卡洛特水电站低压空压机动力电源跳闸分析

刘高永

（中国水利水电第七工程局有限公司机电安装分局，四川 眉山 620860）

0 引言

低压空压机作为水电站的重要组成部分，为水轮发电机组停机时顶起和落下机械制动风闸提供压力气源；同时也是检修作业时的吹扫气源。因此，低压空压机难免会出现启动较为频繁的情况。而水电站内装设的空压机系统，均以400 V电压等级作为动力电源，当空压机使用的较大功率的电动机全压直接启动时，会产生较大的启动电流，造成相对较大的有功功率损耗[1]。同时，水电站低压空压机因为存在频繁启动的情况，启动时出现大电流会使空压机电动机内部产生比正常运行时相对较大的温升，从而对其绝缘和性能造成影响。

电动机星-三角启动作为目前应用广泛的大功率电动机启动方式，不仅结构简单，可行性高，而且实施材料价格便宜，可靠性高。为避免大功率电机全压直接启动时造成的一系列影响，多采用星-三角启动方式。卡洛特水电站低压空压机也采用了星-三角启动方式。

1 卡洛特水电站低压空压机电气原理

卡洛特水电站低压空压机系统共装设3台汉姆沃斯（北京）压缩机有限公司的集成式空气压缩机。电动机参数如表1所示，采用星-三角启动方式启动，运行时以其中1台为主用，另外2台为备用，由公用400 V电源供电，具体为公用400 V出线柜1GP-11下级供电箱201D直接电缆连接至低压空压机集成柜体内端子。201D供电箱内供低压空压机使用的出线开关参数为3P/63A-D。低压空压机星三角启动主回路如图1所示。

图1 低压空压机星-三角启动主回路

表1 低压空压机电机参数

表2 空压机启动时瞬时最大电流

图1中，X0端子排位于低压空压机本体集成柜内，通过400 V电缆连接至供电箱201D。低压空压机本体集成柜内控制电源取400 V动力电源V、W相，经容量59 VA的三绕组变压器2T7降压，副边输出一路230 V和一路24 V电源，为空压机本体控制回路和柜内设备和元器件供电。

空压机启动及停止由安装在储气罐供气主管上的集成式电子压力变送控制器提供开关量，上送至低压空压机系统联控箱内PLC进行控制。与当储气罐压力下降到0.65 MPa时，低压空压机系统联控箱内PLC1收到压力开关传来的“启主用空压机压力”DI信号后，使控制箱内中间继电器K03（或K05、或K07）得电，从而其常开触点闭合，进而使空压机本体集成控制箱内PLC2收到空压机启动信号，PLC2发出DO信号控制接触器3K7、3K6接通，主电机定子绕组星形接法启动主电机，启动完成后，接触器3K6断开，3K5闭合，主电机定子绕组转为三角形接法，电机进入工作状态，PLC2控制加载电磁阀得电，开始打压。

若1台空压机启动后储气罐压力持续降低，当压力降低至0.63 MPa时，压力开关“启备用空压机压力”触点闭合，进而低压空压机系统控制箱内K03、K05、K07全部得电，3台空压机全部启动。

当储气罐压力上升至0.8 MPa时，压力开关“停空压机压力”触点闭合，系统控制箱PLC1收到信号后使K03、K05、K07失电，其常开触点断开，停止向本体控制箱发空压机启动信号，本体控制箱PLC2失去信号后，空压机卸载压力，主电机延时停机[2]。

主回路上的CT二次侧接入本体控制箱触摸屏，可直观观察电机启动及工作时的三相电流。

2 故障发生

故障出现前，卡洛特水电站低压空压机系统已完成调试进入试运行阶段，3台空压机本体的电气回路、组成结构均一致。3台空压机手动启动、停止，自动启动、停止，以及主用、备用切换，3台同时工作，调试时均工作正常。且调试时使用3台空压机进行了储气罐建压，用以测试储气罐及供气主管的密封性，期间空压机工作时间相对较长，亦未发生异常情况，3台空压机的动力电源供电开关均未发生跳闸。调试完成后进入试运行阶段，为发电机起停机调试及施工吹扫供气。试运行期间，有专人负责设备巡视检查。

