10 kV 高壓斷路器越級(jí)跳閘的故障分析及整改措施

張 兵，桂騰躍，裴 勇，秦永昌

(1.機(jī)械工業(yè)第六設(shè)計(jì)研究院有限公司 第四工程院，河南 鄭州450007；2.浙江中煙工業(yè)有限公司 寧波卷煙廠，浙江 寧波 315000；3.河南中煙工業(yè)有限公司 許昌卷煙廠，河南 許昌 461000；4.河南中煙工業(yè)有限公司 安陽卷煙廠，河南 安陽 455000)

10 kV高壓斷路器越級(jí)跳閘是電力系統(tǒng)一種比較常見的故障[1-2].當(dāng)故障發(fā)生時(shí)，保護(hù)整定優(yōu)先跳閘的斷路器沒有動(dòng)作，反而由上級(jí)斷路器切除故障[3].隨著電力技術(shù)的發(fā)展，電力系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)越來越復(fù)雜，越級(jí)跳閘故障頻繁發(fā)生，不僅會(huì)擴(kuò)大停電范圍，嚴(yán)重時(shí)還會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)性停產(chǎn)，造成較大的經(jīng)濟(jì)損失[4-7].因此，針對(duì)10 kV高壓斷路器的越級(jí)跳閘故障進(jìn)行分析，查找發(fā)生故障的根本原因并及時(shí)制定相應(yīng)措施，具有十分重要的意義.

1 越級(jí)跳閘的故障現(xiàn)象

2017年7月7日晚，某工廠動(dòng)力車間空壓機(jī)濾波柜發(fā)生內(nèi)部短路(瞬間短路電流超過9 kA)，導(dǎo)致1#變壓器下面的低壓柜空壓機(jī)饋電開關(guān)(又稱饋線框架斷路器)QL4跳閘，切非消防開關(guān)(又稱下級(jí)斷路器)QL3跳閘，低壓進(jìn)線開關(guān)QL2失壓跳閘，變壓器進(jìn)線柜有明顯異味并伴有柜內(nèi)垂直銅排拉弧現(xiàn)象，10 kV高壓饋電柜開關(guān)(又稱繼電保護(hù)裝置控制斷路器)QL1越級(jí)跳閘，動(dòng)力設(shè)備停運(yùn).相關(guān)部門人員到現(xiàn)場檢查空壓系統(tǒng)，發(fā)現(xiàn)監(jiān)控界面數(shù)據(jù)全無，沒有任何信號(hào)，出現(xiàn)亂碼，動(dòng)力車間照明停電，所有空壓機(jī)停機(jī)，鍋爐、真空設(shè)備等全部跳閘斷電，鍋爐的除氧器水系統(tǒng)停電，整個(gè)動(dòng)力車間的生產(chǎn)受到嚴(yán)重影響.

故障發(fā)生后，技術(shù)人員對(duì)低壓開關(guān)柜及其開關(guān)進(jìn)行停電檢查，并對(duì)斷路器進(jìn)行數(shù)據(jù)檢測(cè)，初步判定斷路器、電流互感器等低壓設(shè)備正常，空壓機(jī)饋電柜無異常；但切非消防柜中A相垂直銅排有輕微灼痕，肉眼觀之很不明顯；進(jìn)線柜中垂直于A相和B相的銅排在互感器安裝位置有拉弧現(xiàn)象，B相和C相銅排在互感器安裝位置也存在拉弧現(xiàn)象，銅排邊緣有被電弧灼燒的痕跡；互感器及二次電纜的表面、絕緣隔離板和柜門背后均被熏黑；銅排固定件及螺栓未松動(dòng)，互感器表面光滑、無破損，電線表面無破損(圖1).在短路故障發(fā)生時(shí)，400 V進(jìn)線柜斷路開關(guān)并未動(dòng)作.10 kV側(cè)儀表顯示，短路故障發(fā)生時(shí)最大瞬動(dòng)電流為40 kA以上，超過了進(jìn)線柜斷路開關(guān)的速斷電流值(32 kA).

