電動(dòng)機(jī)保護(hù)誤發(fā)接地報(bào)警的原因分析及處理措施

包文燁

(國(guó)能浙江北侖第一發(fā)電有限公司)

0 引言

眾所周知, 循環(huán)水泵是發(fā)電廠循環(huán)水系統(tǒng)的主要構(gòu)成部分, 其主要功用是把低溫的冷卻水輸送至凝汽器內(nèi), 并且會(huì)將凝汽器內(nèi)汽輪機(jī)排汽釋放出的熱量驅(qū)散至外界, 誘導(dǎo)汽輪機(jī)的排汽快速發(fā)生液化等物態(tài)轉(zhuǎn)變。循環(huán)水泵不僅是實(shí)現(xiàn)熱力循環(huán)的基礎(chǔ)設(shè)施, 也是凝汽器創(chuàng)建真空環(huán)境的大前提。

1 循環(huán)水泵接地保護(hù)報(bào)警原理

本電廠6 kV 循環(huán)水泵自身是中性點(diǎn)不接地系統(tǒng),當(dāng)其突發(fā)單相接地故障時(shí), 流經(jīng)故障點(diǎn)的電流就是全系統(tǒng)的對(duì)地電容電流, 電流并不大?，F(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)相對(duì)地電壓大小是零, 無(wú)法測(cè)定出正常相的相電壓, 僅能獲得線電壓, 三相負(fù)荷電流與線電壓兩者依然保證原始的對(duì)稱關(guān)系, 電動(dòng)機(jī)依然能正常運(yùn)作2h 左右。國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定, 當(dāng)接地電流＞5A 時(shí), 要加裝單相接地保護(hù)相關(guān)設(shè)施; 接地電流＞10A 時(shí), 接地保護(hù)能自動(dòng)跳閘; 而處于接地電流≤10A 的工況下時(shí), 接地保護(hù)的動(dòng)作體現(xiàn)出一定選擇性, 可以作用于跳閘, 亦可以作用于信號(hào)。

現(xiàn)實(shí)中, 大部分接地保護(hù)的形式是零序電流保護(hù), 動(dòng)作電流嚴(yán)格遵循大于本體電容電流的原則運(yùn)行整定工作。在本體接地的工況下, 接地電流明顯大于整定值, 并且等于全系統(tǒng)的電容電流; 但若系統(tǒng)內(nèi)他類電動(dòng)機(jī)處于單相接地狀態(tài)時(shí), 接地電流即是本體持有的電容電流, 低于整定值。如果經(jīng)分析后探查到靈敏度與設(shè)計(jì)要求之間有較大的出入時(shí), 則可以嘗試加長(zhǎng)保護(hù)的動(dòng)作持續(xù)時(shí)間, 以將故障瞬間過(guò)渡過(guò)程造成的不良影響降到最低[1]。

#1 ～#6 循環(huán)水泵銘牌顯示其額定功率1600kW,額定電流191.7A, CT 變比400 ∶5, 零序CT 變比50∶1, 額定二次電流2.4A, 西門子7SJ68 型保護(hù)裝置。參照躲過(guò)區(qū)外單相接地狀態(tài)下通過(guò)保護(hù)安裝位置的單相接地電流運(yùn)算單相接地保護(hù), 高壓側(cè)零序過(guò)流保護(hù)動(dòng)作值是定值, 即為0.1In, 動(dòng)作在信號(hào)發(fā)出環(huán)節(jié)。

觀察分析循環(huán)水泵一次系統(tǒng), 零序CT 被布置在電動(dòng)機(jī)側(cè), 斷路器是6kV 母線輸入動(dòng)作電源的載體,水泵電動(dòng)機(jī)是動(dòng)作電源的最終“歸宿”。

在本電廠內(nèi), 7SJ6H 型綜保裝置能從電動(dòng)機(jī)側(cè)零序CT 獲取單相接地保護(hù)電流, 綜保裝置把信號(hào)完整地傳送到報(bào)警光字牌。由于布置報(bào)警光字牌本體的場(chǎng)地較窄小, 故而設(shè)計(jì)報(bào)警回路時(shí)并聯(lián)#1 ～#6 水泵電動(dòng)機(jī)的接地保護(hù)發(fā)信回路, 見圖1[2]。采用以上運(yùn)行措施去壓縮報(bào)警光字牌占據(jù)的空間, 任何一臺(tái)循環(huán)水泵運(yùn)行期間對(duì)外發(fā)出單相接地信號(hào)時(shí), 主控室報(bào)警光字牌都會(huì)自動(dòng)報(bào)警。

