10 kV 高压断路器越级跳闸的故障分析及整改措施

张 兵，桂腾跃，裴 勇，秦永昌

(1.机械工业第六设计研究院有限公司 第四工程院，河南 郑州450007；2.浙江中烟工业有限公司 宁波卷烟厂，浙江 宁波 315000；3.河南中烟工业有限公司 许昌卷烟厂，河南 许昌 461000；4.河南中烟工业有限公司 安阳卷烟厂，河南 安阳 455000)

10 kV高压断路器越级跳闸是电力系统一种比较常见的故障[1-2].当故障发生时，保护整定优先跳闸的断路器没有动作，反而由上级断路器切除故障[3].随着电力技术的发展，电力系统的结构越来越复杂，越级跳闸故障频繁发生，不仅会扩大停电范围，严重时还会导致系统性停产，造成较大的经济损失[4-7].因此，针对10 kV高压断路器的越级跳闸故障进行分析，查找发生故障的根本原因并及时制定相应措施，具有十分重要的意义.

1 越级跳闸的故障现象

2017年7月7日晚，某工厂动力车间空压机滤波柜发生内部短路(瞬间短路电流超过9 kA)，导致1#变压器下面的低压柜空压机馈电开关(又称馈线框架断路器)QL4跳闸，切非消防开关(又称下级断路器)QL3跳闸，低压进线开关QL2失压跳闸，变压器进线柜有明显异味并伴有柜内垂直铜排拉弧现象，10 kV高压馈电柜开关(又称继电保护装置控制断路器)QL1越级跳闸，动力设备停运.相关部门人员到现场检查空压系统，发现监控界面数据全无，没有任何信号，出现乱码，动力车间照明停电，所有空压机停机，锅炉、真空设备等全部跳闸断电，锅炉的除氧器水系统停电，整个动力车间的生产受到严重影响.

故障发生后，技术人员对低压开关柜及其开关进行停电检查，并对断路器进行数据检测，初步判定断路器、电流互感器等低压设备正常，空压机馈电柜无异常；但切非消防柜中A相垂直铜排有轻微灼痕，肉眼观之很不明显；进线柜中垂直于A相和B相的铜排在互感器安装位置有拉弧现象，B相和C相铜排在互感器安装位置也存在拉弧现象，铜排边缘有被电弧灼烧的痕迹；互感器及二次电缆的表面、绝缘隔离板和柜门背后均被熏黑；铜排固定件及螺栓未松动，互感器表面光滑、无破损，电线表面无破损(图1).在短路故障发生时，400 V进线柜断路开关并未动作.10 kV侧仪表显示，短路故障发生时最大瞬动电流为40 kA以上，超过了进线柜断路开关的速断电流值(32 kA).

对故障初步分析认为：由空压机滤波器本身故障引起的空压机一次供电回路跳闸而导致停电；原设计低压配电柜按功能分为消防和非消防区域，不符合按系统组别分配原则，在故障发生时缺乏单点支持生产的能力；高低压配电系统整定值参数设定存在问题.

(a)互感器及电缆的表面

(b)绝缘隔离板和柜门的背后

2 越级跳闸的故障分析

图2所示为某工厂动力车间供配电系统线路图.

图2 动力车间供配电系统线路图

分析图2可知，动力车间供配电系统的供电线路设有四级保护.其中：变压器高压侧设有一级保护(即继电保护装置控制断路器QL1)；变压器低压侧设有三级保护(即断路器QL2、QL3、QL4).变压器高、低压侧各级保护装置的动作电流和动作时限如表1所示.

空压机未配置本地开关，在其发生故障时，由400 V侧空压机馈线框架断路器QL4产生保护动作，而400 V进线柜中QL1开关不动作.10 kV侧仪表显示，当时电路最大瞬时电流为4 kA以上，超过了QL1的速断电流值.也就是说，将该保护跳闸瞬间整定值设定为短暂的情况下，短路故障会触发对应10 kV侧断路器产生保护动作，而400 V进线柜的框架断路器整定值未与上级10 kV高压开关柜中QL1断路器设置的整定值相适应，造成越级跳闸，导致动力1号变配电整条线路停电，直接造成动力车间部分线路失电，最终导致锅炉与空压系统无法正常运转.

