厂用电故障对控制回路供电影响分析

叶朋珍 ，李　祥，叶　茂 ，徐　洋

（1.皖能铜陵发电有限公司，安徽　铜陵　244012；2.皖能股份有限公司，安徽　合肥　230000）

0　引言

电力系统在运行时会遇到多种故障，其中由于雷击、短路故障重合闸、外部或内部电网故障、大型设备起动等原因，造成电压瞬间较大幅度地波动或者短时断电又恢复的故障现象，称为晃电故障[1-2]。目前大多数400 V设备的控制电源设计从400 V抽屉式开关上端口经熔丝或空气开关取一次侧的动力交流电源，一般有取相电压（220 V）电源和线电压（380 V）电源两种，除部分重要设备的控制电源取自直流电源或UPS电源外，由于晃电影响到控制电源导致设备跳闸的事件时有发生。

由于取一次侧交流动力电源作为控制电源的设备数量较多，一次侧交流动力电源的可靠性运行直接关系到设备的安全稳定运行，研究探讨取自一次侧交流动力回路的控制电源可靠性问题是非常有必要的。合理设计控制电源能够有效减小晃电故障的影响，而控制电源的设计方式在目前规程或标准中尚没有明确的规定。

以一次6 kV电动机故障为例，分析6 kV系统单相接地故障、两相接地短路故障、两相短路故障分别对取自一次侧交流动力电源的控制电源的影响，同时展开分析400 V一次侧交流动力回路在以上3类故障情况下对控制电源的影响。

1　故障描述

某厂4号机为300 MW机组，主接线采用发变组接线方式，接入220 kV系统，如图1所示。电气6 kV厂用电系统为不接地系统，设置为4段母线运行，工作IVA段及公用02A段联络运行，工作IVB段及公用02B段联络运行，低压厂用变压器均为Dyn11接线的变压器，400 V系统为直接接地系统。

2016-08-06 T01∶20，6 kV的4B开式泵电机运行中速断保护动作，发变组故障录波器记录6 kV IV B段B／C相故障。4B开式泵电机保护装置记录的动作时故障电流为A相41 A、B相632.9 A、C相627.3 A，继电保护综合装置整定值6.21 In（其中In=5 A，TA变比为 75／5），故一次整定值为

图1　厂用电接线图

4B开式泵电机一次设备故障同时发生了400 V的4B空预器主电机跳闸，辅电机联锁启动。检查空预器主电机绝缘600 MΩ，空预器主电机无异常信号，联锁运行的B辅电机运行正常。

后检查了4B开式泵电机，测绝缘相间大于100 MΩ，对地大于300 MΩ，拆开电机通风挡板，发现电机端部引线处根部有两处炸裂，4B开式泵电机故障明确。

2　故障原因分析

在分析B空预器切换过程中，发现其他所有400 V低压辅机均未发生跳闸或者切换情况，整个400 V系统的辅机中只有4B空预器主电机跳闸。经过进一步检查分析，发现空预器永磁改造后，空预器主辅电机的400 V抽屉式开关控制回路发生了变化：改造后控制电源取自B、C线电压380 V电压，如图2所示，其他400 V抽屉式开关控制电源均取自A相相电压220 V电压，如图3所示。

故障录波器的录波图如图4所示，从录波图分析，IV B段发生了约1～2个周波的短路故障，故障时间约30 ms。IV B段电压约经过4～5个周波的非正常电压波形的过渡后恢复正常。故障期间产生了零序电压（零序电压取自专用PT的开口三角电压），由故障录波图分析，4B开式泵电机发生了BC相接地短路故障。

图2　4B空预器主电机控制回路

图3　其他400 V电机控制回路

4B空预器与4B开式泵主电源均取自高厂变B侧的IVB分支，其中4B空预器主电机电源取自保安IVB段。如图1所示，保安IV B段电源取自6 kV的IV B低厂变低压侧，当4B开式泵BC相短路时，6 kV B侧分支电压下降，IV B低厂变低压侧对应的BC线电压降低，导致B空预器主电机380 V接触器返回，4B空预器主电机跳闸，辅电机联锁动作。而其他400 V低压辅机控制电源均取自A相相电压220 V电源，4A空预器主电机则运行在A侧，A侧电压正常，未发生4A空预器跳闸。

