一起電動機過電壓保護器短路故障事故分析與對策

楊新凱

（河南能源集團安化公司）

0 引言

某工廠供電設計為二級負荷，分別來自兩個不同電源點。

變電所2#進線電源來自某220kV變電站10kV高壓室，沿平原路過光明路、安林高速公路，向東至曙光路至廠10kV變電所。電纜型號：ZR-YJV22-10-3×400mm2。線路全長：2×2.12km。設計負荷為20MW，單線路滿足全廠供電需求。

變電所1#進線電源來自某35kV變電站10kV高壓室，沿農田路向北過安瀾大道，向東電纜過平野路至曙光路路西轉向北沿曙光路至廠10kV變電所。電纜型號：ZR-YJV22-10-3×400mm2，線路全長：2×3.427km。此條線路最大允許負荷僅5MW，僅滿足緊急停車供電需求。

因兩條線路分別來自兩個不同電源點，平常運行模式為2#電源進線運行，10kV開閉所母聯(lián)柜運行，1#進線僅作為應急保安電源使用。

1 事故經過

2021年10月29日，廠區(qū)各生產系統(tǒng)安全穩(wěn)定運行，凌晨00:39時10kV控制室事故警鈴響，控制室及高壓室事故照明亮，后臺顯示2#進線柜電壓、電流指示為零，2#進線開關速斷過流動作，且配電室內有濃煙冒出，值班人員迅速打開事故排煙風機并將全站失壓事故信息及時上報主要領導。隨后值班人員在對高壓柜檢查中發(fā)現(xiàn)1#空壓機后柜門變形嚴重，防爆觀察孔已開裂，安裝于柜底的三相組合式過電壓保護器已四分五裂。

2 原因分析

2.1 保護裝置記錄情況

（1）SSP1#空壓機數(shù)字式保護裝置

10月29日00時39分56秒879毫秒報電流速斷動作跳閘，動作電流：Ia=2.513A，Ib=2.502A，Ic=0.2A，動作時間11ms。

（2）開閉所1#主進線數(shù)字式保護裝置

10月29日00時39分56秒885毫秒報過流一段動作跳閘，動作電流：Ia=10.37A，Ib=10.26A，Ic=0.4A，動作時間12ms。

（3）開閉所II段PT二次消諧裝置

10月29日00時39分56秒報三次諧波諧振過電壓，諧振頻率：150Hz，開口三角電壓36.2V。

2.2 直接原因

經查看現(xiàn)場及對保護裝置記錄進行分析，確定為SSP1#空壓機過電壓保護器B相接地，在故障點發(fā)生電弧，電弧引起系統(tǒng)振蕩，使非故障二相電壓升高很多，擊穿絕緣，繼而發(fā)展成A、B相相間短路，造成主進線越級跳閘從而造成全廠系統(tǒng)停車的重大事故。

2.3 間接原因

1）10kV開閉所主進線與單臺設備保護定值設定不合理，電流速斷延時均為0秒，未按照規(guī)定要求設定級差，從而導致設備接地或者短路故障發(fā)生時造成主進線越級跳閘，導致事故擴大。

2）電動機過電壓保護器產品有瑕疵，采用的為BST6-A-12.7/600A三相組合式過電壓保護器，在抽檢試驗中發(fā)現(xiàn)部分過電壓保護器底座腐蝕，內部件晃動等情況。

3）廠站主進電源設計不合理，兩條電源線來自不同電源點，且其中一條提供負荷較低，無法實現(xiàn)雙回路分段運行，增加了全站失壓風險。

4）母聯(lián)備自投保護裝置功能未啟用，導致事故發(fā)生時不能利用自動裝置恢復供電，延誤恢復供電時長，導致?lián)p失加劇。

3 技術整改措施

3.1 供電電源采用雙回路電源供電，負荷較小一路電源改為保安電源

一般來說，對于重要的電氣設備，為了保證其供電的可靠性，通常采用兩路電源為其供電，這兩路電源的電壓等級、性質等均一樣，且這兩路電源應該均來自同一級供電系統(tǒng)，正常情況下兩路電源同時供電，用戶側采用單母線分段分列運行方式。

其優(yōu)點在于：

1）防止一路供電過程中出現(xiàn)線路故障，短時不能修復，適合連續(xù)性生產企業(yè)等不能長時間停電的供電。

2）有利于線路安全穩(wěn)定地供電，負荷小的時候可以停止一路供電，對該路線路進行維護，減少線路故障的幾率。因此建議利用原線路桿塔增加一回電源線路，采用單塔雙回方式為某工廠供電。

但是單塔雙回線路有一個缺點，當桿塔出現(xiàn)故障時，可能造成兩條電源全部中斷，此時就需要有供給客戶保安負荷的電源即保安電源，保安電源必須是與其他電源無聯(lián)系而能獨立存在的電源，或與其他電源有較弱的聯(lián)系，正常電源故障斷電時，不會導致另一個電源同時損壞的電源，保安電源與其他電源之間必須設置可靠的機械式或電氣式連鎖裝置。而某工廠的第二電源剛好滿足此項要求，因此將其改為保安電源更為妥當。

