变频器10 kV断路器柜速断保护动作故障分析及处理

甘 捷，姚孝庭，于景国，朱志强

(国家管网集团川气东送天然气管道有限公司，湖北 武汉 430000)

速断保护是为系统回路发生严重故障时，能够快速切除故障而设置。变频器10 kV断路器柜速断保护是移相变压器、变频器和驱动电动机安全、稳定运行的重要保障[1]，在断路器柜的预防性试验中，需要对速断保护定值进行整定和校验，确保系统回路发生短路或接地故障时，断路器柜的断路器能及时做出响应，保证重要电气设备安全。由于变压器铁芯磁通饱和及铁芯材料的非线性特征，在通电运行瞬间会产生相当大的励磁电流，称为励磁涌流[2-4]。对于断路器保护动作如何躲过驱动电动机的最大启动电流研究较多，国产设备采用保护装置的综合保护，速断保护定值在启动过程中采用高值，启动后恢复低值的方法[5-6]；西门子驱动电动机在断路器柜出线侧增加1套阻尼电阻，当变频器的断路器柜在2.3 s内合闸时，通过串联一套阻尼电阻来减小启动电流，消除励磁涌流；当断路器柜在合闸2.3 s后，通过阻尼柜的时间继电器联锁控制阻尼柜断路器合闸，旁路阻尼电阻，恢复正常运行模式。当系统回路存在短路点，而断路器柜合闸时，瞬间电流很大，断路器速断保护动作，阻尼电阻能减小电流，保护后方重点电气设备安全。本文针对一起断路器速断保护动作事件，通过速断保护电流值、电压波形图、变频器预充压测试等方法，分析断路器柜的断路器速断保护动作原因，并进行10 kV电气设备可能造成短路点的检查测试工作，提出故障点排查策略，为解决10 kV断路器柜速断保护动作问题提供参考。

1 典型事故案例

某压气站2号7.2 MW机组在启机过程中，西门子变频器断路器柜断路器在合闸送电时发生速断保护动作，同时阻尼电阻出现相间放电现象，查看速断保护动作报警值，L1相动作电流值为12.61Is(Is为额定电流)、L2相动作电流值为16.6Is、L3相动作电流值为15.83Is，远远大于设定的速断保护定值2.6Is。首先，分析变压器励磁涌流作用的影响，因为变压器空投时，在系统阻抗、变压器结构、绕组物理参数一定的情况下，剩磁和合闸角的组合关系决定了励磁涌流的大小：若剩磁较大，且合闸角在系统电压过零点附近，同时磁通变化方向与剩磁方向一致时，会导致铁芯磁通过高而严重饱和，产生较大的励磁涌流[7]，励磁涌流可达到额定电流的6～8倍[8-9]，但此时速断保护动作电流远大于励磁涌流，由此可以排除断路器在合闸送电瞬间受励磁涌流的影响而误动作。通过查看系统故障录波，如图1所示，合闸瞬间，A、B、C三相电流发生严重不平衡现象，结合发生速断保护动作时，三相电流很大的情况，分析系统回路内存在短路或接地故障点。

图1 故障录波

2 故障排除及确认

在一次系统回路中，电气设备有阻尼电阻、10 kV断路器柜和阻尼柜、移相变压器、变频器和各个电气设备进出线电缆。逐个对电气设备进行试验，找出故障点。

a.排除阻尼电阻故障

阻尼电阻是根据电阻在电路中的作用而命名，有些电路为了防止回路构成等幅震荡，在线路中串联或并联电阻来消耗一部分能引起震荡的能量，这个电阻叫阻尼电阻。该压气站MR公司生产的阻尼电阻和西门子变频器配套使用，阻尼电阻安装在10 kV断路器柜与移相变压器之间，用来消除移相变压器在送电时产生的励磁涌流，同时防止电动机启动电流过大造成断路器柜断路器速断保护误动作。阻尼电阻由LV1、LV2、LV3三相电阻及瓷瓶组成，如图2所示，每相之间通过瓷瓶进行绝缘隔离，每相的电阻值要求在9.5 Ω(±10%)范围内，每相在2 s内的瞬时电流为280 A，由于阻尼电阻丝在通电运行后需要释放出很多热量，因此，阻尼电阻运行后冷却时间不少于10 min，以便于电阻丝冷却散热。

图2 阻尼电阻

变压器送电运行瞬间，由于铁芯磁通饱和作用而产生较大的励磁涌流，导致母线电压跌落，这个短时的浪涌尖峰可能会导致欠压报警和对母线上其他用电设备产生影响(如循环水泵、润滑油泵、其他机组)，为了避免这种巨大的浪涌效应，需要一套阻尼电阻。在此次速断保护动作事件中，阻尼电阻存在不同程度的放电现象，由于瞬间电流过大，电阻丝存在烧断的可能，考虑阻尼电阻已使用接近10年，分析是阻尼电阻的瓷瓶老化，绝缘降低，相间放电短路引起的故障。因此，更换一套新的阻尼电阻后进行启机送电测试，发现断路器柜速断保护依然动作，阻尼电阻也存在放电现象，电阻丝发热熔断，因此可以排除阻尼电阻自身故障引起的放电短路故障。