圖1 水泵電機(jī)接地報(bào)警回路圖

2 循環(huán)水泵誤發(fā)接地報(bào)警故障的分析

不管是電力系統(tǒng)還是電氣設(shè)備, 其接地形式很多, 按照接地作用的差異主要被分成工作、保護(hù)及防雷接地三種。在本電廠內(nèi), 一次電力設(shè)備在保護(hù)接地工況下誤發(fā)出接地報(bào)警信號(hào)。

某日, 主控室發(fā)出“循環(huán)水泵電機(jī)接地”報(bào)警。運(yùn)行人員達(dá)到現(xiàn)場(chǎng)后把7SJ68 型綜保裝置作為第一檢查對(duì)象, 較為順利地找到了報(bào)警信號(hào)的來(lái)源——#4循環(huán)水泵的報(bào)警系統(tǒng)。當(dāng)前#4 水泵處于隔離狀態(tài),接地閘刀完全閉合, 需按規(guī)程檢修電機(jī)機(jī)械部分。

查找翻閱既往形成現(xiàn)場(chǎng)工作票以及分析相關(guān)專業(yè)理論, 鑒于#43 水泵電機(jī)機(jī)械部分正處于檢修狀態(tài)下, 要按規(guī)定對(duì)開關(guān)側(cè)接地, 以確保后續(xù)能安全、順利地執(zhí)行其他相關(guān)操作?，F(xiàn)場(chǎng)拆開三相短路接地的電纜頭后即刻陷入兩點(diǎn)接地狀態(tài), 形成了環(huán)流。接地后大地連接零序接地保護(hù)CT, 接地保護(hù)整定值較低,發(fā)生漂移后就會(huì)傳達(dá)出“循環(huán)水泵電機(jī)接地”報(bào)警信號(hào)[3]。

因?yàn)檠h(huán)水泵和其斷路器部位安置在不同廠房?jī)?nèi), 兩廠房物理距離很遠(yuǎn)并且接地網(wǎng)獨(dú)立建設(shè), 故而不能實(shí)現(xiàn)一點(diǎn)接地。針對(duì)電廠項(xiàng)目的現(xiàn)實(shí)情況, 嘗試采用如下方案處理單相接地保護(hù)的誤報(bào)警問(wèn)題。

2.1 整頓整定值

深入研究水泵電機(jī)單相接地報(bào)警的整定值, 按照躲過(guò)區(qū)外側(cè)單相接地工況下流經(jīng)保護(hù)安裝位置單相接地電流運(yùn)算出整定值的大小:

式中,Krel為可靠系數(shù), 取2.5;為被保護(hù)設(shè)備單相接地的電容電流, 取0.037A; 高壓側(cè)的零序過(guò)流保護(hù)動(dòng)作值0.1A, 即0.1In。

綜合分析后, 可靠系數(shù)Krel取2.5, 若該值過(guò)大時(shí)將會(huì)喪失保護(hù)的意義, 故而不必整頓整定值。

2.2 增加保護(hù)接地電阻的阻值

只有規(guī)范地落實(shí)各項(xiàng)保護(hù)接地策略, 才能使現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)人員的生命安全得到更大保障, 明確電氣設(shè)備正常運(yùn)行狀態(tài)下不帶電的金屬外殼或構(gòu)架類型、分布位置, 分別接入大地。保護(hù)接地要達(dá)到電氣設(shè)備絕緣結(jié)構(gòu)受損造成外殼處于帶電狀態(tài)時(shí), 外殼電位在安全閾值以下, 進(jìn)而規(guī)避發(fā)生人員觸電等電力危險(xiǎn)事故。國(guó)家安全用電規(guī)程規(guī)定要將保護(hù)接地電阻組織控制在4Ω 之內(nèi), 而人體的電阻通常高于2000Ω, 可見接地體電阻明顯小于人體電阻, 這也就意味著流經(jīng)人體的電阻是十分微小的, 進(jìn)而發(fā)揮了良好的保護(hù)作用。解讀用電規(guī)程做出的規(guī)定要求, 當(dāng)保護(hù)接地電阻組織過(guò)大時(shí), 則就很難維護(hù)現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)人員生命安全; 但若保護(hù)接地電阻值偏低時(shí), 那么在降低接地環(huán)流方面就不能體現(xiàn)出較好效能。鑒于以上情況, 不推薦通過(guò)增加保護(hù)接地電阻阻值的方式去降低接地環(huán)流。