交付试运行三个月之后，试运行工作人员在例行巡视时，发现低压空压机系统联控箱上的故障灯点亮，触摸屏报文显示三号空压机故障，进一步检查发现三号空压机屏幕未点亮，无电，遂通知调试人员前往查看。

3 现场测试

经过调试人员检查，发现400 V供电箱201D内为三号低压空压机供电的开关已跳闸。调试人员对三号空压机电气回路、主电机进行了再次检查和详细测试，三号空压机主回路、控制回路均绝缘良好，未发生短路或接地现象，符合相关技术要求；主电动机三相定子绕组直流电阻与另外2台无明显差异，且三相直流电阻值之间的差异均在标准要求范围之内，绝缘电阻亦大于国家标准要求的0.5 MΩ。于是再次对供电箱201D内的开关进行合闸操作，合闸后三号空压机一切正常。在通过打开储气罐排污阀对储气罐压力进行调整到安全范围后，再次启动三号空压机。在空压机刚启动时，其工作声响与正常无异，当加载电磁阀加载，工作声音变沉闷的一瞬间，三号空压机再次失电。

调试人员揭开空压机盖板，同时将触摸屏切换至电流监视页面。再次合闸201D内三号空压机供电开关，启动三号空压机，观察本体控制箱内继电器及接触器工作状况，发现电动机启动之初，即定子绕组星形接法工作阶段，工作正常；当电动机启动完成切换至定子绕组三角形接线的瞬间，供电开关再次跳闸失电。过程中观察到触摸屏电流监视页面显示瞬时电流最大可达104 A，随着星三角切换，电流变小，然后跳闸。

同样的方式依次单独启动一号和二号空压机，均能正常启动，未发生跳闸。空压机系统联控箱监控报文亦未出现过进入试运行后一号空压机或二号空压机故障[3]。

4 故障原因分析

（1）启动时电流过大。测试结果表明，三号空压机启动时出现了瞬时大电流，超过了供电箱201D内供电开关的额定电流。

前文所述的为空压机本体直接供电的上级动力配电箱201D内的开关为3P/63A-D型，由此可知该开关单极额定电流为63 A。虽然空压机启动时瞬时电流的104 A已远超开关额定电流，但空气开关的跳闸具有反时限特性，而且该开关为D型，代表动力类负载专用，具有较强的抗瞬时冲击电流能力。同时，现场跳闸并未发生在瞬时电流最大时，而是在星-三角切换过程中发生。因此，启动时产生的瞬时大电流并不是造成该开关跳闸的直接原因。

（2）负载影响。本套低压空压机系统共3台集成式空压机，交付试运行之前3台空压机均进行了多次启停试验，并未发生开关跳闸的现象。但调试时进行的频繁启停均是在气罐压力较低的情况下进行，这种情况下空气压缩机加载时受到的冲击并不大。进入试运行阶段后，气罐压力长期处于0.65 ~0.8 MPa之间，对压缩机而言，此时加载受到的负载冲击变大，加载电磁阀打开的一瞬间使电机受到类似堵转的冲击，瞬间使电动机定子电流上升。星-三角启动方式可使定子每相绕组承受的电压在启动时降低到电源电压的，启动电流则只有全压启动时的1/3。启动电流减小，启动转矩也同时减小到全压启动的 1/3，因此星-三角启动不适宜直接用于重载类负荷。但本案例中此类集成式空气压缩机的加载电磁阀是在星-三角启动切换完成之后才得电加载，并未使星-三角启动回路直接受力于负载。同时另外两台压缩机的自身控制设置及电气回路均与发生故障的压缩机相同。因此负载大小引起跳闸也可排除在直接原因之外。

