廠用電故障對(duì)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(fā)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(tǒng)在運(yùn)行時(shí)會(huì)遇到多種故障，其中由于雷擊、短路故障重合閘、外部或內(nèi)部電網(wǎng)故障、大型設(shè)備起動(dòng)等原因，造成電壓瞬間較大幅度地波動(dòng)或者短時(shí)斷電又恢復(fù)的故障現(xiàn)象，稱為晃電故障[1-2]。目前大多數(shù)400 V設(shè)備的控制電源設(shè)計(jì)從400 V抽屜式開(kāi)關(guān)上端口經(jīng)熔絲或空氣開(kāi)關(guān)取一次側(cè)的動(dòng)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(shè)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(dǎo)致設(shè)備跳閘的事件時(shí)有發(fā)生。

由于取一次側(cè)交流動(dòng)力電源作為控制電源的設(shè)備數(shù)量較多，一次側(cè)交流動(dòng)力電源的可靠性運(yùn)行直接關(guān)系到設(shè)備的安全穩(wěn)定運(yùn)行，研究探討取自一次側(cè)交流動(dòng)力回路的控制電源可靠性問(wèn)題是非常有必要的。合理設(shè)計(jì)控制電源能夠有效減小晃電故障的影響，而控制電源的設(shè)計(jì)方式在目前規(guī)程或標(biāo)準(zhǔn)中尚沒(méi)有明確的規(guī)定。

以一次6 kV電動(dòng)機(jī)故障為例，分析6 kV系統(tǒng)單相接地故障、兩相接地短路故障、兩相短路故障分別對(duì)取自一次側(cè)交流動(dòng)力電源的控制電源的影響，同時(shí)展開(kāi)分析400 V一次側(cè)交流動(dòng)力回路在以上3類故障情況下對(duì)控制電源的影響。

1　故障描述

某廠4號(hào)機(jī)為300 MW機(jī)組，主接線采用發(fā)變組接線方式，接入220 kV系統(tǒng)，如圖1所示。電氣6 kV廠用電系統(tǒng)為不接地系統(tǒng)，設(shè)置為4段母線運(yùn)行，工作IVA段及公用02A段聯(lián)絡(luò)運(yùn)行，工作IVB段及公用02B段聯(lián)絡(luò)運(yùn)行，低壓廠用變壓器均為Dyn11接線的變壓器，400 V系統(tǒng)為直接接地系統(tǒng)。

2016-08-06 T01∶20，6 kV的4B開(kāi)式泵電機(jī)運(yùn)行中速斷保護(hù)動(dòng)作，發(fā)變組故障錄波器記錄6 kV IV B段B／C相故障。4B開(kāi)式泵電機(jī)保護(hù)裝置記錄的動(dòng)作時(shí)故障電流為A相41 A、B相632.9 A、C相627.3 A，繼電保護(hù)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(kāi)式泵電機(jī)一次設(shè)備故障同時(shí)發(fā)生了400 V的4B空預(yù)器主電機(jī)跳閘，輔電機(jī)聯(lián)鎖啟動(dòng)。檢查空預(yù)器主電機(jī)絕緣600 MΩ，空預(yù)器主電機(jī)無(wú)異常信號(hào)，聯(lián)鎖運(yùn)行的B輔電機(jī)運(yùn)行正常。

后檢查了4B開(kāi)式泵電機(jī)，測(cè)絕緣相間大于100 MΩ，對(duì)地大于300 MΩ，拆開(kāi)電機(jī)通風(fēng)擋板，發(fā)現(xiàn)電機(jī)端部引線處根部有兩處炸裂，4B開(kāi)式泵電機(jī)故障明確。

2　故障原因分析

在分析B空預(yù)器切換過(guò)程中，發(fā)現(xiàn)其他所有400 V低壓輔機(jī)均未發(fā)生跳閘或者切換情況，整個(gè)400 V系統(tǒng)的輔機(jī)中只有4B空預(yù)器主電機(jī)跳閘。經(jīng)過(guò)進(jìn)一步檢查分析，發(fā)現(xiàn)空預(yù)器永磁改造后，空預(yù)器主輔電機(jī)的400 V抽屜式開(kāi)關(guān)控制回路發(fā)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(kāi)關(guān)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(fā)生了約1～2個(gè)周波的短路故障，故障時(shí)間約30 ms。IV B段電壓約經(jīng)過(guò)4～5個(gè)周波的非正常電壓波形的過(guò)渡后恢復(fù)正常。故障期間產(chǎn)生了零序電壓（零序電壓取自專用PT的開(kāi)口三角電壓），由故障錄波圖分析，4B開(kāi)式泵電機(jī)發(fā)生了BC相接地短路故障。