對(duì)故障初步分析認(rèn)為：由空壓機(jī)濾波器本身故障引起的空壓機(jī)一次供電回路跳閘而導(dǎo)致停電；原設(shè)計(jì)低壓配電柜按功能分為消防和非消防區(qū)域，不符合按系統(tǒng)組別分配原則，在故障發(fā)生時(shí)缺乏單點(diǎn)支持生產(chǎn)的能力；高低壓配電系統(tǒng)整定值參數(shù)設(shè)定存在問題.

(a)互感器及電纜的表面

(b)絕緣隔離板和柜門的背后

2 越級(jí)跳閘的故障分析

圖2所示為某工廠動(dòng)力車間供配電系統(tǒng)線路圖.

圖2 動(dòng)力車間供配電系統(tǒng)線路圖

分析圖2可知，動(dòng)力車間供配電系統(tǒng)的供電線路設(shè)有四級(jí)保護(hù).其中：變壓器高壓側(cè)設(shè)有一級(jí)保護(hù)(即繼電保護(hù)裝置控制斷路器QL1)；變壓器低壓側(cè)設(shè)有三級(jí)保護(hù)(即斷路器QL2、QL3、QL4).變壓器高、低壓側(cè)各級(jí)保護(hù)裝置的動(dòng)作電流和動(dòng)作時(shí)限如表1所示.

空壓機(jī)未配置本地開關(guān)，在其發(fā)生故障時(shí)，由400 V側(cè)空壓機(jī)饋線框架斷路器QL4產(chǎn)生保護(hù)動(dòng)作，而400 V進(jìn)線柜中QL1開關(guān)不動(dòng)作.10 kV側(cè)儀表顯示，當(dāng)時(shí)電路最大瞬時(shí)電流為4 kA以上，超過了QL1的速斷電流值.也就是說，將該保護(hù)跳閘瞬間整定值設(shè)定為短暫的情況下，短路故障會(huì)觸發(fā)對(duì)應(yīng)10 kV側(cè)斷路器產(chǎn)生保護(hù)動(dòng)作，而400 V進(jìn)線柜的框架斷路器整定值未與上級(jí)10 kV高壓開關(guān)柜中QL1斷路器設(shè)置的整定值相適應(yīng)，造成越級(jí)跳閘，導(dǎo)致動(dòng)力1號(hào)變配電整條線路停電，直接造成動(dòng)力車間部分線路失電，最終導(dǎo)致鍋爐與空壓系統(tǒng)無法正常運(yùn)轉(zhuǎn).

在空壓機(jī)低壓供電線路上下級(jí)保護(hù)中，QL2～QL4均為選擇型斷路器.針對(duì)各級(jí)斷路器，應(yīng)注意電流脫扣器整定值與時(shí)間的協(xié)調(diào)配合.為保證上下級(jí)之間保護(hù)動(dòng)作的選擇性，上級(jí)斷路器的過載長延時(shí)和短路短延時(shí)的整定電流，不能小于下級(jí)斷路器整定值的1.3倍[8]；同時(shí)，變壓器低壓側(cè)進(jìn)線開關(guān)QL2宜選用過載長延時(shí)、短路短延時(shí)(0～0.5 s延時(shí)可調(diào))保護(hù)特性，不設(shè)短路瞬時(shí)脫扣器；下級(jí)斷路器QL3宜選用過載長延時(shí)、短路瞬時(shí)及接地故障保護(hù)等；母聯(lián)斷路器宜設(shè)過載長延時(shí)、短路短延時(shí)保護(hù)；QL2和 QL3短路延時(shí)保護(hù)應(yīng)設(shè)有時(shí)間級(jí)差，且不小于0.2 s.QL2(或QL3)與QL4屬于選擇型斷路器之間的級(jí)間配合，由于QL2的Izd2=16 kA比QL4的 1.2倍(即Izd3=1.2×6 kA=7.2 kA)大，因此QL2(或QL3)與QL4符合選擇性要求，而QL2與QL3不符合選擇性要求.