图4　6 kV IVB段录波

本次事件中，高压侧BC相接地短路，导致低压侧控制电压Ubc降低至50%额定电压，低于接触器释放电压75%Us（Us为接触器额定控制电源电压），接触器释放跳闸，B空预器主电机跳闸。

3　故障对控制电源影响

发生三相故障后，在不考虑继电保护装置能快速动作的情况下，根据继电保护和断路器切除时间均大于接触器临界时间Δt（即接触器总是先于继电保护和断路器动作），不论选取相电压或线电压均可导致采用的交流控制电源的设备全部跳闸[3-4]。本文中分析系统故障对控制电源的影响时，不考虑三相完全短路的情况。

本文中对于能够维持部分控制电源不受影响的故障，分别从高压侧故障、低压侧故障两大类别进行分析，主要包括高压侧、低压侧的单相接地、两相短路、两相接地短路三种故障。

3.1　高压侧故障对控制电源的影响

对于变压器接线方式为Dyn11的系统，计算当6 kV系统电源故障时，400 V电压的下降值[5-6]。假定系统为无穷大系统，对应的高压侧各类型故障，计算低压侧三相电压关系计算。计算中，高压侧称为角侧，下标使用大写字母；低压侧称为星侧，下标使用小写字母；计算数值均使用标么值。

3.1.1　单相接地故障

6 kV系统单相接地时，线电压不受影响，故障相电压降为0，其他两相电压上升为线电压，400 V电压保持不变。

3.1.2　两相短路故障

以B、C两相短路为例，6 kV系统发生两相短路故障时，计算6 kV及400 V电压。

角侧电压序分量为

式中：UλKij下标数字 i分别代表三相 A、B、C， 下标数字j=1、2、0分别代表正负零序分量；上标中的数字λ=（2）代表两相短路，λ=（1、1）代表两相接地短路，λ=（1）代表单相接地故障。下文中其他公式表示方法均同。

星侧电压序分量为

故障时，400 V系统电压为

Ua=U（2）ka1+U（2）ka2+U（2）ka0

｜Ua｜＝0.866

同理，｜Ub｜=0， ｜Uc｜=-0.866， ｜Uab｜=0.866， ｜Ubc｜=0.866，｜Uca｜=1.732。

高压角侧BC相短路故障时，低压B相电压降低至0，另外两相降低至86.6%，线电压只有CA线电压正常，其他线电压均降低至50%。

3.1.3　两相接地短路故障

以B、C两相接地短路故障为例，6 kV系统两相接地短路时，系统零序阻抗为无穷大，计算6 kV及400 V电压。

角侧电压序分量为

星侧电压序分量为

故障时，400V系统电压为：

同理，｜Ub｜=0， ｜Uc｜=-0.866， ｜Uab｜=0.866， ｜Ubc｜=0.866，｜Uca｜=1.732。

高压角侧BC相接地短路故障时，低压B相电压降低至0，另外两相降低至86.6%，线电压只有CA线电压正常，其他线电压均降低至50%，如表1所示。

表1　高压侧故障情况下400 V电压理论计算幅值汇总 %

根据接触器返回电压特性[4]和GB 14048.4—2010《低压开关设备和控制设备 第4-1部分：接触器和电动机起动器机电式接触器和电动机起动器（含电动机保护器）》，单独使用或装在起动器中使用的电磁式接触器，在其额定控制电源电压Us的85%～110%之间任何值应可靠地闭合；接触器释放和完全断开的极限值是其额定控制电源电压Us的20%～75%（交流）。文献[4]指出当U下降电压在0.58时，Δt最小，即当晃电故障导致电压下降到58%额定电压时，接触器最容易断开。

