隧道轴流风机起动越级跳闸原因探究

姜 朝 曦

［上海市政工程设计研究总院(集团)有限公司, 上海 200092］

0 引 言

市政隧道工程的供配电系统与其他工程相比要求较高,需保障其各重要负荷供电系统的可靠性、连续性及安全性。如果在运行过程中大面积断电,可能会对人民的生命安全和公共财产造成较大损失。因此,各级保护装置的动作特性应具有良好的选择性配合,配电的电气设备应按照预先规定的动作顺序进行有选择的开断工作,绝不允许出现越级脱扣现象,避免扩大事故影响范围造成损失。

1 工程概述

某城市隧道全长约2.3 km,道路等级为城市快速路,主路设计速度80 km·h-1,标准段双向6车道。沿隧道全线共设置3处变电所,分别内设两台SCB14-1 250 kVA,10±2×2.5%/0.4 kV变压器。变压器联结组别Dyn11,短路阻抗Uk=6%,为隧道内动力及照明负荷供电。隧道内主要负荷为射流风机、轴流风机、峒口雨水泵、最低点废水泵等,供电距离最远约为600 m。变电所低压系统接地形式为TN-S。

以1号变电所为例,该变电所内两台SCB14-1 250 kVA变压器出线采用ACB-2 500 A保护,两台变压器各带隧道1台轴流风机(单台250 kW,效率0.94),采用控制与保护器件(CPS)保护,星三角起动方式,供电距离为150 m,电缆型号采用2(WDZA-YJY-4×150+1×70)。单台变压器其余负荷约为500 kW。试运行阶段测试风机时,轴流风机合闸后变压器10 kV侧断路器跳闸,0.4 kV侧断路器未动作。供电示意图如图1所示。

图1 供电示意图

2 故障分析

10 kV真空断路器跳闸可能有如下原因:① 线路有接地或短路故障,接地或短路保护动作;② 大功率设备起动时尖峰电流造成高压线路涌流过大,上下级断路器配合有误,造成速断跳闸;③ 电流互感器电流比过小,与实际负荷电流比不匹配。下面从设计角度对上述几种可能进行分析和计算。

2.1 接地和短路故障排除

切断轴流风机电源后,分别对两台轴流风机的直流电阻和绝缘电阻进行检查,未发现异常情况。直流电阻正常说明轴流风机内部完整,未因机械应力引起断线、脱焊或接触不良。绝缘电阻正常说明轴流风机导电部分并未收到异物、受潮、绝缘击穿及热老化等缺陷影响。确认设备正常后,对10 kV断路器QF1合闸,变压器正常运行,不带其他负载,单台星三角起动轴流风机后,电机起动及运转一切正常,高、低压断路器未动作,且10 kV继电保护未显示接地及短路故障,可以排除因接地或短路故障引起的保护动作情况。

2.2 高低压断路器选择性配合校验

大功率轴流风机起动时,电机存在较大的转差率,因此会存在较大的起动电流,进而造成电网波动。当电压波动超过断路器设定值时会造成断路器跳闸,因此先应排除轴流风机起动是否会造成断路器失压跳闸。如母线电压满足规范要求,则应进一步判断电动机起动电流是否会引起高、低压断路器速断或过载跳闸。当变压器容量≥800 kVA时,一般采用带反时限保护的高压断路器柜的方式,可以通过断路器直接对整定值进行调节,低压侧通常情况下会选择智能式带短路的延时开关,最后判断其与高压侧配合情况是否合理,从而起到选择性保护目的,避免越级动作,扩大事故范围。

(1) 0.4 kV母线失压校验。

根据文献[1]公式并做适当变型,电动机起动时母线压降校验式如下。

母线短路容量:

(1)

起动回路的计算容量:

(2)

母线电压相对值:

(3)

式中:Ssc——最小运行方式下系统短路容量,取200 MVA;

QL——预接负荷的无功功率;

us——电源母线电压相对值,取1.05;

Uav——网络平均电压,取0.4 kV;

SrT——变压器额定容量,取1.25 MVA;

uk%——变压器的电抗相对值,取为阻抗电压相对值;

X1——线路电抗(对于铜芯线:≤150 mm2,X1取(18.3/S)l);

SstM——电动机额定起动容量,MVA,其值为kstSrM。

代入数据后:

X1=0.009 15;

SscB=18.87 MVA;

Sst=1.24 MVA;

QL=0.375 Mvar;

ustB=0.918。

根据文献[2]第2.2.2条,电动机频繁起动时,不宜低于额定电压的90%;电动机不频繁起动时,不宜低于额定电压的85%。计算结果为91.8%满足要求,变压器低压侧断路器不会因母线失压跳闸,设计选型合理。