供電正常的情況下，電氣設備使用正常電源，當正常電源因故斷電時，應急電源，即保安電源會在極短的時間里自動切換投入，從而保證電氣設備供電的連續(xù)性。

3.2 線路主保護采用線路光纖差動保護，后備保護設定限時過流保護

縱聯(lián)差動保護，即輸電線的縱聯(lián)差動保護，是用某種通信通道將輸電線兩端的保護裝置縱向聯(lián)結起來，將各端的電氣量（電流、功率的方向等）傳送到對端，將兩端的電氣量比較，以判斷故障在本線路范圍內還是在線路范圍外，從而決定是否切斷被保護線路，如圖1所示。主要具有以下優(yōu)點：

圖1 線路光纖差動保護原理圖

1）以基爾霍夫電流定律為判斷故障的依據(jù)，原理簡單可靠，動作速度快。

2）具有天然的選相能力。

3）不受系統(tǒng)振蕩、非全相運行的影響，可以反映各種類型的故障，是理想的線路主保護。將線路主進改造為縱聯(lián)差動保護后，其后備保護可采用限時電流速斷保護，通過增加短延時與下級單臺設備設定時間級差，從而躲過單臺設備或變壓器過流及短路故障反應時間，不僅保障了主進線保護的靈敏性，更解決了單臺設備故障導致越級跳閘問題。

3.3 過電壓保護器選用新型六柱全相雙安全保護裝置

近年來，新材料新工藝的應用，使大量的高壓電氣設備向緊湊型、小型化發(fā)展。配合真空澆注工藝，近20年來環(huán)氧樹脂已作為主絕緣材料大量應用于變壓器、互感器、絕緣子等領域，其電壓等級范圍也由10kV發(fā)展到35kV，正好適合組合式過電壓保護器在中壓領域的應用。氧化鋅元件的國家標準也進行了提高，氧化鋅閥片的制造工藝也進一步提升；氧化鋅閥片的性能近年來提高很快，配合六柱式結構，可以實現(xiàn)無間隙并保證安全運行。基于以上基礎，一種新型的六柱全相雙安全保護裝置應運而生，這種裝置采用六柱式結構，可以在單相接地情況下，安全運行，如圖2所示。

圖2 新型過電壓保護器電氣原理圖

其內部采用了3只三角形接法和3只星形接法的壓敏元件，共6只構成互不干擾的三相相間保護和對地保護，配合環(huán)氧樹脂真空澆注工藝，使六柱保護器在內部結構上緊湊化，實現(xiàn)全絕緣處理，保證了產品的安全運行。保護性能比常規(guī)四星型過電壓保護器更可靠，更安全。相對于常規(guī)四星型過電壓保護器，相單元持續(xù)運行下荷電率偏高，易加速老化降低使用壽命；地單元在出現(xiàn)單相接地時通流容量不足容易熱崩潰。SAT特種六柱全相保護裝置，使用了三角形接法進行相間保護，使用了星形接法進行對地保護，6個單元各司其職，互不干擾，不再導致常規(guī)四星型過電壓保護器的上述問題，提高了相間保護，對地保護的可靠性。

同時具有電機匝間保護能力。

3.4 啟用母聯(lián)備自投保護功能，縮短應急恢復時間

備用電源自投裝置（備自投） 是電力系統(tǒng)中為了提高供電可靠性而裝設的自動裝置，對提高多電源供電負荷的供電可靠性，保證連續(xù)供電有重要作用。某工廠采用的為北京四方廠家生產的CSC-246 數(shù)字式備投裝置。建議啟用備自投保護功能，具體方案如下：正常運行時，Ⅰ、Ⅱ母均有壓，DL1、DL2在合位，DL3 在分位，如圖3所示 。

圖3 備自投一次主接線圖

Ⅰ母失壓，延時 T1 跳開 DL1；檢測Ⅱ母有壓延時T3 合 3DL 保證正常供電。 Ⅱ母失壓，延時 T2 跳開DL2；檢測Ⅰ母有壓延時 T3 合 3DL 保證正常供電。

3.4.1具體調試方案

（1）試驗前準備確認工作

1）母聯(lián)柜與1#（2#）進線柜聯(lián)鎖外接線檢查，校對：主要包括母聯(lián)備自投跳1#（2#）進線，合1#（2#）進線、1#（2#）進線柜至母聯(lián)柜狀態(tài)信號、1#（2#）進線柜至母聯(lián)柜電流信號、I段、II段PT柜至母聯(lián)柜電壓信號，確保外接線準確無誤。

2）母聯(lián)柜備自投裝置整定：①將分段備自投方案一控制自投入，備自投軟壓板投入，備自投T1與T3延時按照要求進行整定。②電流電壓定值按照要求進行整定。③將備自投合閘、備自投跳2#進線、備投總閉鎖硬壓板投入，將備自投分閘、備自投跳1#進線、備自投合1#進線、備自投合2#進線硬壓板退出。

