关于雁栖泵站主电机启动过程中电压暂降情况分析

陈永波

(南水北调江苏泵站技术有限公司，江苏 扬州 225000)

1 工程应用

1.1 工程简介

雁栖泵站是北京市大型泵站，单机设计流量5m3/s，泵站设计流量10m3/s，设计扬程55.20m，配备单级双吸卧式离心泵3台，2用1备，配套10kV卧式异步电动机，功率4000kW，总装机容量12MW，主电机采用高压固态软启动装置启动，两台并联工频运行。泵站10kV双回路电源引自某110kV变电站不同主变的10kV母线，站内10kV系统采取单母线分段接线方式，设置母联断路器。泵站正常调水运行时，每段母线分别带载1台10kV异步电动机和1台10kV变压器等相关设备。

1.2 系统结构

该泵站电力系统主要由10kV进线、10kV母线、3台10kV异步电动机、3套10kV电容器、3套10kV固态软启动器、2台10kV变压器和2套0.4kV低压开关设备等组成。

泵站10kVⅠ段分别为1号主电机、2号主电机、1号电容器、2号电容器和1号变压器等供电，10kVⅡ段分别为2号主电机、3号主电机、2号备用电容器、3号电容器和2号变压器供电。高压一次系统见图1。

图1 泵站高压一次系统

泵站0.4kV系统采用两段低压母线单独接线方式，带联络开关，母联断路器自投手复。0.4kV系统3台低压断路器(编号401、402和445)自投功能由可编程控制器(PLC)和电压监测继电器组合构成，当某段母线的电压超过或低于系统设定值，并且时长超过时间继电器设定值后，继电器动作，此时PLC的DI模块采集到动作信号后，DO模块输出逻辑指令，断开401或402断路器，445母联断路器投入。低压系统部分原理图见图2。

图2 泵站低压系统部分原理(1号电源进线柜、母线联络柜和2号电源进线柜)

2 故障排查

2.1 2020年试运行时低压断路器402跳闸

2020年该泵站调水运行时，启动10kVⅡ段所带3号主电机导致该段变压器0.4kV侧402断路器跳闸，2s后低压母联445投运，该段0.4kV系统所有设备改由Ⅰ段供电。现场人员检查发现0.4kVⅡ段电压监测继电器延时时间与Ⅰ段设置不一致，将延时调整到与Ⅰ段一致，延时时间设定为3s，随后再次启动该主电机，发现402断路器仍跳闸，结合现场分析初步怀疑是低压断路器故障或因主电机启动线路压降较大且时长超过继电器设定时间值，导致跳闸。由于下一级泵站主电机大修，渠道没有来水，因此，无法进行再次试机，等待2021年调水运行时进行检测。

2.2 2021年主电机试运行时两台低压断路器跳闸

2021年对3号主电机开机试运行，在主电机启动过程中低压断路器402仍跳闸。为查明原因，联系ABB断路器厂家对2台低压断路器(401和402)进行检测，经测试低压断路器本体无异常。当日再次进行10kVⅠ段和Ⅱ段两台主电机试机，启动瞬间401断路器和402断路器均出现跳闸现象。主电机启动过程中，低压室照明日光灯出现先暗后亮现象，现场高压仪表显示电压由10.4kV降至8.0kV左右后逐渐恢复，低压仪表显示电压由412V降至308V后逐渐恢复，电压波动时间大约在10s左右。