2.3 改進(jìn)單相接地報(bào)警回路

在本電廠內(nèi), 6 臺(tái)循環(huán)水泵運(yùn)行期間共同1 個(gè)報(bào)警回路, 如果單臺(tái)循環(huán)水泵發(fā)出單相接地報(bào)警信號(hào),則很可能干擾到主控人員判斷分析相關(guān)問(wèn)題的思路。與此同時(shí), 綜合分析既往循環(huán)水泵單相接地保護(hù)的報(bào)警事件, 水泵處于檢修狀態(tài), 且開關(guān)側(cè)與電機(jī)側(cè)一并接地是產(chǎn)生這種報(bào)警現(xiàn)象的必要條件。檢修狀態(tài)的電機(jī)內(nèi)部沒(méi)有電流, 故而據(jù)此可以斷定其沒(méi)有發(fā)生接地故障, 為了更快捷地解除故障, 對(duì)檢修狀態(tài)下的水泵單線接地報(bào)警信號(hào)采取屏蔽措施。

3 故障處理

3.1 缺陷的解決

改進(jìn)前的接地報(bào)警回路圖示見圖2。循環(huán)水泵并不能獨(dú)立傳送出單相接地保護(hù)信號(hào), 需有綜保裝置CK 的幫襯與支持, 流經(jīng)共箱母線進(jìn)線柜以后會(huì)顯現(xiàn)在主控室報(bào)警熒屏上。圖3 是改進(jìn)后的接地報(bào)警回路, 斷路器主軸輔助開關(guān)上分布的常閉式接點(diǎn)串聯(lián)進(jìn)報(bào)警回路內(nèi)。

圖2 改進(jìn)前的接地報(bào)警回路

圖3 改進(jìn)后的接地報(bào)警回路

循環(huán)水泵處于正常運(yùn)行工況下時(shí), 系統(tǒng)內(nèi)斷路器閉合, 干接點(diǎn)狀態(tài)與斷路器保持一致, 不存在影響綜保裝置正常發(fā)揮自身功能的客觀因素; 水泵檢修時(shí),斷路器、干接點(diǎn)兩者均處于斷開狀態(tài), 對(duì)綜保裝置誤發(fā)的報(bào)警信號(hào)能起到良好的屏蔽作用。

3.2 對(duì)電動(dòng)機(jī)采用兵乓球一點(diǎn)接地保護(hù)方法

電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子一點(diǎn)接地保護(hù)邏輯見圖5 所示。如果滿足設(shè)計(jì)的判斷條件: 保護(hù)定值(Rjz) ＞接地電阻(Rj) 時(shí), 便會(huì)迅速開啟轉(zhuǎn)子一點(diǎn)接地, 充分發(fā)揮轉(zhuǎn)子兩點(diǎn)接地的保護(hù)功能, 延時(shí)5s (tg1) 后傳送出轉(zhuǎn)子一點(diǎn)接地報(bào)警, 若能判斷出延時(shí)后依然契合故障延時(shí)的設(shè)計(jì)要求, 則繼續(xù)延時(shí)600s (tg2) 后再驅(qū)動(dòng),并合理配備出口, 但不投入Kb3、Kb4、Kb5。

切換采樣是電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子發(fā)揮一點(diǎn)接地保護(hù)功能的基本原理。見圖4, 當(dāng)系統(tǒng)處于負(fù)極∝位置時(shí), 通過(guò)電阻(Rj) 進(jìn)行接地, 電阻R、R1的功能均是測(cè)定附加電阻阻值大小, 單元時(shí)鐘時(shí)刻管控著開關(guān)S1、S2的啟閉狀態(tài)。打開S1時(shí)要閉合S2, 關(guān)閉S1時(shí)要確保S2處于全開狀態(tài), 兩個(gè)開關(guān)循環(huán)交替動(dòng)作的過(guò)程好似乒乓球運(yùn)動(dòng)項(xiàng)目, 所以將這類保護(hù)稱為兵乓式一點(diǎn)接地保護(hù)。

圖4 轉(zhuǎn)子一點(diǎn)接地保護(hù)原理圖

綜合以上分析, 可以推導(dǎo)出:

