隧道軸流風(fēng)機起動越級跳閘原因探究

姜 朝 曦

［上海市政工程設(shè)計研究總院(集團)有限公司, 上海 200092］

0 引 言

市政隧道工程的供配電系統(tǒng)與其他工程相比要求較高,需保障其各重要負荷供電系統(tǒng)的可靠性、連續(xù)性及安全性。如果在運行過程中大面積斷電,可能會對人民的生命安全和公共財產(chǎn)造成較大損失。因此,各級保護裝置的動作特性應(yīng)具有良好的選擇性配合,配電的電氣設(shè)備應(yīng)按照預(yù)先規(guī)定的動作順序進行有選擇的開斷工作,絕不允許出現(xiàn)越級脫扣現(xiàn)象,避免擴大事故影響范圍造成損失。

1 工程概述

某城市隧道全長約2.3 km,道路等級為城市快速路,主路設(shè)計速度80 km·h-1,標(biāo)準(zhǔn)段雙向6車道。沿隧道全線共設(shè)置3處變電所,分別內(nèi)設(shè)兩臺SCB14-1 250 kVA,10±2×2.5%/0.4 kV變壓器。變壓器聯(lián)結(jié)組別Dyn11,短路阻抗Uk=6%,為隧道內(nèi)動力及照明負荷供電。隧道內(nèi)主要負荷為射流風(fēng)機、軸流風(fēng)機、峒口雨水泵、最低點廢水泵等,供電距離最遠約為600 m。變電所低壓系統(tǒng)接地形式為TN-S。

以1號變電所為例,該變電所內(nèi)兩臺SCB14-1 250 kVA變壓器出線采用ACB-2 500 A保護,兩臺變壓器各帶隧道1臺軸流風(fēng)機(單臺250 kW,效率0.94),采用控制與保護器件(CPS)保護,星三角起動方式,供電距離為150 m,電纜型號采用2(WDZA-YJY-4×150+1×70)。單臺變壓器其余負荷約為500 kW。試運行階段測試風(fēng)機時,軸流風(fēng)機合閘后變壓器10 kV側(cè)斷路器跳閘,0.4 kV側(cè)斷路器未動作。供電示意圖如圖1所示。

圖1 供電示意圖

2 故障分析

10 kV真空斷路器跳閘可能有如下原因:① 線路有接地或短路故障,接地或短路保護動作;② 大功率設(shè)備起動時尖峰電流造成高壓線路涌流過大,上下級斷路器配合有誤,造成速斷跳閘;③ 電流互感器電流比過小,與實際負荷電流比不匹配。下面從設(shè)計角度對上述幾種可能進行分析和計算。

2.1 接地和短路故障排除

切斷軸流風(fēng)機電源后,分別對兩臺軸流風(fēng)機的直流電阻和絕緣電阻進行檢查,未發(fā)現(xiàn)異常情況。直流電阻正常說明軸流風(fēng)機內(nèi)部完整,未因機械應(yīng)力引起斷線、脫焊或接觸不良。絕緣電阻正常說明軸流風(fēng)機導(dǎo)電部分并未收到異物、受潮、絕緣擊穿及熱老化等缺陷影響。確認(rèn)設(shè)備正常后,對10 kV斷路器QF1合閘,變壓器正常運行,不帶其他負載,單臺星三角起動軸流風(fēng)機后,電機起動及運轉(zhuǎn)一切正常,高、低壓斷路器未動作,且10 kV繼電保護未顯示接地及短路故障,可以排除因接地或短路故障引起的保護動作情況。

2.2 高低壓斷路器選擇性配合校驗

大功率軸流風(fēng)機起動時,電機存在較大的轉(zhuǎn)差率,因此會存在較大的起動電流,進而造成電網(wǎng)波動。當(dāng)電壓波動超過斷路器設(shè)定值時會造成斷路器跳閘,因此先應(yīng)排除軸流風(fēng)機起動是否會造成斷路器失壓跳閘。如母線電壓滿足規(guī)范要求,則應(yīng)進一步判斷電動機起動電流是否會引起高、低壓斷路器速斷或過載跳閘。當(dāng)變壓器容量≥800 kVA時,一般采用帶反時限保護的高壓斷路器柜的方式,可以通過斷路器直接對整定值進行調(diào)節(jié),低壓側(cè)通常情況下會選擇智能式帶短路的延時開關(guān),最后判斷其與高壓側(cè)配合情況是否合理,從而起到選擇性保護目的,避免越級動作,擴大事故范圍。

(1) 0.4 kV母線失壓校驗。

根據(jù)文獻[1]公式并做適當(dāng)變型,電動機起動時母線壓降校驗式如下。

母線短路容量:

(1)

起動回路的計算容量:

(2)

母線電壓相對值:

(3)

式中:Ssc——最小運行方式下系統(tǒng)短路容量,取200 MVA;

QL——預(yù)接負荷的無功功率;

us——電源母線電壓相對值,取1.05;

Uav——網(wǎng)絡(luò)平均電壓,取0.4 kV;

SrT——變壓器額定容量,取1.25 MVA;

uk%——變壓器的電抗相對值,取為阻抗電壓相對值;

X1——線路電抗(對于銅芯線:≤150 mm2,X1取(18.3/S)l);

SstM——電動機額定起動容量,MVA,其值為kstSrM。

代入數(shù)據(jù)后:

X1=0.009 15;

SscB=18.87 MVA;

Sst=1.24 MVA;

QL=0.375 Mvar;

ustB=0.918。

根據(jù)文獻[2]第2.2.2條,電動機頻繁起動時,不宜低于額定電壓的90%;電動機不頻繁起動時,不宜低于額定電壓的85%。計算結(jié)果為91.8%滿足要求,變壓器低壓側(cè)斷路器不會因母線失壓跳閘,設(shè)計選型合理。