3 故障原因及影响分析

3.1 主电机启动过程的电压监测

为准确监测主电机启动过程10kV侧电压变化趋势，在10kVⅠ段和Ⅱ段分别启动2号和3号主电机时，外接录波器对两段电压进行监测并记录(见图3～图8)。

图3 10kVⅠ段2号主电机启动过程A相电压变化过程

图4 10kVⅠ段2号主电机启动过程B相电压变化过程

图5 10kVⅠ段2号主电机启动过程C相电压变化过程

图6 10kVⅡ段3号主电机启动过程A相电压变化过程

图7 10kVⅡ段3号主电机启动过程B相电压变化过程

图8 10kVⅡ段3号主电机启动过程C相电压变化过程

由电压监测波形图可知，2号和3号主电机启动过程中，10kV侧电压首先降到最低至8.1kV，然后逐步上升到正常电压，持续时间约为10s。Ⅰ段和Ⅱ段低压断路器保护设置是低电压定值360V，延时时间定值3s，根据换算比例关系，低压断路器电压定值360V对应的10kV侧电压应为9kV。按照波形规律，高压侧电压低于9kV的时间约为7s，压降为10%～23%(9～8.1kV)，所以设置延时3s时间不能满足要求。

通过试验证明，401和402断路器跳闸原因是主电机启动过程中，造成低压线路欠电压并时长超过延时定值导致继电器动作，PLC检测到动作信号后控制断路器分闸。

产生此故障现象的原因是随着近几年泵站周边经济发展迅速，受电区增加大量的用电负荷，从而导致上级变电站系统容量接近饱和，而且泵站距离上级变电站达11km，却采用ZRC-YJV22-8.7/15kV-3×300mm2电缆供电，导致线路损耗过大。

3.2 跳闸对生产生活的影响

现行情况下，启动任一段线路的主电机，都会导致401或402断路器跳闸，母联445断路器虽然可以进行自投，但辅机系统设备断电后停运，需要重新手动开启，以保证主电机PLC和公用PLC各功能模块能够及时接收到相关开关量和模拟量信号，从而确保主电机能够正常运行。

因此，主电机启动时需要在各辅机处安排人员值守，一旦发生断电后可以人工及时处置，迅速恢复辅机运行。但是低压系统设备在低电压下运行、频繁跳闸和投切电源的情况下会对使用寿命等产生不利影响。此外，低压跳闸还会引起办公区和生活区断电，对泵站日常办公和生活都会造成很大影响。

4 解决方案

结合主电机、水泵和软启设备运行工况，采取调整软启装置启动电流倍数来限制主电机启动对电网线路的冲击，经过现场多次启动试验，在主电机启动倍数允许范围内，无论调至任何数值，试验证明主电机启动时的压降大小与软启参数均无直接关联。

通过调整电压监测继电器动作保护定值或延长动作时间可以避开主电机启动时的电压降低情况，但是通过测试分析，目前启动最低电压为8.1kV且延时时长为7s，如果再调整继电器动作保护定值，可能会影响低压设备正常启动和运行，时间长了会损坏电气设备。

上述措施均为临时举措，不能作为长久之策，为从根本上解决问题，笔者认为可采取以下四种方案。

4.1 改变主电机启动方式

因软启动方式启动时间较短，启动转矩过大，对电网冲击大，导致电压暂降幅度和时长过大，故可考虑将启动方式改为变频启动。通过降低启动频率可以使主电机低转速缓慢启动，从而减小启动转矩，延长启动时间，这样可以避免启动电流过大，减小启动的电压压降，进而减小对线路电网的冲击。

4.2 提高线路电网容量

由于该泵站目前采用非专用线路供电，随着该段线路用户逐渐增多，线路容量逐渐减小，可以与供电公司协商增加该段线路电网容量或减少线路用户，以提高线路电网承受冲击负荷的能力，使泵站主电机和其他设备在正常的电压区间启动和运行。

4.3 采用专线供电

由目前10kV直埋电缆供电改为35kV/110kV专线供电，并在站区配备专用变电站对泵站供电，提高供电的可靠性和系统容量的稳定性。

4.4 0.4kV系统单独供电

除上述三方案外，还可以考虑另取一路电源为0.4kV系统独立供电，使其与10kV主电机系统电源彻底分开，从而确保主电机启动过程中低压系统设备运行不受影响。

5 结 语

通过对该泵站主电机启动过程中0.4kV系统低电压保护跳闸现象进行故障排查，并对根本原因进行深入分析，从不同角度提出了四种解决方案。本文对有关问题的解决思路和设想，可为其他泵站电气设备运行出现类似情况提供参考。