在空压机低压供电线路上下级保护中，QL2～QL4均为选择型断路器.针对各级断路器，应注意电流脱扣器整定值与时间的协调配合.为保证上下级之间保护动作的选择性，上级断路器的过载长延时和短路短延时的整定电流，不能小于下级断路器整定值的1.3倍[8]；同时，变压器低压侧进线开关QL2宜选用过载长延时、短路短延时(0～0.5 s延时可调)保护特性，不设短路瞬时脱扣器；下级断路器QL3宜选用过载长延时、短路瞬时及接地故障保护等；母联断路器宜设过载长延时、短路短延时保护；QL2和 QL3短路延时保护应设有时间级差，且不小于0.2 s.QL2(或QL3)与QL4属于选择型断路器之间的级间配合，由于QL2的Izd2=16 kA比QL4的 1.2倍(即Izd3=1.2×6 kA=7.2 kA)大，因此QL2(或QL3)与QL4符合选择性要求，而QL2与QL3不符合选择性要求.

表1 变压器高、低压侧各级保护装置的动作电流和动作时限

3 越级跳闸故障的解决方案

(1)现场检查时发现互感器表面有很多灰尘、水泥颗粒及其他不知名的颗粒.经分析，进线柜产生拉弧现象的原因之一是,梅雨季节空气中水汽较大，使灰尘和水泥颗粒等吸收一定水分而导致互感器表面在两相铜排之间的爬电距离扩大.一般情况下设备可正常运行，但在铜排因下级开关短路而通过超大电流时，大电流的电动力效应与这些灰尘颗粒共同作用而产生拉弧.因此，维修时应对进线柜进行初步处理，擦拭被熏黑的门板、铜排、互感器、电线，更换绝缘隔离板，将互感器安装间距拉大.

(2)低压配电线路发生短路、过载或接地故障时，既要可靠地分断故障电流，又要尽可能地缩小断电范围，即进行有选择性分断.这就要求准确计算故障电流，恰当选择保护装置及其动作电流、动作时限，以保证有选择地切断故障回路.同时，应对开关整定值进行重新调整，由原来的反时限保护改为定时限保护，并将开关脱扣器整定值或状态[9]按照表2进行调整.表3所示为2 500 kVA变压器低压侧保护装置调整后动作电流和动作时间.

表2 2 500 kVA变压器高压侧脱扣器新的整定值或状态

(3)若车间供配电系统设计不合理，一组设备出现故障则可能影响整个或者不相关生产线的系统运行.例如3台为一组的空压机，若其中一台发生故障，引起变压器回路断电，因冷却塔风机及水泵的供电设计在故障回路下，而冷却塔风机和水泵是空压机开启的必备条件，所以另两台空压机也将停机而影响生产.供配电系统设计不合理会大大降低系统运行的可靠性及故障处理的效率.

充分考虑空压系统(空压机主体、冷却水泵、冷却塔风机、PLC控制柜)、制冷系统(制冷机主体、冷却水泵、冷却塔风机及PLC控制柜)、锅炉系统(锅炉主机控制柜、除氧水泵、除氧器、加药泵、软水泵及给水系统控制电源)的生产运行特点，进行合理分组，可确保供电中不会发生高压断路器的越级跳闸故障.

表3 2 500 kVA变压器低压侧保护装置调整后动作电流和动作时限

4 结束语

10 kV高压断路器越级跳闸故障是由多种原因引起的.但只要在供配电系统的设计中正确确定保护装置的动作电流和动作时限，保证供电线路上下级有一定的时间级差，就能有选择地切断故障回路，并尽可能缩小断电范围，减少不必要的停电.同时，根据车间生产流程，充分考虑各种用电系统的生产运行特点，对供电回路进行合理分组，优化设计，将会大大减小停电造成的损失.