甘 捷，姚孝庭，于景國，朱志強(qiáng)

(國家管網(wǎng)集團(tuán)川氣東送天然氣管道有限公司，湖北 武漢 430000)

速斷保護(hù)是為系統(tǒng)回路發(fā)生嚴(yán)重故障時(shí)，能夠快速切除故障而設(shè)置。變頻器10 kV斷路器柜速斷保護(hù)是移相變壓器、變頻器和驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)安全、穩(wěn)定運(yùn)行的重要保障[1]，在斷路器柜的預(yù)防性試驗(yàn)中，需要對(duì)速斷保護(hù)定值進(jìn)行整定和校驗(yàn)，確保系統(tǒng)回路發(fā)生短路或接地故障時(shí)，斷路器柜的斷路器能及時(shí)做出響應(yīng)，保證重要電氣設(shè)備安全。由于變壓器鐵芯磁通飽和及鐵芯材料的非線性特征，在通電運(yùn)行瞬間會(huì)產(chǎn)生相當(dāng)大的勵(lì)磁電流，稱為勵(lì)磁涌流[2-4]。對(duì)于斷路器保護(hù)動(dòng)作如何躲過驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)的最大啟動(dòng)電流研究較多，國產(chǎn)設(shè)備采用保護(hù)裝置的綜合保護(hù)，速斷保護(hù)定值在啟動(dòng)過程中采用高值，啟動(dòng)后恢復(fù)低值的方法[5-6]；西門子驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)在斷路器柜出線側(cè)增加1套阻尼電阻，當(dāng)變頻器的斷路器柜在2.3 s內(nèi)合閘時(shí)，通過串聯(lián)一套阻尼電阻來減小啟動(dòng)電流，消除勵(lì)磁涌流；當(dāng)斷路器柜在合閘2.3 s后，通過阻尼柜的時(shí)間繼電器聯(lián)鎖控制阻尼柜斷路器合閘，旁路阻尼電阻，恢復(fù)正常運(yùn)行模式。當(dāng)系統(tǒng)回路存在短路點(diǎn)，而斷路器柜合閘時(shí)，瞬間電流很大，斷路器速斷保護(hù)動(dòng)作，阻尼電阻能減小電流，保護(hù)后方重點(diǎn)電氣設(shè)備安全。本文針對(duì)一起斷路器速斷保護(hù)動(dòng)作事件，通過速斷保護(hù)電流值、電壓波形圖、變頻器預(yù)充壓測(cè)試等方法，分析斷路器柜的斷路器速斷保護(hù)動(dòng)作原因，并進(jìn)行10 kV電氣設(shè)備可能造成短路點(diǎn)的檢查測(cè)試工作，提出故障點(diǎn)排查策略，為解決10 kV斷路器柜速斷保護(hù)動(dòng)作問題提供參考。

1 典型事故案例

某壓氣站2號(hào)7.2 MW機(jī)組在啟機(jī)過程中，西門子變頻器斷路器柜斷路器在合閘送電時(shí)發(fā)生速斷保護(hù)動(dòng)作，同時(shí)阻尼電阻出現(xiàn)相間放電現(xiàn)象，查看速斷保護(hù)動(dòng)作報(bào)警值，L1相動(dòng)作電流值為12.61Is(Is為額定電流)、L2相動(dòng)作電流值為16.6Is、L3相動(dòng)作電流值為15.83Is，遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于設(shè)定的速斷保護(hù)定值2.6Is。首先，分析變壓器勵(lì)磁涌流作用的影響，因?yàn)樽儔浩骺胀稌r(shí)，在系統(tǒng)阻抗、變壓器結(jié)構(gòu)、繞組物理參數(shù)一定的情況下，剩磁和合閘角的組合關(guān)系決定了勵(lì)磁涌流的大小：若剩磁較大，且合閘角在系統(tǒng)電壓過零點(diǎn)附近，同時(shí)磁通變化方向與剩磁方向一致時(shí)，會(huì)導(dǎo)致鐵芯磁通過高而嚴(yán)重飽和，產(chǎn)生較大的勵(lì)磁涌流[7]，勵(lì)磁涌流可達(dá)到額定電流的6～8倍[8-9]，但此時(shí)速斷保護(hù)動(dòng)作電流遠(yuǎn)大于勵(lì)磁涌流，由此可以排除斷路器在合閘送電瞬間受勵(lì)磁涌流的影響而誤動(dòng)作。通過查看系統(tǒng)故障錄波，如圖1所示，合閘瞬間，A、B、C三相電流發(fā)生嚴(yán)重不平衡現(xiàn)象，結(jié)合發(fā)生速斷保護(hù)動(dòng)作時(shí)，三相電流很大的情況，分析系統(tǒng)回路內(nèi)存在短路或接地故障點(diǎn)。