圖2　4B空預(yù)器主電機(jī)控制回路

圖3　其他400 V電機(jī)控制回路

4B空預(yù)器與4B開(kāi)式泵主電源均取自高廠變B側(cè)的IVB分支，其中4B空預(yù)器主電機(jī)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(cè)，當(dāng)4B開(kāi)式泵BC相短路時(shí)，6 kV B側(cè)分支電壓下降，IV B低廠變低壓側(cè)對(duì)應(yīng)的BC線電壓降低，導(dǎo)致B空預(yù)器主電機(jī)380 V接觸器返回，4B空預(yù)器主電機(jī)跳閘，輔電機(jī)聯(lián)鎖動(dòng)作。而其他400 V低壓輔機(jī)控制電源均取自A相相電壓220 V電源，4A空預(yù)器主電機(jī)則運(yùn)行在A側(cè)，A側(cè)電壓正常，未發(fā)生4A空預(yù)器跳閘。

圖4　6 kV IVB段錄波

本次事件中，高壓側(cè)BC相接地短路，導(dǎo)致低壓側(cè)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(yù)器主電機(jī)跳閘。

3　故障對(duì)控制電源影響

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

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

3.1　高壓側(cè)故障對(duì)控制電源的影響

對(duì)于變壓器接線方式為Dyn11的系統(tǒng)，計(jì)算當(dāng)6 kV系統(tǒng)電源故障時(shí)，400 V電壓的下降值[5-6]。假定系統(tǒng)為無(wú)窮大系統(tǒng)，對(duì)應(yīng)的高壓側(cè)各類型故障，計(jì)算低壓側(cè)三相電壓關(guān)系計(jì)算。計(jì)算中，高壓側(cè)稱為角側(cè)，下標(biāo)使用大寫字母；低壓側(cè)稱為星側(cè)，下標(biāo)使用小寫字母；計(jì)算數(shù)值均使用標(biāo)么值。

3.1.1　單相接地故障

6 kV系統(tǒng)單相接地時(shí)，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(tǒng)發(fā)生兩相短路故障時(shí)，計(jì)算6 kV及400 V電壓。

角側(cè)電壓序分量為

式中：UλKij下標(biāo)數(shù)字 i分別代表三相 A、B、C， 下標(biāo)數(shù)字j=1、2、0分別代表正負(fù)零序分量；上標(biāo)中的數(shù)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(cè)電壓序分量為

故障時(shí)，400 V系統(tǒng)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(cè)BC相短路故障時(shí)，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(tǒng)兩相接地短路時(shí)，系統(tǒng)零序阻抗為無(wú)窮大，計(jì)算6 kV及400 V電壓。

角側(cè)電壓序分量為

星側(cè)電壓序分量為

故障時(shí)，400V系統(tǒng)電壓為：

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

高壓角側(cè)BC相接地短路故障時(shí)，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(cè)故障情況下400 V電壓理論計(jì)算幅值匯總 %

根據(jù)接觸器返回電壓特性[4]和GB 14048.4—2010《低壓開(kāi)關(guān)設(shè)備和控制設(shè)備 第4-1部分：接觸器和電動(dòng)機(jī)起動(dòng)器機(jī)電式接觸器和電動(dòng)機(jī)起動(dòng)器（含電動(dòng)機(jī)保護(hù)器）》，單獨(dú)使用或裝在起動(dòng)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(yīng)可靠地閉合；接觸器釋放和完全斷開(kāi)的極限值是其額定控制電源電壓Us的20%～75%（交流）。文獻(xiàn)[4]指出當(dāng)U下降電壓在0.58時(shí)，Δt最小，即當(dāng)晃電故障導(dǎo)致電壓下降到58%額定電壓時(shí)，接觸器最容易斷開(kāi)。