當(dāng)Rj＜Rjz時(shí), 據(jù)此就可以判斷發(fā)生了轉(zhuǎn)子一點(diǎn)接地保護(hù)情況。

本文在這里要特別提及的一點(diǎn)問(wèn)題: 運(yùn)行以上保護(hù)算法時(shí), 單位進(jìn)行切換采樣的唯一條件是Ue＞50V, 為了確保Ue、U的高精準(zhǔn)度, 嚴(yán)禁將較大的濾波添加到回路內(nèi), 所以采樣值大小會(huì)出現(xiàn)很大的變動(dòng), 在切換采樣時(shí)將各次采樣歷時(shí)精準(zhǔn)控制為40ms,各次均采集16 個(gè)交流采樣點(diǎn), 共采樣2 次, 為減少誤差, 去除過(guò)大、過(guò)小的采樣值, 算出平均值作為運(yùn)算Rj1與∝的Ue1、U1與Ue2、U2。

電動(dòng)機(jī)的勵(lì)磁電壓(Ue) 及故障點(diǎn)均不影響乒乓式一點(diǎn)接地保護(hù)的靈敏度Rj, 體現(xiàn)出保護(hù)覆蓋范圍寬大、靈敏度高及功耗小等優(yōu)勢(shì), 故而其在電力建設(shè)領(lǐng)域有較高的應(yīng)用頻次。但以上保護(hù)模式也存在著一定劣勢(shì), 建設(shè)條件較為嚴(yán)格, 一定要在順序切換開關(guān)S1、S2過(guò)程中維持Ue大小穩(wěn)定的條件下建設(shè), 并且本次動(dòng)作原理的分析環(huán)境體現(xiàn)出一定局限性, 僅限定在穩(wěn)態(tài)直流工況下, 沒(méi)有綜合分析S1、S2電子開關(guān)切調(diào)過(guò)程中非線性元件產(chǎn)生的暫態(tài)干擾問(wèn)題, 那么即便是系統(tǒng)勵(lì)磁回路內(nèi)有少許交流分量時(shí), 保護(hù)裝置也能做到即刻動(dòng)作。

3.3 調(diào)整后的功能檢驗(yàn)

按計(jì)劃調(diào)整好回路后, 通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試檢測(cè)6 臺(tái)循環(huán)水泵二次回路的功能。將水泵斷路器移動(dòng)到設(shè)計(jì)部位, 逐一閉合電源開關(guān), 給電動(dòng)機(jī)通電。使斷路器分閘, 隨后將1.1 倍單相接地電流定值通進(jìn)綜保裝置,裝置內(nèi)形成接地報(bào)警, 但此時(shí)主控室中未見循環(huán)水泵發(fā)出接地報(bào)警信號(hào)。切斷輸入電流, 恢復(fù)綜保原始狀態(tài), 斷路器合閘后, 再把1.1 倍單相接地電流定值通進(jìn)綜保裝置內(nèi), 綜保裝置發(fā)出接地報(bào)警信號(hào), 主控室傳遞出“循環(huán)水泵接地”報(bào)警。投用單相接地保護(hù)壓板后, 斷路器自動(dòng)跳閘。執(zhí)行完傳動(dòng)試驗(yàn)測(cè)試活動(dòng)后, 使設(shè)備復(fù)原到傳動(dòng)之前的狀態(tài)。

4 結(jié)束語(yǔ)

#1 ～#6 循環(huán)水泵都被部署在#50 廠房?jī)?nèi), 本廠房中沒(méi)有安裝他類6kV 泵類裝置, 循環(huán)水泵斷路器被設(shè)置在#05 廠房中, 翻閱既往報(bào)警記錄資料, 6 臺(tái)循環(huán)水泵都曾出現(xiàn)過(guò)這種接地報(bào)警, 故障現(xiàn)象一致。而安裝在其他廠房中的泵類設(shè)備運(yùn)行期間均未發(fā)生過(guò)這種異常接地報(bào)警事故, 據(jù)此可以判斷#50 廠房與#05 廠房之間產(chǎn)生了接地環(huán)流, 后續(xù)實(shí)踐中應(yīng)加大對(duì)以上兩個(gè)廠房?jī)?nèi)接地網(wǎng)的管理力度, 及時(shí)解除故障問(wèn)題, 以防因接地環(huán)流異常增大而干擾其他泵類設(shè)備的正常運(yùn)行狀態(tài)。