廠用電故障對控制回路供電影響分析

葉朋珍 ，李　祥，葉　茂 ，徐　洋

（1.皖能銅陵發電有限公司，安徽　銅陵　244012；2.皖能股份有限公司，安徽　合肥　230000）

0　引言

電力系統在運行時會遇到多種故障，其中由于雷擊、短路故障重合閘、外部或內部電網故障、大型設備起動等原因，造成電壓瞬間較大幅度地波動或者短時斷電又恢復的故障現象，稱為晃電故障[1-2]。目前大多數400 V設備的控制電源設計從400 V抽屜式開關上端口經熔絲或空氣開關取一次側的動力交流電源，一般有取相電壓（220 V）電源和線電壓（380 V）電源兩種，除部分重要設備的控制電源取自直流電源或UPS電源外，由于晃電影響到控制電源導致設備跳閘的事件時有發生。

由于取一次側交流動力電源作為控制電源的設備數量較多，一次側交流動力電源的可靠性運行直接關系到設備的安全穩定運行，研究探討取自一次側交流動力回路的控制電源可靠性問題是非常有必要的。合理設計控制電源能夠有效減小晃電故障的影響，而控制電源的設計方式在目前規程或標準中尚沒有明確的規定。

以一次6 kV電動機故障為例，分析6 kV系統單相接地故障、兩相接地短路故障、兩相短路故障分別對取自一次側交流動力電源的控制電源的影響，同時展開分析400 V一次側交流動力回路在以上3類故障情況下對控制電源的影響。

1　故障描述

某廠4號機為300 MW機組，主接線采用發變組接線方式，接入220 kV系統，如圖1所示。電氣6 kV廠用電系統為不接地系統，設置為4段母線運行，工作IVA段及公用02A段聯絡運行，工作IVB段及公用02B段聯絡運行，低壓廠用變壓器均為Dyn11接線的變壓器，400 V系統為直接接地系統。

2016-08-06 T01∶20，6 kV的4B開式泵電機運行中速斷保護動作，發變組故障錄波器記錄6 kV IV B段B／C相故障。4B開式泵電機保護裝置記錄的動作時故障電流為A相41 A、B相632.9 A、C相627.3 A，繼電保護綜合裝置整定值6.21 In（其中In=5 A，TA變比為 75／5），故一次整定值為

圖1　廠用電接線圖

4B開式泵電機一次設備故障同時發生了400 V的4B空預器主電機跳閘，輔電機聯鎖啟動。檢查空預器主電機絕緣600 MΩ，空預器主電機無異常信號，聯鎖運行的B輔電機運行正常。

后檢查了4B開式泵電機，測絕緣相間大于100 MΩ，對地大于300 MΩ，拆開電機通風擋板，發現電機端部引線處根部有兩處炸裂，4B開式泵電機故障明確。

2　故障原因分析

在分析B空預器切換過程中，發現其他所有400 V低壓輔機均未發生跳閘或者切換情況，整個400 V系統的輔機中只有4B空預器主電機跳閘。經過進一步檢查分析，發現空預器永磁改造后，空預器主輔電機的400 V抽屜式開關控制回路發生了變化：改造后控制電源取自B、C線電壓380 V電壓，如圖2所示，其他400 V抽屜式開關控制電源均取自A相相電壓220 V電壓，如圖3所示。

故障錄波器的錄波圖如圖4所示，從錄波圖分析，IV B段發生了約1～2個周波的短路故障，故障時間約30 ms。IV B段電壓約經過4～5個周波的非正常電壓波形的過渡后恢復正常。故障期間產生了零序電壓（零序電壓取自專用PT的開口三角電壓），由故障錄波圖分析，4B開式泵電機發生了BC相接地短路故障。

圖2　4B空預器主電機控制回路

圖3　其他400 V電機控制回路

4B空預器與4B開式泵主電源均取自高廠變B側的IVB分支，其中4B空預器主電機電源取自保安IVB段。如圖1所示，保安IV B段電源取自6 kV的IV B低廠變低壓側，當4B開式泵BC相短路時，6 kV B側分支電壓下降，IV B低廠變低壓側對應的BC線電壓降低，導致B空預器主電機380 V接觸器返回，4B空預器主電機跳閘，輔電機聯鎖動作。而其他400 V低壓輔機控制電源均取自A相相電壓220 V電源，4A空預器主電機則運行在A側，A側電壓正常，未發生4A空預器跳閘。

