高压电机短路跳闸再启导致受电保护越级跳闸的分析及对策

刘智成

（酒钢集团宏晟电热公司，甘肃嘉峪关 735100）

前言

某钢厂供配电系统变电站所实行集中控制管理，配出10 kV 开关站实现无人值守，对于下级开关站频繁启停设备只能采取强制发允许方式，才能保证正常的生产。下级开关站配出大量的电机类负荷并由现场控制启停。而电机类负荷又分为两种：一种是大功率电动机，如鼓风机、抽烟机、破碎机等，运行特点是不需要频繁启停，运行相对稳定，随生产停机机会少；而另一种是需要频繁启停小功率电机，如水泵、胶带机等，其运行特点是不规律的，随时启停，部分电机运行工况较为恶劣，故障率较高。

统计显示中性点不接地系统大部分故障为单相接地故障，而发生单相故障最多的设备就是这些小功率的电机类设备。集控站离无人值守站较远，电机类设备故障后岗位人员不能及时确认故障设备，并将设备隔离，工序人员未确认设备状态，不清楚设备是否存在故障，盲目操作启停机，易再次合闸于故障点，系统多次受到故障冲击，给电力系统内其他设备的安全运行埋下隐患。

1 受电保护越级跳闸详细故障原因分析

2019 年7 月30 日12:55:31 炼铁开关站10 kV 1#高炉渣处理1#粒化渣浆泵ABC 相过流一段保护动作跳闸（整定值118 A、动作值27 91 A），12:55:49:923 套管零序过流保护动作跳闸（整定值5A、动作值19.6 A）；12:55:50:026 炼铁开关站10 kV 一受电ABC 相过流一段保护动作跳闸（整定值4 200 A、动作值10 923 A），同时铁前变电所10 kV 炼铁一回ABC 相过流一段保护动作跳闸（整定值4 560 A、动作值10 914 A）。

影响范围：烧结开关站10 kV 1#抽烟机非电量4“断励磁保护动作跳闸”，2#抽烟机非电量3“断励磁保护动作跳闸”；选矿开关站6kV1-1、5-2、6-1、7-1、7-2、8-1、9-2 共7 台球磨低电压保护动作跳闸；炼铁一泵站低压2 台泵，7 台冷空气风机跳电；喷煤空压站3#空压机跳闸；低压2 台水泵跳电；1#、2#高炉减风。

1.1 故障原因1：高炉渣处理粒化渣浆泵电机绕组存在相间短路

图1为高炉渣处理粒化渣浆泵故障时刻三相电流和电压录波波形，由波形分析高炉渣处理粒化渣浆泵电机启机时三相电流突增，三相电压突降，出现三相短路故障，导致过流一段保护动作跳闸。过流一段动作电流2 791.8 A，整定电流118 A，时限0 s，保护启动出口用时30 ms，断路器分闸用时45 ms，故障持续75 ms，断路器跳闸后故障解除，系统电压恢复正常。

图1 粒化渣浆泵故障时刻三相电流和电压录波波形

1.2 故障原因2：18 s 后粒化渣浆泵再启合闸于故障点

图2为高炉渣处理粒化渣浆泵再启合闸于故障点时刻A、B、C 三相电流和电压录波波形，由波形可以看出电机再启后仍然存在三相短路，微机保护装置过流一段启动动作，动作电流2 800 A，67 ms后，A相电流降为零，B、C 相电流仍显示短路电流，A 相电压升高，B、C 相电压未恢复正常，直至0.2 s 后受电微机保护过流一段动作，动作电流10 923 A，整定电流4 200 A，时限0.2 s，受电跳闸10 kV 母线失压，故障消失，系统恢复正常。由三相电流及电压波形可见保护动作出口后，B、C相仍然存在短路电流，电压也未恢复正常，经检查发现高炉渣处理粒化渣浆泵开关柜断路器由于机构故障B、C 相分闸不到位，导致受电越级跳闸。

图2 粒化渣浆泵再启合闸于故障点时刻三相电流和电压录波波形

综上分析，造成此次受电保护越级跳闸的主要原因有两方面。（1）高炉渣处理粒化渣浆泵断路器机构存在隐形缺陷，分闸不到位，未将故障彻底切除。（2）高炉渣处理粒化渣浆泵控制回路中允许合闸继电器采取强制允许策略，从而失去对合闸回路控制功能，保护动作跳闸后不能实现闭锁合闸回路功能。