表1 變壓器高、低壓側(cè)各級(jí)保護(hù)裝置的動(dòng)作電流和動(dòng)作時(shí)限

3 越級(jí)跳閘故障的解決方案

(1)現(xiàn)場檢查時(shí)發(fā)現(xiàn)互感器表面有很多灰塵、水泥顆粒及其他不知名的顆粒.經(jīng)分析，進(jìn)線柜產(chǎn)生拉弧現(xiàn)象的原因之一是,梅雨季節(jié)空氣中水汽較大，使灰塵和水泥顆粒等吸收一定水分而導(dǎo)致互感器表面在兩相銅排之間的爬電距離擴(kuò)大.一般情況下設(shè)備可正常運(yùn)行，但在銅排因下級(jí)開關(guān)短路而通過超大電流時(shí)，大電流的電動(dòng)力效應(yīng)與這些灰塵顆粒共同作用而產(chǎn)生拉弧.因此，維修時(shí)應(yīng)對(duì)進(jìn)線柜進(jìn)行初步處理，擦拭被熏黑的門板、銅排、互感器、電線，更換絕緣隔離板，將互感器安裝間距拉大.

(2)低壓配電線路發(fā)生短路、過載或接地故障時(shí)，既要可靠地分?jǐn)喙收想娏?，又要盡可能地縮小斷電范圍，即進(jìn)行有選擇性分?jǐn)?這就要求準(zhǔn)確計(jì)算故障電流，恰當(dāng)選擇保護(hù)裝置及其動(dòng)作電流、動(dòng)作時(shí)限，以保證有選擇地切斷故障回路.同時(shí)，應(yīng)對(duì)開關(guān)整定值進(jìn)行重新調(diào)整，由原來的反時(shí)限保護(hù)改為定時(shí)限保護(hù)，并將開關(guān)脫扣器整定值或狀態(tài)[9]按照表2進(jìn)行調(diào)整.表3所示為2 500 kVA變壓器低壓側(cè)保護(hù)裝置調(diào)整后動(dòng)作電流和動(dòng)作時(shí)間.

表2 2 500 kVA變壓器高壓側(cè)脫扣器新的整定值或狀態(tài)

(3)若車間供配電系統(tǒng)設(shè)計(jì)不合理，一組設(shè)備出現(xiàn)故障則可能影響整個(gè)或者不相關(guān)生產(chǎn)線的系統(tǒng)運(yùn)行.例如3臺(tái)為一組的空壓機(jī)，若其中一臺(tái)發(fā)生故障，引起變壓器回路斷電，因冷卻塔風(fēng)機(jī)及水泵的供電設(shè)計(jì)在故障回路下，而冷卻塔風(fēng)機(jī)和水泵是空壓機(jī)開啟的必備條件，所以另兩臺(tái)空壓機(jī)也將停機(jī)而影響生產(chǎn).供配電系統(tǒng)設(shè)計(jì)不合理會(huì)大大降低系統(tǒng)運(yùn)行的可靠性及故障處理的效率.

充分考慮空壓系統(tǒng)(空壓機(jī)主體、冷卻水泵、冷卻塔風(fēng)機(jī)、PLC控制柜)、制冷系統(tǒng)(制冷機(jī)主體、冷卻水泵、冷卻塔風(fēng)機(jī)及PLC控制柜)、鍋爐系統(tǒng)(鍋爐主機(jī)控制柜、除氧水泵、除氧器、加藥泵、軟水泵及給水系統(tǒng)控制電源)的生產(chǎn)運(yùn)行特點(diǎn)，進(jìn)行合理分組，可確保供電中不會(huì)發(fā)生高壓斷路器的越級(jí)跳閘故障.

表3 2 500 kVA變壓器低壓側(cè)保護(hù)裝置調(diào)整后動(dòng)作電流和動(dòng)作時(shí)限

4 結(jié)束語

10 kV高壓斷路器越級(jí)跳閘故障是由多種原因引起的.但只要在供配電系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中正確確定保護(hù)裝置的動(dòng)作電流和動(dòng)作時(shí)限，保證供電線路上下級(jí)有一定的時(shí)間級(jí)差，就能有選擇地切斷故障回路，并盡可能縮小斷電范圍，減少不必要的停電.同時(shí)，根據(jù)車間生產(chǎn)流程，充分考慮各種用電系統(tǒng)的生產(chǎn)運(yùn)行特點(diǎn)，對(duì)供電回路進(jìn)行合理分組，優(yōu)化設(shè)計(jì)，將會(huì)大大減小停電造成的損失.