3）檢查確認母聯(lián)柜與2#進線柜斷路器小車確在試驗位置。

（2）備自投動作調試

1）斷開母聯(lián)柜與2#進線柜裝置電源與控制電源，利用短接線短接母聯(lián)柜內：工作位置接點3#與19#線、隔離聯(lián)鎖接點7#與11#線；短接2#進線柜內工作位置接點3#與19#線。

2）測量母聯(lián)備自投裝置I母電壓正常，1#進線電流正常，將試驗儀器電壓、電流輸出接入母聯(lián)備自投裝置對應的II母電壓與2#進線電流端子。

3）合上母聯(lián)柜與2#進線柜內裝置電源與控制電源，在試驗位置將2#進線柜斷路器合閘，同時試驗儀器施加三相正常電壓，0.5A電流；延時20s使備自投裝置滿足充電條件。

4）20s后停止試驗儀器的電流與電壓輸出，此時應經T1延時跳開2#進線開關，再經T3延時后備自投合母聯(lián)，則母聯(lián)備自投合閘成功。

（3）備自投閉鎖試驗

1）按照備自投動作調試中將2#進線柜試驗位置合閘，同時試驗儀器施加三相正常電壓，0.5A電流；延時20s使備自投裝置滿足充電條件。

2）20s后在2#進線柜上操作“分閘”把手將2#進線柜手動分閘，同時停止試驗儀器的電流與電壓輸出。

3）此時備自投應閉鎖合閘，經T1與T3延時后母聯(lián)柜仍處于分閘狀態(tài)，則母聯(lián)備自投閉鎖成功。

需要特別注意的是：①如圖3中裝置 1 跳進線時，應考慮對側保護裝置重合閘時間；②備投裝置可外擴節(jié)點聯(lián)切電容器組，或時間整定上配合電容器組的失壓保護時間定值，靠電容器保護切除電容器組。

3.5 增加低壓防晃電設施

電網出現(xiàn)晃電時，會引起變頻設備跳停，工藝不同程度的中斷，造成物料排廢，對產品質量、產量造成一定損失。為了保證工藝生產的連續(xù)性，減少非計劃停車，同時為了節(jié)約搶修時間，更重要的是為了避免次生的設備損壞、火災和人身傷亡事故的發(fā)生，采用防晃電技術在供電系統(tǒng)中進行應用日趨重要。確保某工廠關鍵變頻設備以及SSP，公用工程車間軟啟動設備在電網發(fā)生“晃電”時，不因低電壓動作跳閘，保證生產裝置的連續(xù)、高效、穩(wěn)定的生產。可以采取以下措施：

1）采用低電壓穿越系統(tǒng)，當電網電壓正常時，變頻器由交流母線供電，發(fā)生 “晃電”時，變頻器直流母線轉由低電壓穿越系統(tǒng)給變頻器提供直流電，以此來保證變頻器的正常運行。

2）SSP和公用工程軟啟動設備增加許繼信息PUMG650系列帶有抗晃電模塊的低壓電動機保護器，控制回路電源由抗晃電模塊提供，軟啟動器內保護值適當放大，由綜保對電機進行保護，在發(fā)生晃電時，從而起到防晃電作用。

3）3臺空壓機采用給現(xiàn)場電控柜提供穩(wěn)定的UPS電源，晃電時，保證電控柜內元件不發(fā)生誤動，確保了空壓機的穩(wěn)定運行。

優(yōu)點分析：當電網電壓正常時，變頻器由交流母線供電，低電壓穿越系統(tǒng)處于熱備用狀態(tài)。當發(fā)生晃電時，變頻器直流母線電壓低于低電壓穿越系統(tǒng)輸出電壓，轉由低電壓穿越系統(tǒng)給變頻器提供直流電，以此來保證變頻器的正常工作。當電網電壓恢復時，裝置自動退出工作狀態(tài)，轉為熱備狀態(tài)。

3.6 重要設備配備柴油發(fā)電機

鑒于某工廠為連續(xù)性生產企業(yè)，一旦停電且不能及時恢復時，將造成大量原料結焦，堵塞工藝管道，造成巨額經濟損失，因此為重要設備配備柴油發(fā)電機就成為重中之重，且柴油發(fā)電機具有配套設備結構緊湊、安裝地點靈活、燃油經濟、熱效高、工作可靠、耐久、故障低等優(yōu)點。

4 結束語

供電安全的管理工作，不僅僅需要本文所述的技術革新與改造，還需要完善的安全管理制度，采取的主要管理措施主要有以下幾方面：

1）建立健全各項規(guī)章制度，操作規(guī)程及崗位責任制，并嚴格考核執(zhí)行。

2）加強日常使用電維護監(jiān)管工作，將點檢定修、隱患排查、計劃檢修與系統(tǒng)大修進行有機結合，確保設備非帶病運行。

3）定期進行電氣設備及保護裝置預防性試驗并建立檔案，確保設備保護齊全，可靠。通過采取以上幾項措施，將有效避免電氣設備事故的發(fā)生，有力保障企業(yè)生產系統(tǒng)運行質量，為生產系統(tǒng)的安穩(wěn)長滿優(yōu)運行奠定扎實基礎。