下一步将针对如何实现保护动作跳闸后闭锁合闸回路，防止现场再启合闸于故障点造成事故扩大制定相关控制措施。

2 对策分析

一次设备连续两次受短路电流冲击，给电力系统内其他设备的安全运行埋下隐患，综合考虑既可以防止高压电机合闸于故障，又不影响正常生产操作的功能，制定3条可供选择的措施。

（1）保护事故总启动中间继电器闭锁合闸回路，本措施利用保护装置事故总继电器的特点，采取在控制回路中用事故总常开接点启动中间继电器，将中间继电器常闭接点串入合闸回路，将中间继电器常开接点接入遥信回路，在中间继电器吸合时闭锁合闸回路，同时向后台发送事故闭锁合闸信号以便于岗位人员监控，具体改造回路如图3所示。

图3 保护事故总启动中间继电器闭锁合闸回路

优点：事故闭锁中间继电器常闭接点串入合闸控制回路，有效防止保护动作跳闸后现场再次启机的可能，且将事故闭锁中间继电器常开接点接入遥信回路，后台完善信号报文，提醒岗位人员设备发生故障跳闸。

缺点：回路中需增加元件（中间继电器），增加了回路复杂性。事故总接点为常开接点，在保护装置失去电源时将返回，失去闭锁作用。

（2）将“事故信号”送至现场PLC,由PLC 闭锁合闸，本措施利用保护装置事故总继电器的特点，采取将“事故信号”（事故总常开接点与断路器跳位辅助接点串联）送至现场PLC控制系统，由PLC系统程序编程，在收到“事故信号”时闭锁PLC 合闸输出并发出告警，提醒岗位操作工，具体改造回路如图4所示。

图4 PLC闭锁合闸回路

优点：“事故信号”由事故总常开接点与断路器常闭接点串联构成，增加回路可靠性；回路中无需增加元件，回路改动少；将“事故信号”送至现场PLC，由PLC 完成事故逻辑判断并闭锁合闸输出，同时向现场岗位人员发出事故告警信号，提醒岗位人员设备发生故障已跳闸，禁止再启动。

缺点：部分设备机旁合、分闸和PLC 合、分闸单独接至高压柜，需对现场回路进行改造，所有合、分闸信号必须通过PLC 控制出口才能满足此方案；事故总接点为常开接点，在保护装置失去电源时将返回，失去闭锁作用。

（3）保护事故总信号复归M5025（允许合闸继电器）闭锁合闸，本措施利用保护装置事故总继电器的特点，将事故总常开接点接入M5025 复归回路，取消断路器合位自动复归M5025 回路，原回路中M5025 常开接点串入现场合闸回路，M5025 复归后常开接点断开，闭锁现场合闸回路，同时向后台发出允许撤回信号，便于运行人员监控，具体改造回路如图5所示。

图5 保护事故总信号复归M5025闭锁合闸回路

优点：回路中无需增加元件，回路改动少；保护装置遥控允许为瞬动接点，保持时间在200 ms，M5025 线圈采用磁保持双线圈，在装置遥控接点返回后靠磁保持在置位状态，满足长期给允许条件；M5025 常开接点接入装置遥信回路，并在后台完善允许监控画面，提醒岗位人员监视现场允许在什么状态；M5025正常运行时线圈不带电，有效解决了发热问题。

缺点：无。

3 方案论证

以上3 条措施的制定，结合各自的优缺点从安全性、控制效果、材料成本、改造难度、操作便利性5个方面进行了综合评定，见表1。

表1 三种方案的比较

通过比较得出：方案三略优于方案一，方案二各项指标最低可以放弃。最终结合现场实际情况决定，对现有高压柜不具有M5025 继电器的，采用方案一，在柜内安装中间继电器，完成相应闭锁和监视功能；对现有高压柜已有M5025 继电器的，采用方案三，保护动作后复归M5025 继电器即可实现闭锁和监视功能。

4 结论

通过本次故障分析，提出了解决方案，并对方案论证及实施，从根本上解决了“高压电动机故障保护动作切除后再次误合于故障点”的难题。从技术角度对电机类设备控制回路改造可行性进行了研究，并提出了3 种可行的方案，以低改造成本，高可靠性和安全性完成了改造，为电力系统的安全运行增加一份保障。