机组停机投电制动时发电机动力柜断路器动作事件分析

张爱东，苏小雪，魏 丹

(中国长江电力股份有限公司三峡水力发电厂，湖北 宜昌 443133)

作为水电站重要的电气设备之一，发电机动力柜的作用不仅能够为用电设备提供动力电源，还能够启停操作用电设备，控制着高压油顶起油泵、加热器、制动器吸尘装置、碳粉吸收装置和下导油雾吸收装置等机组重要辅助设备[1-2]。其中，高压油泵是启停发电机所需重要设备，可见发电机动力柜在机组启停过程中发挥着重要作用，其有条不紊的运行是机组正常启停的关键。

本文针对某实际水电厂发生的一起停机投电制动时发电机动力柜断路器动作事件进行分析，探究断路器动作的原因，并据此提出了相关的建议和措施，保证发电机动力柜的正常运行。

1 事件经过描述

2013年4月8日16时20分，某水力发电厂在做31F发电机停机试验投入电制动时，引起了该发电机机端母线31P 400 V I 段的电压下降至363 V，并持续了大约为3 min左右的时间，此后，母线电压才恢复至正常电压382 V左右。与此同时，系统监控到其他相关故障，如表1所示。

如表1所示，由于31F发电机动力柜1号电源取自31P机组自用电400 V I 段母线。当投入电制动电压降低到363 V后，I段进线的电压监控继电器检测到其电压降低到欠压保护动作值(相电压设定为210 V，线电压约为363.7)，PLC动作，I段进线断路器分闸，但同时分段断路器没有正常合闸而是脱扣，200 ms后II段进线断路器也脱扣，最终导致两端母线都失电。

表1 停机投电制动时故障描述

2 原因分析

2.1 母线电压下降分析

图1给出了本次断路器动作事件中，停机电制动投入后31号机组自用电I段母线电压和电流的变化情况。

图1 31F机组自用电I段母线电压和电流的变化情况

分析图1可知，在电制动投入后，31F机组自用电I段母线急剧下降，而进线电流出现励磁涌流。在16:22左右，进线电流增加了约1 000 A左右，而I段母线电压下降至369.4 V，下降幅度达31 V左右。此外，10 kV母线电压偏低(9.5 kV)，从而导致恢复正常后400 V母线电压也偏低(382 V左右)，这也是出现发电机动力柜进线断路器欠压动作的一个很重要的因素。

图2给出了25F、28F停机过程中投入电制动时，两机组对应400 V自用电母线电压和电流的变化。此外，在该试验过程中，两机组动力柜均未发生断路器动作事件。

图2 25F、28F机组对应自用电母线电压和电流的变化情况

从图2中可明显看出，两台机组停机时投入电制动时，进线处电流均会出现较大的涌流分量，进而导致母线电压出现了不同程度的下降。其中，与31F停机投电制动情况类似，25F在停机投电制动后，产生了大小约为1 000 A左右的涌流，并引起25F自用电2号母线电压下降至363 V左右，持续时间约为3 min。

上述分析表明，机组停机时投电制动时都会出现不同程度的电压下降。经过分析，可知其电压下降的原因在于停机试验时投入的电制动增大了系统中的负荷，而系统中滞后的无功功率会引起系统的电压损失，从而造成母线电压的下降。通过上述测试可知，在停机过程中电制动投入时，系统会产生一个1 000 A左右的励磁电流。此外，一些文献资料表明，在该大小的电流下能够引起20 V左右的电压降，但单纯的电压下降不会导致断路器动作[3-4]。

2.2 断路器脱扣现象原因分析

由表1可知，该停机投电制动发电机断路器动作事件中，分段断路器和II段进线断路器均发生脱扣现象，使得动力柜不能为发电机正常启停提供可靠电源，因此，值得深入探究该现象发生原因。

图3给出了该发电机动力柜接线情况。

该31F机组动力柜I段和II段母线所带负荷主要为45 kW的油泵和10个4 kW的加热器，QF1、QF2、QF3分别为进线I、进线II断路器和分段断路器，均为西门子3VL系列，其额定电流In分别为250 A、250 A和160 A。脱扣器类型为热磁式，配有瞬时保护和过载保护。其中，高压油泵在机组转速<90%时启动，开停机过程中的作用是在镜板和推力瓦之间建起油膜，以防止机组启停过程中慢速旋转使推力瓦承重过大造成瓦面或镜面磨损，是发电机启停过程必带的重要负荷。

