辽宁红沿河核电有限公司 纪雄飞
近年来,随着我国核电安全有序快速发展,具有操作便利、动作可靠、检修方便等多方面优势的低压开关柜在配电网中广泛使用[1]。低压开关柜抽屉一次回路的接通是通过动、静触头的配合来实现的[2],然而在实际使用中,由于大容量负荷抽屉动、静触头接触不良,电动机启动瞬间电流达2000A 以上,引起抽屉触头插接部位过热[3]、拉弧、三相短路,甚至导致配电盘烧毁。本文简要说明事故经过、故障排查,阐述了低压开关柜抽屉三相短路的原因,并提出解决措施。
某厂常规岛低压配电系统由6.6kV/0.4kV 干式变压器、380V 低压开关柜及相应的二次设备组成,380V 母线与变压器低压侧直接连接,未配置低压总进线断路器。变压器型号为SCB10-1000/6.6,额定容量1000kVA,空载电压变比6.6±2×2.5%/0.4kV,接线组别Dyn11,变压器低压侧配置零序过流保护(定值3200A,0.5s)。低压开关柜共计8面盘柜,主要为汽轮发电机组重要负荷供电,抽屉内配置塑壳断路器(T5S630 3P)、接触器(AF460-30)、热继电器(EF460-500)及接地保护(定值30A,0.15s)。顶轴油泵电动机铭牌额定功率为160kW,额定电流304A,启动电流2050A。系统一次接线图如图1所示。
图1 系统一次接线图
2020年11月26日,5号机组润滑及顶轴油泵启动时,380V 低压开关柜抽屉起火,变压器上游6.6kV中压开关保护装置反时限过流保护动作跳闸,导致整列配电盘失电。
现场查看不断有烟雾从第五列盘柜冒出,使用灭火器扑灭后,烟雾逐渐消散。经查油泵电源抽屉严重烧损,抽屉内元器件严重受损,抽屉母线侧触头组件及铜排熔毁,抽屉负荷侧触头组件及铜排无异常,检查顶轴油泵电缆绝缘正常,电动机绝缘、直流电阻正常,下游油泵检查无异常,为此判断抽屉与配电盘垂直母排连接部位,发生三相短路造成低压开关柜抽屉烧毁,如图2所示。
图2 正常抽屉与故障抽屉背面
由于抽屉与配电盘垂直母排连接部位熔毁,因此无法直接判定故障原因。通过调取动作时序、保护装置故障录波、对抽屉进行解体检查,综合分析确定故障原因。
查询主控室动作时序,油泵启动240ms 后抽屉内塑壳断路器(T5S630 3P)故障跳闸,2751ms 后6.6kV 中压开关保护装置反时限过流保护动作跳闸,见表1。
表1 主控室动作时序
由于380V 母线与变压器低压侧直接连接,未配置低压总进线断路器,因此380V 母线短路只能通过变压器上游6.6kV 中压开关保护装置实现。中压开关保护装置反时限过流保护定值131A,电流互感器变比为150/1,调取故障录波,三相电流波形如图3所示,根据波形特征,可分为4个阶段。
图3 故障波形
2.2.1 阶段1:T0至T0+185ms 润滑及顶轴油泵启动T0时油泵启动,最大启动电流178A,大于保护装置设定值,保护启动,T0+185ms 电流衰减至117A,保护返回,如图4所示。
图4 阶段1、2波形
2.2.2 阶段2:T0+185ms 至T0+784ms 三相短路
T0+185ms 电流开始突变,三相电流幅值在700~1100A 波动,相位角相差120°,由此可判断变压器低压侧配电盘发生三相短路故障,保护启动,但由于故障电流持续600ms 小于反时限过流保护动作时间1s,保护返回,如图4所示。
2.2.3 阶段3:T0+784ms 至T0+1289ms
三相电流波动,分析为三相短路电弧熄灭与复燃,保护多次启动与返回,如图5所示。
图5 阶段3、4波形
图6 一次触头组件
2.2.4 阶段4:T0+1289ms 至T0+2593ms 三相短路
三相短路故障电流持续时间大于1s,保护动作出口跳闸,如图5所示。
抽屉额定电流630A,单个触头组件额定电流400A,因此每相使用两个触头组件并联。抽屉背视图右侧为母线侧,左侧为负荷侧,为提高一次触头稳定性,进出线触头组件安装在连通的金属壳内,如图7所示。
图7 抽屉
检查抽屉母线侧触头组件及铜排熔毁,从燃弧灼烧抽屉元件情况和电流波形分析判断,短路故障起于抽屉与配电盘垂直母排连接的触头组件金属壳内,如图8所示。
图8 故障抽屉
根据抽屉解体检查情况分析,认为有以下几种原因造成三相短路事故:一是金属异物落入或遗留。三相铜排之间及对地之间如搭接金属异物,会造成短路。从设备结构、故障录波及现场模拟试验,排除了金属异物形成短路故障的可能。二是三相触头组件之间及对地绝缘间隙不足。实测裸露铜排与金属框架之间最小距离为9.5mm,国标要求最小距离为8mm,三相之间绝缘间隙满足要求。三是一次触头组件设计存在不足。对于小容量抽屉,由于电流较小,相对可靠性高,对于大容量抽屉,负荷电流大,一次触头组件接触不良会引起电弧故障,且抽屉三相进出线触头组件之间未使用绝缘件完全隔离,共同安装在连通的金属壳内,极容易发展成三相短路,相对可靠性低。
综合上述分析,确定故障原因为抽屉一次触头组件设计存在不足,三相触头组件之间未使用绝缘件完全隔离,共同安装在连通的金属壳内,一次触头组件在多次起动电流作用下导电性能劣化,在累积效应达到一定程度后,再次启动电动机过程中拉弧,造成金属壳内三相弧光短路。
为确保系统安全、稳定运行,防止此类事故发生,决定采取以下措施:一是将75kW 以上容量的电动机抽屉改为抽出式框架断路器,如图9所示。抽出式框架断路器并不等于没有触头组件,只是把原来的抽屉触头组件转移到了框架式断路器上,而框架式断路器与其底座的接触远远优于抽屉一次触头组件,改造完成后,大容量负荷回路运行良好。
二是优化干式变压器及配电盘保护配置。380V母线与变压器低压侧直接连接,未配置低压总进线断路器,造成380V 母线发生三相短路故障2.7s 后6.6kV 开关跳闸,故障没有被及时切除,导致抽屉烧毁严重。经过分析变压器及配电盘的保护配置虽然符合规范,但保护动作的灵敏度低,由于增加低压总进线断路器存在困难,因此通过增加变压器低压侧三相过流保护,以确保低压开关柜母线发生短路故障的情况下能迅速切断上游电源,减小事故的后果。
低压开关柜是核电厂低压配电系统的重要设备,其正常运行与否直接影响到机组的安全运行,为提高核电厂低压开关柜运行的可靠性,避免类似问题在后续核电项目发生,建议电动机功率大于75kW 时采用抽出式框架断路器代替抽屉式结构、低压开关柜配置低压总进线断路器或母线短路保护。