圖1 故障錄波

2 故障排除及確認(rèn)

在一次系統(tǒng)回路中，電氣設(shè)備有阻尼電阻、10 kV斷路器柜和阻尼柜、移相變壓器、變頻器和各個(gè)電氣設(shè)備進(jìn)出線電纜。逐個(gè)對(duì)電氣設(shè)備進(jìn)行試驗(yàn)，找出故障點(diǎn)。

a.排除阻尼電阻故障

阻尼電阻是根據(jù)電阻在電路中的作用而命名，有些電路為了防止回路構(gòu)成等幅震蕩，在線路中串聯(lián)或并聯(lián)電阻來消耗一部分能引起震蕩的能量，這個(gè)電阻叫阻尼電阻。該壓氣站MR公司生產(chǎn)的阻尼電阻和西門子變頻器配套使用，阻尼電阻安裝在10 kV斷路器柜與移相變壓器之間，用來消除移相變壓器在送電時(shí)產(chǎn)生的勵(lì)磁涌流，同時(shí)防止電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)電流過大造成斷路器柜斷路器速斷保護(hù)誤動(dòng)作。阻尼電阻由LV1、LV2、LV3三相電阻及瓷瓶組成，如圖2所示，每相之間通過瓷瓶進(jìn)行絕緣隔離，每相的電阻值要求在9.5 Ω(±10%)范圍內(nèi)，每相在2 s內(nèi)的瞬時(shí)電流為280 A，由于阻尼電阻絲在通電運(yùn)行后需要釋放出很多熱量，因此，阻尼電阻運(yùn)行后冷卻時(shí)間不少于10 min，以便于電阻絲冷卻散熱。

圖2 阻尼電阻

變壓器送電運(yùn)行瞬間，由于鐵芯磁通飽和作用而產(chǎn)生較大的勵(lì)磁涌流，導(dǎo)致母線電壓跌落，這個(gè)短時(shí)的浪涌尖峰可能會(huì)導(dǎo)致欠壓報(bào)警和對(duì)母線上其他用電設(shè)備產(chǎn)生影響(如循環(huán)水泵、潤滑油泵、其他機(jī)組)，為了避免這種巨大的浪涌效應(yīng)，需要一套阻尼電阻。在此次速斷保護(hù)動(dòng)作事件中，阻尼電阻存在不同程度的放電現(xiàn)象，由于瞬間電流過大，電阻絲存在燒斷的可能，考慮阻尼電阻已使用接近10年，分析是阻尼電阻的瓷瓶老化，絕緣降低，相間放電短路引起的故障。因此，更換一套新的阻尼電阻后進(jìn)行啟機(jī)送電測(cè)試，發(fā)現(xiàn)斷路器柜速斷保護(hù)依然動(dòng)作，阻尼電阻也存在放電現(xiàn)象，電阻絲發(fā)熱熔斷，因此可以排除阻尼電阻自身故障引起的放電短路故障。

