變頻器10 kV斷路器柜速斷保護動作故障分析及處理

甘 捷，姚孝庭，于景國，朱志強

(國家管網集團川氣東送天然氣管道有限公司，湖北 武漢 430000)

速斷保護是為系統回路發生嚴重故障時，能夠快速切除故障而設置。變頻器10 kV斷路器柜速斷保護是移相變壓器、變頻器和驅動電動機安全、穩定運行的重要保障[1]，在斷路器柜的預防性試驗中，需要對速斷保護定值進行整定和校驗，確保系統回路發生短路或接地故障時，斷路器柜的斷路器能及時做出響應，保證重要電氣設備安全。由于變壓器鐵芯磁通飽和及鐵芯材料的非線性特征，在通電運行瞬間會產生相當大的勵磁電流，稱為勵磁涌流[2-4]。對于斷路器保護動作如何躲過驅動電動機的最大啟動電流研究較多，國產設備采用保護裝置的綜合保護，速斷保護定值在啟動過程中采用高值，啟動后恢復低值的方法[5-6]；西門子驅動電動機在斷路器柜出線側增加1套阻尼電阻，當變頻器的斷路器柜在2.3 s內合閘時，通過串聯一套阻尼電阻來減小啟動電流，消除勵磁涌流；當斷路器柜在合閘2.3 s后，通過阻尼柜的時間繼電器聯鎖控制阻尼柜斷路器合閘，旁路阻尼電阻，恢復正常運行模式。當系統回路存在短路點，而斷路器柜合閘時，瞬間電流很大，斷路器速斷保護動作，阻尼電阻能減小電流，保護后方重點電氣設備安全。本文針對一起斷路器速斷保護動作事件，通過速斷保護電流值、電壓波形圖、變頻器預充壓測試等方法，分析斷路器柜的斷路器速斷保護動作原因，并進行10 kV電氣設備可能造成短路點的檢查測試工作，提出故障點排查策略，為解決10 kV斷路器柜速斷保護動作問題提供參考。

1 典型事故案例

某壓氣站2號7.2 MW機組在啟機過程中，西門子變頻器斷路器柜斷路器在合閘送電時發生速斷保護動作，同時阻尼電阻出現相間放電現象，查看速斷保護動作報警值，L1相動作電流值為12.61Is(Is為額定電流)、L2相動作電流值為16.6Is、L3相動作電流值為15.83Is，遠遠大于設定的速斷保護定值2.6Is。首先，分析變壓器勵磁涌流作用的影響，因為變壓器空投時，在系統阻抗、變壓器結構、繞組物理參數一定的情況下，剩磁和合閘角的組合關系決定了勵磁涌流的大小：若剩磁較大，且合閘角在系統電壓過零點附近，同時磁通變化方向與剩磁方向一致時，會導致鐵芯磁通過高而嚴重飽和，產生較大的勵磁涌流[7]，勵磁涌流可達到額定電流的6～8倍[8-9]，但此時速斷保護動作電流遠大于勵磁涌流，由此可以排除斷路器在合閘送電瞬間受勵磁涌流的影響而誤動作。通過查看系統故障錄波，如圖1所示，合閘瞬間，A、B、C三相電流發生嚴重不平衡現象，結合發生速斷保護動作時，三相電流很大的情況，分析系統回路內存在短路或接地故障點。

圖1 故障錄波

2 故障排除及確認

在一次系統回路中，電氣設備有阻尼電阻、10 kV斷路器柜和阻尼柜、移相變壓器、變頻器和各個電氣設備進出線電纜。逐個對電氣設備進行試驗，找出故障點。

a.排除阻尼電阻故障

阻尼電阻是根據電阻在電路中的作用而命名，有些電路為了防止回路構成等幅震蕩，在線路中串聯或并聯電阻來消耗一部分能引起震蕩的能量，這個電阻叫阻尼電阻。該壓氣站MR公司生產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產生的勵磁涌流，同時防止電動機啟動電流過大造成斷路器柜斷路器速斷保護誤動作。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行絕緣隔離，每相的電阻值要求在9.5 Ω(±10%)范圍內，每相在2 s內的瞬時電流為280 A，由于阻尼電阻絲在通電運行后需要釋放出很多熱量，因此，阻尼電阻運行后冷卻時間不少于10 min，以便于電阻絲冷卻散熱。

圖2 阻尼電阻

變壓器送電運行瞬間，由于鐵芯磁通飽和作用而產生較大的勵磁涌流，導致母線電壓跌落，這個短時的浪涌尖峰可能會導致欠壓報警和對母線上其他用電設備產生影響(如循環水泵、潤滑油泵、其他機組)，為了避免這種巨大的浪涌效應，需要一套阻尼電阻。在此次速斷保護動作事件中，阻尼電阻存在不同程度的放電現象，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行啟機送電測試，發現斷路器柜速斷保護依然動作，阻尼電阻也存在放電現象，電阻絲發熱熔斷，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