（3）加载时机。如前（2）所述，加载电磁阀是在星-三角启动切换完成后得电加载，另外2台压缩机也未发生跳闸。虽然3台压缩机的控制设置以及电气回路均相同，但用在每台压缩机的电气元件的性能并不会完全一致，电机的电气特性也不径相同，若加载时机设置欠佳，就有可能使电机启动过程与加载电磁阀在某种程度上出现时间重叠，从而影响电机电流使开关跳闸。

（4）电机本身的原因。根据电动机工作原理，当给电动机定子通入三相正弦交流电的时候，在其定子绕组上会产生一个顺时针旋转的磁场，此时原本静止的电动机转子相当于逆时针切割定子产生的磁场，进而在闭合的转子导体中产生电流，根据左手定则，且由于转子导体是沿圆周均匀分布的，切割磁场产生的电磁力使转子也开始带动电机轴顺时针旋转。在星-三角启动电路中，当星-三角回路切换过程中，定子绕组有一定时间内与电源断开，但转子绕组中感应产生的电流是逐渐衰减直至消失的；根据电磁感应原理，此时转子的电流又会反过来使定子绕组产生感应电势；当三角形接触器合闸时，产生的定子感应电势与电源电压相重合，当两者数值相同而相位完全相反的情况下，将产生远大于正常启动时的瞬时冲击大电流。本案例中故障压缩机星型启动时最大瞬时电流已接近上级开关额定电流的2倍，若星-三角切换时产生的感应冲击电流达到一定数值，由于上级开关的反时限跳闸特性，该开关有可能瞬间跳闸。

（5）综合总结。结合前述（2）、（3）、（4），最不利的情况下，三种现象同时发生，将更加加剧上级开关跳闸的几率。另外值得注意的是，事后了解发现，三号压缩机本体柜内的小变压器曾在施工班组在管路上焊接作业后发生烧毁更换。进一步了解发现是在紧挨三号压缩机与其相连的排污管路上进行的焊接作业，且焊接时未对压缩机进行断电，若焊接时接地点选择不合适，焊接电流流过压缩机电气回路，持续的大电流将对压缩机内的电气设备产生不利影响，甚至改变电机的绝缘和性能[4]。

5 解决建议

结合前述原因分析，提出以下解决的建议方法：

（1）延迟加载。适当推迟加载电磁阀得电的时间，待星-三角启动切换完成电机稳定后加载，应能避免气罐压力较高时重载冲击对上级动力电源开关的影响。但由于条件限制，现场并未进行验证。

（2）适当增加上级开关容量。尤其针对原因（4），合理的选用更大容量的上级开关，在能保证真实发生故障能跳开的前提下，能有效的解决此类非真实故障下的跳闸。四川乐山犍为航电枢纽工程的低压空压机调试时也曾出现同样情况，该站低压空压机系统配置2台与本案例大同小异的15 kW集成式压缩机，首次调试时即发现星-三角切换时控制柜内为集成柜供电的二级开关会跳闸，调试时经设备厂家同意，更换了控制柜内容量较大的备用开关进行供电后，再未发生跳闸。后经设计院多次确认，认为是星三角切换时感应电势的冲击造成的跳闸，责成控制柜厂家更换开关，之后未再发生跳闸现象。因此，本案例也可参考将201D配电箱内开关更换为更大容量的开关以解决跳闸问题。

6 结语

工程施工现场安装调试难免会遇到各种各样的问题，现场调试班组在遇到问题时也会竭尽所能解决，然而限于工程现场条件及其他因素限制，施工调试班组并不能像正规试验室一样验证各种情况，同时也不能擅自决定现场设备的更改，因此有时现场发现的问题并不能及时彻底的解决。但通过现场情况的分析和工作经验的积累，可以对调试时发现的问题提出合理的建议，以帮助解决问题。