表2　高壓側(cè)各類故障情況下控制電壓能否維持運(yùn)行匯總

對(duì)Dyn11接線方式，角側(cè)各類故障情況下星側(cè)電壓進(jìn)行計(jì)算，匯總情況如表1所示，統(tǒng)計(jì)分析相電壓控制電源及線電壓控制電源能否可靠保持運(yùn)行（＞75%Un），結(jié)果如表2所示。

表2中，μi（μij）表示對(duì)應(yīng)選取的控制電壓相（線）

由表2可知，400 V設(shè)備控制電源取相電壓電源（220 V）作為控制電源，在高壓側(cè)系統(tǒng)故障情況下，接觸器能維持吸合運(yùn)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(fā)生情況下，接觸器能維持吸合運(yùn)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(cè)故障情況下能維持接觸器吸合運(yùn)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(cè)故障對(duì)控制電源的影響

考慮到400 V系統(tǒng)故障概率較大，400 V設(shè)備故障后，繼電保護(hù)裝置中熱磁脫扣通常在20～80 ms內(nèi)切除故障，而控制回路中的接觸器釋放時(shí)間與電壓釋放時(shí)的殘壓值和電壓釋放時(shí)的相角θ相關(guān)，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(hù)裝置釋放動(dòng)作的，因而需要考慮400 V系統(tǒng)故障時(shí)，系統(tǒng)電壓對(duì)控制電源的影響。

400 V系統(tǒng)發(fā)生單相接地故障、相間故障、相間接地故障時(shí)，分別分析3種類型故障對(duì)相電壓控制電源和線電壓控制電源的影響。

計(jì)算400 V系統(tǒng)故障情況下系統(tǒng)電壓的變化，假定系統(tǒng)為無(wú)窮大系統(tǒng)，變壓器零序阻抗Xt0=0.8Xt1，理想情況下忽略短路時(shí)的線路阻抗。

3.2.1　單相接地故障

以a相接地故障為例計(jì)算

式中：Xj∑為電抗標(biāo)么值，數(shù)字j=1、2、0分別代表正、負(fù)、零序電抗值。

則有

即低壓側(cè)a相接地故障時(shí)，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(cè)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(cè)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(duì)Dyn11接線星側(cè)（低壓側(cè)）各類故障情況下低壓側(cè)電壓進(jìn)行計(jì)算，匯總情況如表3所示，對(duì)相電壓控制電源、線電壓控制電源保持可靠運(yùn)行（>75%Un）的概率進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，結(jié)果如表4所示。

統(tǒng)計(jì)結(jié)果表明，設(shè)備控制電源取相電壓電源（220V）時(shí)，在低壓側(cè)3種障情況下接觸器能維持吸合運(yùn)行的概率為44.4%；而設(shè)備控制電源取線電壓電源（380V）時(shí)，在低壓側(cè)3種故障發(fā)生情況下，接觸器能維持吸合運(yùn)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(cè)發(fā)生各類故障情況下能維持接觸器吸合運(yùn)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(cè)故障情況下400 V電壓理論計(jì)算幅值匯總 %

表4　低壓側(cè)各類故障情況下控制電壓能否維持運(yùn)行匯總

4　結(jié)語(yǔ)

此次400 V電機(jī)的一次異常跳閘情況進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn)，對(duì)于Dyn11接線，角側(cè)故障有可能導(dǎo)致星側(cè)電壓變化。對(duì)其他類型故障進(jìn)行類似分析，并統(tǒng)計(jì)各類故障情況下，高、低壓側(cè)故障對(duì)低壓側(cè)400 V設(shè)備運(yùn)行情況的影響。當(dāng)利用相電壓作為控制電源時(shí)，受系統(tǒng)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(shí)，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(shè)計(jì)時(shí)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(tǒng)接入交流動(dòng)力電源作為控制電源時(shí)，若高、低壓側(cè)發(fā)生故障，仍然可能導(dǎo)致接觸器失壓設(shè)備跳閘。無(wú)論哪種接線方式均無(wú)法徹底解決運(yùn)行設(shè)備受系統(tǒng)動(dòng)力電源影響的問(wèn)題[8-12]，因而對(duì)重要設(shè)備應(yīng)該采用直流電源或UPS電源作為控制電源，確保重要設(shè)備不受系統(tǒng)故障的影響。

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