表2　高压侧各类故障情况下控制电压能否维持运行汇总

对Dyn11接线方式，角侧各类故障情况下星侧电压进行计算，汇总情况如表1所示，统计分析相电压控制电源及线电压控制电源能否可靠保持运行（＞75%Un），结果如表2所示。

表2中，μi（μij）表示对应选取的控制电压相（线）

由表2可知，400 V设备控制电源取相电压电源（220 V）作为控制电源，在高压侧系统故障情况下，接触器能维持吸合运行的概率为77.8%，而取线电压电源（380 V）作为控制电源，故障发生情况下，接触器能维持吸合运行的概率为55.6%。相比较而言，取相电压电源（220 V）作为控制电源，在高压侧故障情况下能维持接触器吸合运行的概率比取线电压电源（380 V）作为控制电源的方式高1.4倍。

3.2　低压侧故障对控制电源的影响

考虑到400 V系统故障概率较大，400 V设备故障后，继电保护装置中热磁脱扣通常在20～80 ms内切除故障，而控制回路中的接触器释放时间与电压释放时的残压值和电压释放时的相角θ相关，通常约20～70 ms释放。考虑部分情况下，接触器是先于继电保护装置释放动作的，因而需要考虑400 V系统故障时，系统电压对控制电源的影响。

400 V系统发生单相接地故障、相间故障、相间接地故障时，分别分析3种类型故障对相电压控制电源和线电压控制电源的影响。

计算400 V系统故障情况下系统电压的变化，假定系统为无穷大系统，变压器零序阻抗Xt0=0.8Xt1，理想情况下忽略短路时的线路阻抗。

3.2.1　单相接地故障

以a相接地故障为例计算

式中：Xj∑为电抗标么值，数字j=1、2、0分别代表正、负、零序电抗值。

则有

即低压侧a相接地故障时，a相电压降至0，b、c相电压降至96%，b、c线电压保持不变，其他线电压降至55.4%。

3.2.2　两相短路故障

以b，c相短路故障为例

故

即低压侧bc相短路故障，a相电压保持不变，b、c相电压降低至50%，b、c线电压降低至0，其他线电压降至86.6%。

3.2.3　两相接地短路故障

以b，c相接地短路故障为例

故

即低压侧bc相接地短路故障，a相电压保持不变，b、c相电压降低至 0，b、c线电压降低至 0， 其他线电压降至57.7%。

对Dyn11接线星侧（低压侧）各类故障情况下低压侧电压进行计算，汇总情况如表3所示，对相电压控制电源、线电压控制电源保持可靠运行（>75%Un）的概率进行统计分析，结果如表4所示。

统计结果表明，设备控制电源取相电压电源（220V）时，在低压侧3种障情况下接触器能维持吸合运行的概率为44.4%；而设备控制电源取线电压电源（380V）时，在低压侧3种故障发生情况下，接触器能维持吸合运行的概率为33.3%。相比较而言，取相电压电源（220V）作为控制电源，在低压侧发生各类故障情况下能维持接触器吸合运行的概率比取线电压电源（380V）作为控制电源高1.3倍。

表3　低压侧故障情况下400 V电压理论计算幅值汇总 %

表4　低压侧各类故障情况下控制电压能否维持运行汇总

4　结语

此次400 V电机的一次异常跳闸情况进行分析发现，对于Dyn11接线，角侧故障有可能导致星侧电压变化。对其他类型故障进行类似分析，并统计各类故障情况下，高、低压侧故障对低压侧400 V设备运行情况的影响。当利用相电压作为控制电源时，受系统故障影响的概率低于利用线电压作为控制电源的情况。不论在高低压故障情况下，相电压作为控制电源时，接触器能维持吸合的概率均比线电压作为控制电源情况高，因而在设计时宜选取相电压电源（220 V）作为接触器控制电源。

另外，利用系统接入交流动力电源作为控制电源时，若高、低压侧发生故障，仍然可能导致接触器失压设备跳闸。无论哪种接线方式均无法彻底解决运行设备受系统动力电源影响的问题[8-12]，因而对重要设备应该采用直流电源或UPS电源作为控制电源，确保重要设备不受系统故障的影响。

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