大功率高壓電動機啟動過程中低壓開關跳閘故障分析

葛暉

北京市南水北調南干渠管理處 北京 100195

雁棲泵站是密云水庫調蓄工程第八級泵站，設單級雙吸臥式離心泵3臺，2工1備，配套電動機為三相異步電動機，額定電壓10kV，額定功率4000kW，額定轉速497r/min，采用高壓固態軟啟動器啟動，工頻運行。

雁棲泵站電力負荷等級設計為二級，10kV雙回路供電，采用單母線分段接線方式，帶聯絡。電源采用ZRC-YJY22-8．7/15kV-3＊300電纜，自上級變電站不同主變的10kV母線經開閉站、分界室引至泵站10kV高壓配電室，長度約6．65km。

10kVⅠ段可分別為1#電動機和2#電動機供電，10kVⅡ段可分別為2#電動機和3#電動機供電。

10kV電機饋線柜-軟啟柜-電機采用ZRC-YJY22-8．7/15kV-3＊240電纜，長度約0．12km，饋線柜設低電壓保護，定值為 70V、0．5s。

泵站0．4kV側用電由兩臺800kVA的站用變提供，兩臺變壓器分別引自10kV側不同母線段。0．4kV側采用單母線分段接線方式，帶聯絡，母聯斷路器在自投手復位。

0．4kV側自投功能由可編程控制器和電壓監測繼電器配合完成，當電壓監測繼電器監測到該段母線的電壓超過設定的過/欠壓閾值，且時長超過繼電器延時設定值后，繼電器動作。可編程控制器采集到繼電器動作信號后，發出指令，斷開該段401或402斷路器，母聯投入。

1 電壓暫降引起的故障

1.1 主電動機啟動時低壓斷路器跳閘故障

泵站機組試運行時，啟動10kVⅠ段1#電動機導致該段母線0．4kV側401斷路器跳閘，3秒鐘后低壓母聯445投運，該段0．4kV設備改由Ⅱ段供電。當更換Ⅱ段3#電動機再次試機時，發現Ⅰ段401斷路器也出現跳閘現象。主電動機啟動時，目視觀測照明設備先暗后亮，錄像觀測高壓側電壓由10．5kV降至8kV左右后逐漸恢復，低壓側電壓由410V降至310V后逐漸恢復。

1.2 低壓跳閘對運行的影響

目前情況下，無論開啟10kVⅠ段機組，還是10kVⅡ段的機組，均會引起兩段低壓斷路器跳閘現象，母聯雖可自投，但各輔機（液壓站、稀油站、技術供水）斷電后均突然停運，需重新手動啟動，以確保上位機能夠及時接收到相關反饋信號，保證機組能夠正常啟動，給機組安全運行帶來了威脅。同時低壓斷路器跳閘還會引起辦公生活設備斷電，對生產生活均造成較大影響[1]。

2 主要元器件參數

2.1 401/402斷路器

斷路器本體：ABB SACE Emax系列 E2S2000配PR121/P-LSIG脫扣器。

欠壓線圈+延時繼電器（YU+D）：當脫扣器電源電壓等于35-70%Un時，斷路器延時3s分閘。

圖1 低壓斷路器保護定值

2.2 電壓監測繼電器及可編程控制器

電壓監測繼電器：schneider RM4-TR32 其中過電壓閾值設定為440V,欠電壓閾值設定為360V，延時3s。

圖2 低壓斷路器延時繼電器和電壓繼電器

可編程控制器：MOELLER EASY719

圖3 可編程控制器

2.3 電動機軟啟動器及補償電容

表1 高壓軟啟裝置主要參數

表2 高壓無功補償裝置主要參數

3 故障原因排查分析

為查清故障原因，特邀請斷路器廠家技術人員對斷路器進行檢測，經查斷路器本體無故障。后經試驗，確認401/402斷路器跳閘的原因是欠壓導致電壓監測繼電器欠壓動作并報警，可編程控制器檢測到動作信號后遙控斷路器分閘[2]。因此，可以斷定是因為主電動機啟動負載過大將10kV母線電壓拉低導致同段母線上的站用變壓器產生低電壓所致。

為了驗證該分析，在10kVⅡ段電壓互感器測量回路并聯接入波形記錄儀，在啟動3#機組時，對該段母線電壓波形進行了監測記錄，波形如下圖所示。

圖4 3#機組啟動A相電壓變化

圖5 3#機組啟動B相電壓變化

圖6 3#機組啟動C相電壓變化

由電壓監測圖可知，機組啟動時電壓暫降持續時間約10s，最大壓降約為23%。一般來說，不頻繁啟動的電機，端子電壓不宜低于系統標稱電壓的85%，現有情況下，啟動時的電壓暫降顯然不滿足要求。

而導致電壓降幅過大的原因應該是電網系統容量冗余度不足所致。經與上級變電站了解，隨著經濟發展近年周邊受電區域新增大量用電負荷，系統容量飽和度逐漸提高，冗余度下降。

4 應對措施

通過減小電動機啟動限流倍數等參數可以稍微減小對電網的沖擊，減小電壓降低幅值，考慮到水泵是帶載啟動，現有軟啟設定的限流倍數等參數適當，且已經過數年多次啟動的驗證。另外，減小電動機啟動限流倍數必然導致啟動時間變長，長時間在大電流下工作會導致電動機發熱嚴重減損壽命[3]。

通過調整電壓監測繼電器欠壓閾值、加長延時時間也可躲過電機啟動時的電壓暫降，但最低電壓僅有正常值的77%且持續時間較長，若再調低欠壓閾值，可能造成低壓側電機堵轉，也會影響對電壓敏感的電氣電子設備的正常工作。

綜合以上因素，建議采取以下方式抑制電機啟動時的電壓降低：

（1）提高短路容量。與電力公司協商增加系統容量或更換更大線徑電纜減小系統阻抗，以提高接入點母線短路容量，以減小啟動時壓降。

（2）將電動機啟動方式改為變頻啟動。將電動機啟動方式由軟啟啟動改為變頻啟動，平滑啟動，減小對電網的沖擊，減小啟動時壓降[4]。

（3）啟動時同步投入電容補償裝置。目前電容補償裝置是在軟啟裝置切至旁路運行時才投入運行用于改善功率因數。如果將電容補償裝置的投入時機調整為機組啟動同步投入，則可以在啟動過程補償感性電流，可以有效改善啟動電壓，減小壓降[5]。

現階段來看，提高系統容量的思路最不易實現；改變電容補償裝置投入時機的思路操作起來難度最低，更容易實現，但是改善幅度有限；而將電動機啟動方式改為變頻從根本上講無疑是更有效的方式。

5 結語

本文對雁棲泵站主電動機啟動過程導致低壓斷路器跳閘的現象進行了細致描述，并對故障原因進行了排查分析，結合分析結果提出了3種解決方案為大功率高壓電動機啟動過程改善提供了參考思路。