b．排除10 kV断路器柜和阻尼柜故障

电动机运行时，阻尼电阻不允许接入负载回路，否则持续有大电流通过，容易损坏阻尼电阻，造成相间短路，所以在阻尼电阻通电运行2.3 s 后，将自动闭合阻尼柜断路器，旁路阻尼电阻。分析阻尼柜二次控制回路故障导致阻尼柜断路器未及时合闸，没有旁路阻尼电阻，导致阻尼电阻接入负载运行回路，承受不了负载产生的大电流而损坏。对阻尼柜时间继电器进行校验，未发现问题，对10 kV断路器柜和阻尼柜断路器进行试验，一切正常，排除断路器柜和阻尼柜断路器故障。将10 kV断路器柜置试验位置，对10 kV断路器柜进行合闸操作，2.3 s后阻尼柜断路器正常合闸，排除阻尼柜二次回路控制逻辑的问题。

c．排除移相变压器故障

阻尼柜输出侧是移相变压器，移相变压器是给变频器供电的专用变压器，主要由铁芯及铁芯上缠绕的绕组组成，采用7个绕组，一次侧含1个绕组，连接方式为星形；二次侧含6个绕组，连接方式依次为三角形、三角形、三角形、星形、三角形、三角形，相邻两绕组之间相角差为20°，以保证二次侧电能输入到变频器整流器后将电流整定为36脉冲的近似直流电。一次侧电压等级为10 kV，二次侧电压等级为1.92 kV，当一次绕组接交流电源时，通过一次绕组的电流是交变电流，根据法拉第电磁感应定律，在铁芯中产生交变的磁通，并在二次绕组感应出交流电动势，感应电动势的大小正比磁通的变化和绕组的匝数，实现一、二次绕组之间的能量转换和电压变化，能量转换过程中产生大量热量，通过环绕绕组周围的变压器散出热量，从而保证变压器正常工作。

如果移相变压器本体故障，应该有变压器重瓦斯跳闸或者调压重瓦斯等非电量跳闸报警，查看后台系统没有报警；对变压器绕组的直流电阻、吸收比、泄漏电流、交流耐压进行试验，对变压器油进行取样化验，都未发现异常，排除变压器本体内部故障。对变压器外观进行检查：①检查变压器的外部、套管及进出线电缆没有放电、闪络灼伤痕迹[10]；②检查变压器套管没有脏污、裂纹和引出线松动；③检查变压器没有喷油现象。通过以上检查，进一步排除变压器内部故障。

d．确定故障点在变频器

对断路器柜、阻尼柜、移相变压器及进出线电缆逐个进行预防性试验和外观检查，未发现短路或接地现象，因此重点排查变频器。

目前，长输管道的离心式压缩机组采用变频调速系统，变频调速是改变电动机定子电源的频率，从而改变其同步转速的调速方式，变频调速系统主要设备是提供变频电源的变频器。变频器主要由整流单元(交流变直流)、滤波、逆变单元(直流变交流)、制动单元、驱动单元等组成。变频器分为交流-直流-交流和交流-交流两大类，国内大都使用交-直-交变频器，主要因为交-直-交变频器效率高，调速过程中没有附加损耗，应用范围广、调速范围大、特性好、精度高。变频器是把工频电源(50 Hz或60 Hz)变换成各种频率的交流电源，以实现电动机变速运行的设备，如果变频器输出频率降低，电动机转速也将跟随频率降低，其中控制电路完成对主电路的控制，整流电路将交流电变为直流电，直流中间电路对整流电路的输出进行平滑滤波，逆变电路将直流电再逆变成交流电。当变频器启动确认后，先启动冷却系统，再启动预充电系统。

首先对变频器的整流单元、逆变单元外观进行检查，未发现灼伤痕迹。用变频器调试软件对变频器进行直流母线预充压测试，按照直流母线电压的10%、25%、50%和85%进行测试，都能预充到目标电压，说明预充压回路工作正常；然后拆卸移相变压器的低压侧电缆接头并做好绝缘保护，继续对变频器进行直流母线电压500 V预充压试验，查看全波形图，发现波形不对称，底部波形图存在畸变，原因可能是部分直流电压存在“失压”现象，造成变频器直流侧“失压”，分析是整流二极管单元某处被击穿，在预充压时电压反向“流失”，存在一定的压降。对整流单元的24处整流二极管进行测量，正常情况正向电压为0.281 V，反向电压为2.4 V，发现1处整流二极管A11(V3)被击穿，1处靠近A11的整流二极管A12(V3)反向电压为2.3 V，偏低。

变频器整流单元回路如图3所示。由于A11(V3)被击穿，电压通过其进线电缆1L1、1L2经二极管V3反向流向进线电缆1L3，形成回路，造成相间短路。更换A11(V3)、A12(V3)的整流二极管，对变频器的直流母线充压500 V，查看全波形图，波形对称，对压缩机进行启机测试，运行正常，断路器柜速断保护没有动作。最后确定变频器整流二极管故障导致系统回路发生短路故障。

图3 变频器整流单元回路

3 结论

a.针对10 kV断路器柜断路器速断保护动作，根据速断动作实际电流大小分析，速断保护动作因为励磁涌流的影响或者系统回路存在对地放电或相间短路故障而导致误动作，因此对速断保护定值要定期进行动作测试，确保动作灵敏可靠，预防电气事故发生。

b.开展变频器的日常检查维护时，对变频器的整流二极管要进行测量，发现二极管的正向和反向电压异常及时进行处理，避免变频器送电启动运行时，损坏变频器。