低压开关柜抽屉三相短路事故原因分析

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。

1 情况说明

1.1 设备介绍

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

1.2 故障概述

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

2 原因分析

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。

2.1 动作时序

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

2.2 故障波形

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。

2.3 抽屉检查

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。

2.4 综合分析

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。

3 措施

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。

4 结论

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。