救援装置的内置电压骤降探测器进行电压骤降测试,操作设置值为50%,持续时间为0.2s。测试人员先关闭其实际接管功能,以先验证其启动功能,结果探测器能正确检出该电压骤降。

(2)自动救援装置所有功能全部投入,电压骤降探测器设置改为50%,持续时间为0.05s。升降机按照测试人员的指令,在4楼与10楼之间运行。此时,再次模拟电压骤降。在电压降至70%,持续时间为0.1s时,升降机运作正常。当电压降至40%,持续时间为0.1s时,自动救援装置启动,将升降机带至最接近的楼层,然后恢复升降机系统的控制功能;升降机回复正常运作。

(3)以人手操作,模拟控制器的故障,以检测自动救援装置的运作。安装测试掣,以模拟升降机由10楼降落至4楼期间控制器突然失灵。测试结果是升降机立即停顿,自动救援装置成功检测到故障。20s后,自动救援装置将升降机带至最接近楼层,以人手关闭测试掣后,整个系统回复正常运作。

(4)进行断电模拟测试,以评估自动救援装置在完全断电后的性能。测试在升降机于8楼与10楼之间运行时进行。测试人员将升降机系统电源关闭10s,造成真实的断电,使升降机停止运作。大约20s后,自动救援装置启动,慢速将升降机带回10楼,然后打开机门。

  停电时,机房内升降机控制器顶部的紧急灯亮起。救援操作完成后大约20s,升降机门再次关闭,机厢停在10楼。自动救援装置完成所有操作后,便将控制权转回原来的升降机系统,整个升降机系统随之回复正常运作。所有测试结果概述于表5以便参考。


  根据在旺角的现场测试结果,自动救援装置可在真正发生电力及控制器故障时营救乘客。为自动救援装置装配高精度的电压骤降探测器的好处,是确保在电压骤降时接管升降机系统的控制功能,营救被困乘客。

  另外还应注意的是,为了优化系统性能,应根据升降机的特点设定自动救援装置的电压骤降感应设定。当自动救援装置接管升降机的控制功能时,升降机会立即停顿,所以非必要地切入自动救援装置,并非理想的情况。因此,若升降机承建商相信升降机可过渡较轻微的电压骤降,则应将电压骤降感设定调校至在这情况下不要让自动救援装置接管控制功能,但如果未能肯定升降机的过渡能力,则应由自动救援装置接管控制功能,以免损坏升降机任何组件。

  鉴于测试结果令人满意,因此我们建议升降机业主、升降机承建商及升降机工程师安装过渡设备及自动救援装置,以提高升降机在电压骤降时的性能表现。


4结论

  升降机跳闸可由多种原因造成,但事实上只有小部分的跳闸事故与电压骤降有关。基于电力系统本身的特点,无论付出多少努力,电压骤降都是无法完全杜绝的。为了解决升降机因电压骤降而跳闸的问题,成本效益的方法,是规定新采购的设备需要具备过渡能力(设备对电压骤降兼容度的国际标准,例如SEMIF47、ITIC曲线及IEC61000-4-34和-4-11)。另外,与升降机承建商紧密合作,改良系统或安装适当的缓解设备,也可改善现有升降机的性能。解决方案应以低成本为宜,以符合升降机的安装或维修预算。

  可选的解决方案,包括采用先进马达驱动器或加装蓄能缓冲装置以加强过渡功能,尽量减低对升降机运作的干扰,从而提高控制功能及马达驱动器的性能。此外,自动救援装置等快速应变设备可提供备用电源及控制功能,可接载乘客前往最接近的楼层。救援装置应可在电力故障及系统故障这两种特定情况下运作。

  另外,还可利用有效的遥距警报及通讯系统,搜集以往的维修数据,并担当乘客与服务中心的直接通讯桥梁。与传统系统相比,类似的互动系统具有较多优点。在运输总站、医院及摩天大楼等建筑物,更应考虑采用上述解决方案。这些解决方案需要获得有关政府及认可机构进一步的确认及支持,方可成为行业的常用实务和规定。由于垂直运输科技的发展一日千里,因此控制及紧急运作也必须

  不断更新,以加强高、中及低速升降机的乘客安全,提供更为舒适的乘搭体验。


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