電動機運行時，阻尼電阻不允許接入負載回路，否則持續有大電流通過，容易損壞阻尼電阻，造成相間短路，所以在阻尼電阻通電運行2.3 s 后，將自動閉合阻尼柜斷路器，旁路阻尼電阻。分析阻尼柜二次控制回路故障導致阻尼柜斷路器未及時合閘，沒有旁路阻尼電阻，導致阻尼電阻接入負載運行回路，承受不了負載產生的大電流而損壞。對阻尼柜時間繼電器進行校驗，未發現問題，對10 kV斷路器柜和阻尼柜斷路器進行試驗，一切正常，排除斷路器柜和阻尼柜斷路器故障。將10 kV斷路器柜置試驗位置，對10 kV斷路器柜進行合閘操作，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個繞組，一次側含1個繞組，連接方式為星形；二次側含6個繞組，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。一次側電壓等級為10 kV，二次側電壓等級為1.92 kV，當一次繞組接交流電源時，通過一次繞組的電流是交變電流，根據法拉第電磁感應定律，在鐵芯中產生交變的磁通，并在二次繞組感應出交流電動勢，感應電動勢的大小正比磁通的變化和繞組的匝數，實現一、二次繞組之間的能量轉換和電壓變化，能量轉換過程中產生大量熱量，通過環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，應該有變壓器重瓦斯跳閘或者調壓重瓦斯等非電量跳閘報警，查看后臺系統沒有報警；對變壓器繞組的直流電阻、吸收比、泄漏電流、交流耐壓進行試驗，對變壓器油進行取樣化驗，都未發現異常，排除變壓器本體內部故障。對變壓器外觀進行檢查：①檢查變壓器的外部、套管及進出線電纜沒有放電、閃絡灼傷痕跡[10]；②檢查變壓器套管沒有臟污、裂紋和引出線松動；③檢查變壓器沒有噴油現象。通過以上檢查，進一步排除變壓器內部故障。

d．確定故障點在變頻器

對斷路器柜、阻尼柜、移相變壓器及進出線電纜逐個進行預防性試驗和外觀檢查，未發現短路或接地現象，因此重點排查變頻器。

目前，長輸管道的離心式壓縮機組采用變頻調速系統，變頻調速是改變電動機定子電源的頻率，從而改變其同步轉速的調速方式，變頻調速系統主要設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)、制動單元、驅動單元等組成。變頻器分為交流-直流-交流和交流-交流兩大類，國內大都使用交-直-交變頻器，主要因為交-直-交變頻器效率高，調速過程中沒有附加損耗，應用范圍廣、調速范圍大、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，以實現電動機變速運行的設備，如果變頻器輸出頻率降低，電動機轉速也將跟隨頻率降低，其中控制電路完成對主電路的控制，整流電路將交流電變為直流電，直流中間電路對整流電路的輸出進行平滑濾波，逆變電路將直流電再逆變成交流電。當變頻器啟動確認后，先啟動冷卻系統，再啟動預充電系統。

首先對變頻器的整流單元、逆變單元外觀進行檢查，未發現灼傷痕跡。用變頻器調試軟件對變頻器進行直流母線預充壓測試，按照直流母線電壓的10%、25%、50%和85%進行測試，都能預充到目標電壓，說明預充壓回路工作正常；然后拆卸移相變壓器的低壓側電纜接頭并做好絕緣保護，繼續對變頻器進行直流母線電壓500 V預充壓試驗，查看全波形圖，發現波形不對稱，底部波形圖存在畸變，原因可能是部分直流電壓存在“失壓”現象，造成變頻器直流側“失壓”，分析是整流二極管單元某處被擊穿，在預充壓時電壓反向“流失”，存在一定的壓降。對整流單元的24處整流二極管進行測量，正常情況正向電壓為0.281 V，反向電壓為2.4 V，發現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，電壓通過其進線電纜1L1、1L2經二極管V3反向流向進線電纜1L3，形成回路，造成相間短路。更換A11(V3)、A12(V3)的整流二極管，對變頻器的直流母線充壓500 V，查看全波形圖，波形對稱，對壓縮機進行啟機測試，運行正常，斷路器柜速斷保護沒有動作。最后確定變頻器整流二極管故障導致系統回路發生短路故障。

圖3 變頻器整流單元回路

3 結論

a.針對10 kV斷路器柜斷路器速斷保護動作，根據速斷動作實際電流大小分析，速斷保護動作因為勵磁涌流的影響或者系統回路存在對地放電或相間短路故障而導致誤動作，因此對速斷保護定值要定期進行動作測試，確保動作靈敏可靠，預防電氣事故發生。

b.開展變頻器的日常檢查維護時，對變頻器的整流二極管要進行測量，發現二極管的正向和反向電壓異常及時進行處理，避免變頻器送電啟動運行時，損壞變頻器。