大功率冰机启动引发配电系统失电原因及整改

方 海，林成霞，吴国颖，梁 亮

（1.浙江巨化技术中心有限公司，国家氟材料工程技术研究中心；2.浙江巨化股份有限公司电化厂：浙江 衢州 324004）

冰机是化工装置中的重要设备，为科研生产提供制冷服务，一旦配电系统停电或冰机跳停将使用冷系统温度升高，严重影响反应装置的运行，甚至发生爆炸等重大安全事故。某企业技术中心从事化工产品的研究开发工作，在一次实验启动-35 ℃冰机时，该配电室所供区域全部失电。经检查发现，II 段母线进线开关跳闸动作，20AA 的冰机总开关跳闸动作，现场冰机动力柜开关处于合闸状态，初步判断问题出在-35 ℃冰机或是其一次回路上的相关电气元件设备，于是拉冰机动力柜开关，在确定冰机总开关、冰机动力柜开关断开且线路无其他异常后，重新启动II段母线进线开关，配电系统在隔离问题线路后又重新恢复供电。

该配电室配置有380 V、200 kW 和380 V、280 kW的冰机各1台，日常运行时1开1备，分别由1#、2#变压器所带的I段、II段母线供电，2段母线平时分列运行，冰机启动方式为软启动（软启动器型号为SSD1）。以往也曾有多次跳闸情况发生过，有因冰机电机绕组烧坏导致的冰机动力柜开关、冰机总开关跳闸，有因II段母线进线开关保护模块老化导致的开关误动作，有因该冰机安装调试间断软启动控制接线错误导致的冰机动力柜开关、冰机总开关跳闸，也有因冰机过载启动导致的越级动作冰机总开关跳闸。而本次跳闸是越级2级开关同时动作，问题显得更为严重，因此对该冰机一次回路上的电气设备检查测试就显得非常重要。

1 线路原因排查

配电室电气一次模拟如图1所示。

图1 配电室电气一次模拟Fig 1 Electrical simulation of distribution room

检查该冰机280 kW 的主电机，电机如发生严重短路且冰机动力柜开关（QF6）拒动作的情况下越级冰机总开关（QF4）、II 段母线进线开关（QF2）的情况有可能发生。但检查了电机端盖接线及线缆绝缘，绕组相间及对地绝缘都为“∞”，电机绕组电阻及匝间短路情况检测后亦排除，查看软启动器SSD1的历史故障，未发现故障报警或动作，显然问题原因不出在电机上。

检查冰机启动柜的一次回路上，该柜内有一次设备：保护开关QF6（Smart NSC630KIn=630 A整定Isd=10In，In为额定电流，Isd为短延时电流）和仅启动时运行的软启动器（SSD1-640-E）及软启动结束后切换到旁路接触器。检查柜内一次回路无短路痕迹，旁路接触器吸合触头动作良好，SSD1 的基本参数设置为额定电流474 A 加速斜坡时间10 s，电流限制比例400%，电机启动模式为限流，参数设置符合冰机的启动条件。

排查其上级开关所在的配电室20AA 的配电柜，冰机总开关为万能式断路器DW15-630/1，铭牌相关参数In=630 A，瞬时10In，长延时0.64～1In欠压瞬时，可电动合闸。本案例该断路器为跳闸状态，分析跳闸原因不外乎：1）线路或短路或电机启动瞬间大电流使瞬动过电流脱扣器脱扣跳闸；2）断路器本体发热，热继电器温度过高，导致电子型脱扣器脱扣跳闸；3）电压不稳或失压，电压瞬时过低使欠电压脱扣器脱扣跳闸；4）分励脱扣器脱扣跳闸。经过绝缘测试、温度测试及分励电压测试，排除2、4 项可能性，观察柜内设备状态无短路痕迹，问题故障缩小为大电流启动及电压不稳造成的概率很高。

排查上级开关QF2 所在的2AA 柜，进线开关为MT20 H1In=2 000 A，整定长延时电流Ir=0.5In，长延时tr=4 s（@6Ir）；短延时电流Isd=5Ir，短延时tsd=0.2 s。开关柜内无异常，进线电压400 V 三相电压正常，其MicroIogic5.0E 保护模块Ir亮灯，此断路器才更新过不到2年，因模块老化导致的误动作可能性较小。

经过以上检查，排除了因一次回路短路造成的跳闸可能性，那么冰机大电流启动造成对配电系统冲击的可能就很大。当班操作人员冰机开机严格按操作票正常启动，开机经过盘车。以往启动都正常，可这次使配电系统，而且还是越级QF4、QF22级开关连跳，显然有更深层次的原因。

2 故障分析整改

在QF4断路器下端，使用FIUKE376钳形电流表实时观察冰机启动电流，电流变化如图2所示。

图2 冰机主电机软启动电流Fig 2 Soft start current of ice machine main motor

由于软启动SSD1的限流启动作用，故其最高启动电流限制于2 kA。保护开关NSC630K 产品参数表中的开关脱扣特性曲线表明，在满足NSC630K 不误动作前提下适当提高软启动限流倍数，更有利于重载启动冰机的成功率[1]。长延时动作时间倍数N(Ir)=474 A×400%/630 A=3，查tr=20 s符合软启动默认的10 s，但其短延时电流整定Isd=10In与上级开关QF4 的瞬时10In保护参数一致，显然是不符合上下级保护整定规则，将其整定Isd=7In，可符合上下级整定匹配要求。

深入了解当时配电系统的运行状态，发现在启动冰机时I 段、II 段母线处于联络运行（QF0 合闸），1#变压器处于冷备用状态，I 段母线所带的-15 ℃冰机已运行，启动-35 ℃冰机前II段已加载了近400 A 电流，II 段母线进线开关整定长延时Ir=0.5In；tr=4 s@6Ir，长延时整定电流符合线路计算电流要求。

延时时间需配合产品说明书要求分析整定。根据施耐德Micrologic5.0E 保护器控制单元用户手册，从MT20 H1 断路器长延时保护反时限的特性图分析，I/Ir为≤2.2时动作时间≥11 s，当I/Ir为≥2.7时动作时间≤10 s，当2 段母线并列运行时，启动-35 ℃冰机的线路瞬时电流近2.7 kA，断路器在I/Ir为2.7 时限下未能躲过软启动限定10s 的启动时间，引发断路器长延时保护动作[2]。故将长延时整定Ir=0.5In，tr=12 s@6Ir，这样可符合2 段母线并列运行下的冰机启动。

以上设置，即避免了QF6 短延时保护的越级动作，同时也解决了在母线并列运行条件下启动冰机而造成的系统失电。设置后历经2年，系统稳定运行，未再发生此类故障。

3 结束语

根据-35 ℃冰机软启动开关NSC630K 和5.0E保护器的特性，将NSC630K 短延时整定设置为Isd=7In以及将5.0E 保护器长延时整定时间改为tr=12 s@6Ir。设置后，系统稳定运行2 年，未再发生此类故障。

配电系统开关整定不仅要考虑保护上下级保护配合，同时也要考虑到特殊运行条件下大负荷设备启动特性对系统的影响。在实际生产运行中，还要针对不同厂家的低压断路器结合该产品说明书上的技术数据和脱扣曲线及电流脱扣器的整定计算来设定保护数据，这样才能使各级断路器发挥最佳保护性能，避免越级跳闸而带来的安全隐患。