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(wǎng)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(tǒng)回路發(fā)生嚴重故障時，能夠快速切除故障而設(shè)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(qū)動電動機安全、穩(wěn)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(tǒng)回路發(fā)生短路或接地故障時，斷路器柜的斷路器能及時做出響應(yīng)，保證重要電氣設(shè)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(chǎn)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(qū)動電動機的最大啟動電流研究較多，國產(chǎn)設(shè)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(qū)動電動機在斷路器柜出線側(cè)增加1套阻尼電阻，當變頻器的斷路器柜在2.3 s內(nèi)合閘時，通過串聯(lián)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(lián)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(tǒng)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(shè)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(shè)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(fā)生速斷保護動作，同時阻尼電阻出現(xiàn)相間放電現(xiàn)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(shè)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(tǒng)阻抗、變壓器結(jié)構(gòu)、繞組物理參數(shù)一定的情況下，剩磁和合閘角的組合關(guān)系決定了勵磁涌流的大?。喝羰４泡^大，且合閘角在系統(tǒng)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(chǎn)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(tǒng)故障錄波，如圖1所示，合閘瞬間，A、B、C三相電流發(fā)生嚴重不平衡現(xiàn)象，結(jié)合發(fā)生速斷保護動作時，三相電流很大的情況，分析系統(tǒng)回路內(nèi)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(tǒng)回路中，電氣設(shè)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(shè)備進出線電纜。逐個對電氣設(shè)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(jù)電阻在電路中的作用而命名，有些電路為了防止回路構(gòu)成等幅震蕩，在線路中串聯(lián)或并聯(lián)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(chǎn)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(chǎn)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(nèi)，每相在2 s內(nèi)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(chǎn)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(shè)備產(chǎn)生影響(如循環(huán)水泵、潤滑油泵、其他機組)，為了避免這種巨大的浪涌效應(yīng)，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(xiàn)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(fā)現(xiàn)斷路器柜速斷保護依然動作，阻尼電阻也存在放電現(xiàn)象，電阻絲發(fā)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(xù)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(chǎn)生的大電流而損壞。對阻尼柜時間繼電器進行校驗，未發(fā)現(xiàn)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(cè)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(cè)含1個繞組，連接方式為星形；二次側(cè)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(cè)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(cè)電壓等級為10 kV，二次側(cè)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(jù)法拉第電磁感應(yīng)定律，在鐵芯中產(chǎn)生交變的磁通，并在二次繞組感應(yīng)出交流電動勢，感應(yīng)電動勢的大小正比磁通的變化和繞組的匝數(shù)，實現(xiàn)一、二次繞組之間的能量轉(zhuǎn)換和電壓變化，能量轉(zhuǎn)換過程中產(chǎn)生大量熱量，通過環(huán)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(yīng)該有變壓器重瓦斯跳閘或者調(diào)壓重瓦斯等非電量跳閘報警，查看后臺系統(tǒng)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(fā)現(xiàn)異常，排除變壓器本體內(nèi)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(luò)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(xiàn)象。通過以上檢查，進一步排除變壓器內(nèi)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(fā)現(xiàn)短路或接地現(xiàn)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(diào)速系統(tǒng)，變頻調(diào)速是改變電動機定子電源的頻率，從而改變其同步轉(zhuǎn)速的調(diào)速方式，變頻調(diào)速系統(tǒng)主要設(shè)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(qū)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(nèi)大都使用交-直-交變頻器，主要因為交-直-交變頻器效率高，調(diào)速過程中沒有附加損耗，應(yīng)用范圍廣、調(diào)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(xiàn)電動機變速運行的設(shè)備，如果變頻器輸出頻率降低，電動機轉(zhuǎn)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?yōu)橹绷麟?，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(tǒng)，再啟動預充電系統(tǒng)。

首先對變頻器的整流單元、逆變單元外觀進行檢查，未發(fā)現(xiàn)灼傷痕跡。用變頻器調(diào)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(cè)電纜接頭并做好絕緣保護，繼續(xù)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(fā)現(xiàn)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(xiàn)象，造成變頻器直流側(cè)“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(fā)現(xiàn)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(jīng)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(tǒng)回路發(fā)生短路故障。

圖3 變頻器整流單元回路

3 結(jié)論

a.針對10 kV斷路器柜斷路器速斷保護動作，根據(jù)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(tǒng)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(fā)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(fā)現(xiàn)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。