b．排除10 kV斷路器柜和阻尼柜故障

電動(dòng)機(jī)運(yùn)行時(shí)，阻尼電阻不允許接入負(fù)載回路，否則持續(xù)有大電流通過，容易損壞阻尼電阻，造成相間短路，所以在阻尼電阻通電運(yùn)行2.3 s 后，將自動(dòng)閉合阻尼柜斷路器，旁路阻尼電阻。分析阻尼柜二次控制回路故障導(dǎo)致阻尼柜斷路器未及時(shí)合閘，沒有旁路阻尼電阻，導(dǎo)致阻尼電阻接入負(fù)載運(yùn)行回路，承受不了負(fù)載產(chǎn)生的大電流而損壞。對(duì)阻尼柜時(shí)間繼電器進(jìn)行校驗(yàn)，未發(fā)現(xiàn)問題，對(duì)10 kV斷路器柜和阻尼柜斷路器進(jìn)行試驗(yàn)，一切正常，排除斷路器柜和阻尼柜斷路器故障。將10 kV斷路器柜置試驗(yàn)位置，對(duì)10 kV斷路器柜進(jìn)行合閘操作，2.3 s后阻尼柜斷路器正常合閘，排除阻尼柜二次回路控制邏輯的問題。

c．排除移相變壓器故障

阻尼柜輸出側(cè)是移相變壓器，移相變壓器是給變頻器供電的專用變壓器，主要由鐵芯及鐵芯上纏繞的繞組組成，采用7個(gè)繞組，一次側(cè)含1個(gè)繞組，連接方式為星形；二次側(cè)含6個(gè)繞組，連接方式依次為三角形、三角形、三角形、星形、三角形、三角形，相鄰兩繞組之間相角差為20°，以保證二次側(cè)電能輸入到變頻器整流器后將電流整定為36脈沖的近似直流電。一次側(cè)電壓等級(jí)為10 kV，二次側(cè)電壓等級(jí)為1.92 kV，當(dāng)一次繞組接交流電源時(shí)，通過一次繞組的電流是交變電流，根據(jù)法拉第電磁感應(yīng)定律，在鐵芯中產(chǎn)生交變的磁通，并在二次繞組感應(yīng)出交流電動(dòng)勢(shì)，感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的大小正比磁通的變化和繞組的匝數(shù)，實(shí)現(xiàn)一、二次繞組之間的能量轉(zhuǎn)換和電壓變化，能量轉(zhuǎn)換過程中產(chǎn)生大量熱量，通過環(huán)繞繞組周圍的變壓器散出熱量，從而保證變壓器正常工作。

如果移相變壓器本體故障，應(yīng)該有變壓器重瓦斯跳閘或者調(diào)壓重瓦斯等非電量跳閘報(bào)警，查看后臺(tái)系統(tǒng)沒有報(bào)警；對(duì)變壓器繞組的直流電阻、吸收比、泄漏電流、交流耐壓進(jìn)行試驗(yàn)，對(duì)變壓器油進(jìn)行取樣化驗(yàn)，都未發(fā)現(xiàn)異常，排除變壓器本體內(nèi)部故障。對(duì)變壓器外觀進(jìn)行檢查：①檢查變壓器的外部、套管及進(jìn)出線電纜沒有放電、閃絡(luò)灼傷痕跡[10]；②檢查變壓器套管沒有臟污、裂紋和引出線松動(dòng)；③檢查變壓器沒有噴油現(xiàn)象。通過以上檢查，進(jìn)一步排除變壓器內(nèi)部故障。

d．確定故障點(diǎn)在變頻器

對(duì)斷路器柜、阻尼柜、移相變壓器及進(jìn)出線電纜逐個(gè)進(jìn)行預(yù)防性試驗(yàn)和外觀檢查，未發(fā)現(xiàn)短路或接地現(xiàn)象，因此重點(diǎn)排查變頻器。