圖4　6 kV IVB段錄波

本次事件中，高壓側BC相接地短路，導致低壓側控制電壓Ubc降低至50%額定電壓，低于接觸器釋放電壓75%Us（Us為接觸器額定控制電源電壓），接觸器釋放跳閘，B空預器主電機跳閘。

3　故障對控制電源影響

發生三相故障后，在不考慮繼電保護裝置能快速動作的情況下，根據繼電保護和斷路器切除時間均大于接觸器臨界時間Δt（即接觸器總是先于繼電保護和斷路器動作），不論選取相電壓或線電壓均可導致采用的交流控制電源的設備全部跳閘[3-4]。本文中分析系統故障對控制電源的影響時，不考慮三相完全短路的情況。

本文中對于能夠維持部分控制電源不受影響的故障，分別從高壓側故障、低壓側故障兩大類別進行分析，主要包括高壓側、低壓側的單相接地、兩相短路、兩相接地短路三種故障。

3.1　高壓側故障對控制電源的影響

對于變壓器接線方式為Dyn11的系統，計算當6 kV系統電源故障時，400 V電壓的下降值[5-6]。假定系統為無窮大系統，對應的高壓側各類型故障，計算低壓側三相電壓關系計算。計算中，高壓側稱為角側，下標使用大寫字母；低壓側稱為星側，下標使用小寫字母；計算數值均使用標么值。

3.1.1　單相接地故障

6 kV系統單相接地時，線電壓不受影響，故障相電壓降為0，其他兩相電壓上升為線電壓，400 V電壓保持不變。

3.1.2　兩相短路故障

以B、C兩相短路為例，6 kV系統發生兩相短路故障時，計算6 kV及400 V電壓。

角側電壓序分量為

式中：UλKij下標數字 i分別代表三相 A、B、C， 下標數字j=1、2、0分別代表正負零序分量；上標中的數字λ=（2）代表兩相短路，λ=（1、1）代表兩相接地短路，λ=（1）代表單相接地故障。下文中其他公式表示方法均同。

星側電壓序分量為

故障時，400 V系統電壓為

Ua=U（2）ka1+U（2）ka2+U（2）ka0

｜Ua｜＝0.866

同理，｜Ub｜=0， ｜Uc｜=-0.866， ｜Uab｜=0.866， ｜Ubc｜=0.866，｜Uca｜=1.732。

高壓角側BC相短路故障時，低壓B相電壓降低至0，另外兩相降低至86.6%，線電壓只有CA線電壓正常，其他線電壓均降低至50%。

3.1.3　兩相接地短路故障

以B、C兩相接地短路故障為例，6 kV系統兩相接地短路時，系統零序阻抗為無窮大，計算6 kV及400 V電壓。

角側電壓序分量為

星側電壓序分量為

故障時，400V系統電壓為：

同理，｜Ub｜=0， ｜Uc｜=-0.866， ｜Uab｜=0.866， ｜Ubc｜=0.866，｜Uca｜=1.732。

高壓角側BC相接地短路故障時，低壓B相電壓降低至0，另外兩相降低至86.6%，線電壓只有CA線電壓正常，其他線電壓均降低至50%，如表1所示。

表1　高壓側故障情況下400 V電壓理論計算幅值匯總 %

根據接觸器返回電壓特性[4]和GB 14048.4—2010《低壓開關設備和控制設備 第4-1部分：接觸器和電動機起動器機電式接觸器和電動機起動器（含電動機保護器）》，單獨使用或裝在起動器中使用的電磁式接觸器，在其額定控制電源電壓Us的85%～110%之間任何值應可靠地閉合；接觸器釋放和完全斷開的極限值是其額定控制電源電壓Us的20%～75%（交流）。文獻[4]指出當U下降電壓在0.58時，Δt最小，即當晃電故障導致電壓下降到58%額定電壓時，接觸器最容易斷開。