图3 发电机动力柜接线图

为了探究断路器脱扣原因，本文通过加减动力柜所带油泵和不断修改断路器的保护定值的电源切换试验，调节KV01失压以模拟31F停机投电制动过程。所得不同情况下的试验结果，如表2～表6所示。其中，Ii和Ir分别表示瞬动保护电流整定值和过载保护电流整定值。

表2 动力柜负荷不带油泵

表3 动力柜负荷带单台油泵

针对三台断路器脱扣Ii=6In，Ir=In的定值情况时，分析表2～表3可知，当两母线只带加热器，母线I失压后进行电源切换时，断路器均能正确动作，该现象表明单纯的母线失压进行电源切换不会引起断路器异常动作。而当母线I加带单台油泵时，调节KV01模拟母线I失压后，在切换到另一条母线供电的过程中，分段断路器和母线II进线断路器均出现了脱扣现象，导致两段母线同时失电。此外，由于所选断路器容量足够，可排除过载跳闸的影响。经推断分析，该现象发生的原因在于油泵停止又立即启动过程中产生了很大的启动电流，且其值大于两断路器最大瞬动设置值1 500 A。

表4 动力柜带单台油泵，断路器瞬时保护定值Ii均调至8In

表5 动力柜负荷带两台油泵，三台断路器瞬时保护定值Ii调至8In

表6 动力柜带两台油泵，分段断路器瞬时保护定值Ii调至10In

增大断路器瞬动保护整定值，针对三台断路器脱扣整定值为Ii=8In，Ir=In时，分析表4～表5可知，在仅母线I段加带一台油泵情况下，调节KV01模拟母线I失压后，在进行电源切换过程中，分段断路器和母线II正常合闸均能正常合闸，由于此时流经两断路器的电流值大小相等，说明在油泵停止又立即启动过程中产生的启动电流小于两断路器所设定瞬动电流值的最小值，即1 280 A；在每段母线都带一台油泵情况下，分段断路器脱扣，而母线II正常合闸，发生该现象的原因在于电源切换过程中，启动电流值1 280～2 000 A之间，进而仅导致分段断路器脱扣。如表6所示，若将分段断路器的瞬时保护定值提高到10倍额定电流值，两断路器均能正确工作，表明两段母线分别加带一台油泵情况下，在电源切换过程中，油泵停止又立即启动过程中产生的启动电流小于1 600 A，不会导致QF2和QF3脱扣。

综合上述分析可知，4月8日16:20监控报“发电机动力柜分段和II段进线断路器脱扣”都是正常的保护动作，其原因是动力柜所带负荷油泵在停止又瞬间启动时会有很大的启动电流(大约为1 500～1 600 A)，小于断路器瞬动保护整定值，造成断路器的正常保护动作。

3 处理对策

1)通过上述加减负载和改变断路器保护整定值试验，可知负载的启动电流过大是导致断路器动作的主要原因，由断路器动作状态可确定该电流值的范围，在实际应用中得以参考调整断路器瞬动保护电流整定值。对于其它机组的发电机动力柜，建议停机时进行试验后，确定电流保护定值。

2)PLC程序中进线断路器失压分闸和分段断路器合闸或脱扣没有时间延迟，二者同时进行。但由于I段和II段的进线电源是非同期的，若在进线断路器主触头没有完全断开的情况下，分段断路器合闸会导致合环[5]。因此，建议对所有动力柜中带PLC程序存在的开关动作流程无延时的进行程序修改。

3)虽然停机投电制动后电压下降属于正常现象，但宜控制使得10 kV母线和400 V母线的电压都不会过低。

4)根据试验所得结果，将全电站所有动力柜中低压动作值、断路器的脱扣器整定值重新整定。

4 结 语

针对某水电厂发生的一起停机投电制动时断路器动作事件，通过模拟试验可知停机投电制动过程中将产生较大的启动电流，若该电流值大于发电机动力柜断路器脱扣瞬动保护电流整定值，将导致断路器正常动作。因此，为了停机投电制动不至于令发电机动力柜正常脱扣动作，应对厂内所有发电机动力柜进行停机试验，大致获得所带相应负载下的启动电流范围，结合试验测试结果，确定断路器电流保护整定值。