(2) 0.4 kV断路器尖峰电流校验。

0.4 kV断路器定时限过电流脱扣器的整定电流应能躲过短时出现的尖峰负荷电流,其瞬时过电流脱扣器的整定电流应躲过配电线路的尖峰电流。根据文献[1]中公式进行如下校验:

Iset2≥Kset2[IstM1+IC(n-1)]

(4)

Iset3≥Kset3[I′stM1+IC(n-1)]

(5)

式中:Iset2——定时限弱电流脱扣器的整定电流;

Kset2、Kset3——分别为定时限、瞬时可靠系数取1.2;

IstM1——线路中最大一台电动机起动电流,星三角起动取4倍电动机额定电流IrM;

I′stM1——线路中最大一台电动机的全起动电流,取IstM1的2.5倍;

IC(n-1)——除起动电流最大的一台电动机以外的线路计算电流。

代入数据后:

IrM=505 A;

Iset2=7 500 A;

Iset3=25 000 A;

Kset2[IstM1+IC(n-1)]=3 624 A;

Kset3[I′stM1+IC(n-1)]=7 260 A。

由计算结果可知,满足校验条件,0.4 kV断路器能够躲过轴流风机起动时尖峰电流。

(3) 10 kV断路器尖峰电流校验。

当变压器容量≥800 kVA时,一般采用带反时限保护的高压断路器柜的方式,可以通过断路器直接对整定值进行调节,10 kV侧断路器一般由供电部门负责整定,为了避免用电设备长时间过载或涌流对电力系统稳定性产生不利影响,往往将10 kV出线开关整定为变压器额定电流的1.5倍,延时时间为0.3～0.5 s。

根据文献[1]中公式并做适当修改,接有多台电动机的配电回路,只考虑1台电动机起动时的尖峰电流为

Ist=(KIrM)max+IC(n-1)

(6)

其中,(KIrM)max为起动电流与额定电流差别最大的一台电动机的起动电流;K为起动电流倍数,笼型电动机正常起动取7倍,星三角起动时取4倍。

代入数据后:

Ist=3 020 A。

折算到高压侧电流为120.8 A。

变压器额定电流为72 A,10 kV断路器速断整定电流为108 A,因此,可判断10 kV断路器越级跳闸。

2.3 电流互感器变比校验

根据工程经验,部分10 kV断路器跳闸可能是因为综保设置不合理引起的。检查综合保护装置内部参数设置,10 kV馈线断路器采用VS1真空断路器,过电流跳闸值预设为变压器额定电流1.5倍,即108 A、标准反时限时间为0.3 s,预设电流互感器变比为500/5。实际安装中,10 kV环网柜馈线回路电流互感器变比为150/5。由计算可知,电机起动时变压器高压侧电流为120.8 A,此时按实际安装的150/5的电流互感器二次侧流过电流为4.03 A,而输入综保装置却按照500/5变比进行计算,其过载保护整定值为1.08 A,相差4倍会引起过载动作跳闸。

3 解决方案

大功率电机起动造成10 kV断路器越级跳闸,在排除接地及短路故障后,事故原因往往是起动尖峰电流过大或综保设置引起的。针对本工程的故障分析结果,解决方案如下:

(1) 大功率风机起动时,应尽量减小其起动电流。消防负荷可考虑利用不含电力电子元器件的软起动器或星三角降压起动。非消防负荷可考虑变频起动等方式,进一步降低尖峰电流。

(2) 根据项目实际情况选择合理的10 kV断路器参数。实际的速断动作电流及时间整定应既能躲开大功率电机的起动尖峰电流,又能使跳闸故障不频繁发生。在参数选择上,可以考虑整定值适当向上扩大一档或通过时间差来保障不出现越级跳闸的现象。

(3) 运维人员在验收调试阶段需仔细核查。要查看综保设定是否和设定单相同,特别注意各元器件的参数是否一致。若综保变比和CT变比不一致,在CT变比选型安装正确的情况下,重新设定综保变比。

(4) 规范试运行阶段相关人员的操作方式。试运行阶段在调试风机时,往往会同时开启大部分风机,会造成很大的起动尖峰电流。以本项目为例,操作人员应模拟实际运行工况下大功率风机起动时既有负荷的情况,避免同时全部起动射流风机和轴流风机,确保电流不超过继电器的额定电流设定值。

4 结 语

市政隧道工程的供配电系统考虑其项目特点和影响范围等因素,在供电系统的可靠性、连续性及安全性上有着严格要求。本文结合已实施工程案例,从设计角度对隧道轴流风机启动越级跳闸原因进行探究,逐一计算排查分析故障原因,对今后10 kV侧越级跳闸事故排查有一定启发作用。