表2　高壓側各類故障情況下控制電壓能否維持運行匯總

對Dyn11接線方式，角側各類故障情況下星側電壓進行計算，匯總情況如表1所示，統計分析相電壓控制電源及線電壓控制電源能否可靠保持運行（＞75%Un），結果如表2所示。

表2中，μi（μij）表示對應選取的控制電壓相（線）

由表2可知，400 V設備控制電源取相電壓電源（220 V）作為控制電源，在高壓側系統故障情況下，接觸器能維持吸合運行的概率為77.8%，而取線電壓電源（380 V）作為控制電源，故障發生情況下，接觸器能維持吸合運行的概率為55.6%。相比較而言，取相電壓電源（220 V）作為控制電源，在高壓側故障情況下能維持接觸器吸合運行的概率比取線電壓電源（380 V）作為控制電源的方式高1.4倍。

3.2　低壓側故障對控制電源的影響

考慮到400 V系統故障概率較大，400 V設備故障后，繼電保護裝置中熱磁脫扣通常在20～80 ms內切除故障，而控制回路中的接觸器釋放時間與電壓釋放時的殘壓值和電壓釋放時的相角θ相關，通常約20～70 ms釋放。考慮部分情況下，接觸器是先于繼電保護裝置釋放動作的，因而需要考慮400 V系統故障時，系統電壓對控制電源的影響。

400 V系統發生單相接地故障、相間故障、相間接地故障時，分別分析3種類型故障對相電壓控制電源和線電壓控制電源的影響。

計算400 V系統故障情況下系統電壓的變化，假定系統為無窮大系統，變壓器零序阻抗Xt0=0.8Xt1，理想情況下忽略短路時的線路阻抗。

3.2.1　單相接地故障

以a相接地故障為例計算

式中：Xj∑為電抗標么值，數字j=1、2、0分別代表正、負、零序電抗值。

則有

即低壓側a相接地故障時，a相電壓降至0，b、c相電壓降至96%，b、c線電壓保持不變，其他線電壓降至55.4%。

3.2.2　兩相短路故障

以b，c相短路故障為例

故

即低壓側bc相短路故障，a相電壓保持不變，b、c相電壓降低至50%，b、c線電壓降低至0，其他線電壓降至86.6%。

3.2.3　兩相接地短路故障

以b，c相接地短路故障為例

故

即低壓側bc相接地短路故障，a相電壓保持不變，b、c相電壓降低至 0，b、c線電壓降低至 0， 其他線電壓降至57.7%。

對Dyn11接線星側（低壓側）各類故障情況下低壓側電壓進行計算，匯總情況如表3所示，對相電壓控制電源、線電壓控制電源保持可靠運行（>75%Un）的概率進行統計分析，結果如表4所示。

統計結果表明，設備控制電源取相電壓電源（220V）時，在低壓側3種障情況下接觸器能維持吸合運行的概率為44.4%；而設備控制電源取線電壓電源（380V）時，在低壓側3種故障發生情況下，接觸器能維持吸合運行的概率為33.3%。相比較而言，取相電壓電源（220V）作為控制電源，在低壓側發生各類故障情況下能維持接觸器吸合運行的概率比取線電壓電源（380V）作為控制電源高1.3倍。

表3　低壓側故障情況下400 V電壓理論計算幅值匯總 %

表4　低壓側各類故障情況下控制電壓能否維持運行匯總

4　結語

此次400 V電機的一次異常跳閘情況進行分析發現，對于Dyn11接線，角側故障有可能導致星側電壓變化。對其他類型故障進行類似分析，并統計各類故障情況下，高、低壓側故障對低壓側400 V設備運行情況的影響。當利用相電壓作為控制電源時，受系統故障影響的概率低于利用線電壓作為控制電源的情況。不論在高低壓故障情況下，相電壓作為控制電源時，接觸器能維持吸合的概率均比線電壓作為控制電源情況高，因而在設計時宜選取相電壓電源（220 V）作為接觸器控制電源。

另外，利用系統接入交流動力電源作為控制電源時，若高、低壓側發生故障，仍然可能導致接觸器失壓設備跳閘。無論哪種接線方式均無法徹底解決運行設備受系統動力電源影響的問題[8-12]，因而對重要設備應該采用直流電源或UPS電源作為控制電源，確保重要設備不受系統故障的影響。

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