目前，長輸管道的離心式壓縮機(jī)組采用變頻調(diào)速系統(tǒng)，變頻調(diào)速是改變電動(dòng)機(jī)定子電源的頻率，從而改變其同步轉(zhuǎn)速的調(diào)速方式，變頻調(diào)速系統(tǒng)主要設(shè)備是提供變頻電源的變頻器。變頻器主要由整流單元(交流變直流)、濾波、逆變單元(直流變交流)、制動(dòng)單元、驅(qū)動(dòng)單元等組成。變頻器分為交流-直流-交流和交流-交流兩大類，國內(nèi)大都使用交-直-交變頻器，主要因?yàn)榻?直-交變頻器效率高，調(diào)速過程中沒有附加損耗，應(yīng)用范圍廣、調(diào)速范圍大、特性好、精度高。變頻器是把工頻電源(50 Hz或60 Hz)變換成各種頻率的交流電源，以實(shí)現(xiàn)電動(dòng)機(jī)變速運(yùn)行的設(shè)備，如果變頻器輸出頻率降低，電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速也將跟隨頻率降低，其中控制電路完成對(duì)主電路的控制，整流電路將交流電變?yōu)橹绷麟姡绷髦虚g電路對(duì)整流電路的輸出進(jìn)行平滑濾波，逆變電路將直流電再逆變成交流電。當(dāng)變頻器啟動(dòng)確認(rèn)后，先啟動(dòng)冷卻系統(tǒng)，再啟動(dòng)預(yù)充電系統(tǒng)。

首先對(duì)變頻器的整流單元、逆變單元外觀進(jìn)行檢查，未發(fā)現(xiàn)灼傷痕跡。用變頻器調(diào)試軟件對(duì)變頻器進(jìn)行直流母線預(yù)充壓測(cè)試，按照直流母線電壓的10%、25%、50%和85%進(jìn)行測(cè)試，都能預(yù)充到目標(biāo)電壓，說明預(yù)充壓回路工作正常；然后拆卸移相變壓器的低壓側(cè)電纜接頭并做好絕緣保護(hù)，繼續(xù)對(duì)變頻器進(jìn)行直流母線電壓500 V預(yù)充壓試驗(yàn)，查看全波形圖，發(fā)現(xiàn)波形不對(duì)稱，底部波形圖存在畸變，原因可能是部分直流電壓存在“失壓”現(xiàn)象，造成變頻器直流側(cè)“失壓”，分析是整流二極管單元某處被擊穿，在預(yù)充壓時(shí)電壓反向“流失”，存在一定的壓降。對(duì)整流單元的24處整流二極管進(jìn)行測(cè)量，正常情況正向電壓為0.281 V，反向電壓為2.4 V，發(fā)現(xiàn)1處整流二極管A11(V3)被擊穿，1處靠近A11的整流二極管A12(V3)反向電壓為2.3 V，偏低。

變頻器整流單元回路如圖3所示。由于A11(V3)被擊穿，電壓通過其進(jìn)線電纜1L1、1L2經(jīng)二極管V3反向流向進(jìn)線電纜1L3，形成回路，造成相間短路。更換A11(V3)、A12(V3)的整流二極管，對(duì)變頻器的直流母線充壓500 V，查看全波形圖，波形對(duì)稱，對(duì)壓縮機(jī)進(jìn)行啟機(jī)測(cè)試，運(yùn)行正常，斷路器柜速斷保護(hù)沒有動(dòng)作。最后確定變頻器整流二極管故障導(dǎo)致系統(tǒng)回路發(fā)生短路故障。

圖3 變頻器整流單元回路

3 結(jié)論

a.針對(duì)10 kV斷路器柜斷路器速斷保護(hù)動(dòng)作，根據(jù)速斷動(dòng)作實(shí)際電流大小分析，速斷保護(hù)動(dòng)作因?yàn)閯?lì)磁涌流的影響或者系統(tǒng)回路存在對(duì)地放電或相間短路故障而導(dǎo)致誤動(dòng)作，因此對(duì)速斷保護(hù)定值要定期進(jìn)行動(dòng)作測(cè)試，確保動(dòng)作靈敏可靠，預(yù)防電氣事故發(fā)生。

b.開展變頻器的日常檢查維護(hù)時(shí)，對(duì)變頻器的整流二極管要進(jìn)行測(cè)量，發(fā)現(xiàn)二極管的正向和反向電壓異常及時(shí)進(jìn)行處理，避免變頻器送電啟動(dòng)運(yùn)行時(shí)，損壞變頻器。