(2) 0.4 kV斷路器尖峰電流校驗。

0.4 kV斷路器定時限過電流脫扣器的整定電流應(yīng)能躲過短時出現(xiàn)的尖峰負荷電流,其瞬時過電流脫扣器的整定電流應(yīng)躲過配電線路的尖峰電流。根據(jù)文獻[1]中公式進行如下校驗:

Iset2≥Kset2[IstM1+IC(n-1)]

(4)

Iset3≥Kset3[I′stM1+IC(n-1)]

(5)

式中:Iset2——定時限弱電流脫扣器的整定電流;

Kset2、Kset3——分別為定時限、瞬時可靠系數(shù)取1.2;

IstM1——線路中最大一臺電動機起動電流,星三角起動取4倍電動機額定電流IrM;

I′stM1——線路中最大一臺電動機的全起動電流,取IstM1的2.5倍;

IC(n-1)——除起動電流最大的一臺電動機以外的線路計算電流。

代入數(shù)據(jù)后:

IrM=505 A;

Iset2=7 500 A;

Iset3=25 000 A;

Kset2[IstM1+IC(n-1)]=3 624 A;

Kset3[I′stM1+IC(n-1)]=7 260 A。

由計算結(jié)果可知,滿足校驗條件,0.4 kV斷路器能夠躲過軸流風(fēng)機起動時尖峰電流。

(3) 10 kV斷路器尖峰電流校驗。

當(dāng)變壓器容量≥800 kVA時,一般采用帶反時限保護的高壓斷路器柜的方式,可以通過斷路器直接對整定值進行調(diào)節(jié),10 kV側(cè)斷路器一般由供電部門負責(zé)整定,為了避免用電設(shè)備長時間過載或涌流對電力系統(tǒng)穩(wěn)定性產(chǎn)生不利影響,往往將10 kV出線開關(guān)整定為變壓器額定電流的1.5倍,延時時間為0.3～0.5 s。

根據(jù)文獻[1]中公式并做適當(dāng)修改,接有多臺電動機的配電回路,只考慮1臺電動機起動時的尖峰電流為

Ist=(KIrM)max+IC(n-1)

(6)

其中,(KIrM)max為起動電流與額定電流差別最大的一臺電動機的起動電流;K為起動電流倍數(shù),籠型電動機正常起動取7倍,星三角起動時取4倍。

代入數(shù)據(jù)后:

Ist=3 020 A。

折算到高壓側(cè)電流為120.8 A。

變壓器額定電流為72 A,10 kV斷路器速斷整定電流為108 A,因此,可判斷10 kV斷路器越級跳閘。

2.3 電流互感器變比校驗

根據(jù)工程經(jīng)驗,部分10 kV斷路器跳閘可能是因為綜保設(shè)置不合理引起的。檢查綜合保護裝置內(nèi)部參數(shù)設(shè)置,10 kV饋線斷路器采用VS1真空斷路器,過電流跳閘值預(yù)設(shè)為變壓器額定電流1.5倍,即108 A、標(biāo)準(zhǔn)反時限時間為0.3 s,預(yù)設(shè)電流互感器變比為500/5。實際安裝中,10 kV環(huán)網(wǎng)柜饋線回路電流互感器變比為150/5。由計算可知,電機起動時變壓器高壓側(cè)電流為120.8 A,此時按實際安裝的150/5的電流互感器二次側(cè)流過電流為4.03 A,而輸入綜保裝置卻按照500/5變比進行計算,其過載保護整定值為1.08 A,相差4倍會引起過載動作跳閘。

3 解決方案

大功率電機起動造成10 kV斷路器越級跳閘,在排除接地及短路故障后,事故原因往往是起動尖峰電流過大或綜保設(shè)置引起的。針對本工程的故障分析結(jié)果,解決方案如下:

(1) 大功率風(fēng)機起動時,應(yīng)盡量減小其起動電流。消防負荷可考慮利用不含電力電子元器件的軟起動器或星三角降壓起動。非消防負荷可考慮變頻起動等方式,進一步降低尖峰電流。

(2) 根據(jù)項目實際情況選擇合理的10 kV斷路器參數(shù)。實際的速斷動作電流及時間整定應(yīng)既能躲開大功率電機的起動尖峰電流,又能使跳閘故障不頻繁發(fā)生。在參數(shù)選擇上,可以考慮整定值適當(dāng)向上擴大一檔或通過時間差來保障不出現(xiàn)越級跳閘的現(xiàn)象。

(3) 運維人員在驗收調(diào)試階段需仔細核查。要查看綜保設(shè)定是否和設(shè)定單相同,特別注意各元器件的參數(shù)是否一致。若綜保變比和CT變比不一致,在CT變比選型安裝正確的情況下,重新設(shè)定綜保變比。

(4) 規(guī)范試運行階段相關(guān)人員的操作方式。試運行階段在調(diào)試風(fēng)機時,往往會同時開啟大部分風(fēng)機,會造成很大的起動尖峰電流。以本項目為例,操作人員應(yīng)模擬實際運行工況下大功率風(fēng)機起動時既有負荷的情況,避免同時全部起動射流風(fēng)機和軸流風(fēng)機,確保電流不超過繼電器的額定電流設(shè)定值。

4 結(jié) 語

市政隧道工程的供配電系統(tǒng)考慮其項目特點和影響范圍等因素,在供電系統(tǒng)的可靠性、連續(xù)性及安全性上有著嚴(yán)格要求。本文結(jié)合已實施工程案例,從設(shè)計角度對隧道軸流風(fēng)機啟動越級跳閘原因進行探究,逐一計算排查分析故障原因,對今后10 kV側(cè)越級跳閘事故排查有一定啟發(fā)作用。