大功率高压电动机启动过程中低压开关跳闸故障分析

葛晖

北京市南水北调南干渠管理处 北京 100195

雁栖泵站是密云水库调蓄工程第八级泵站，设单级双吸卧式离心泵3台，2工1备，配套电动机为三相异步电动机，额定电压10kV，额定功率4000kW，额定转速497r/min，采用高压固态软启动器启动，工频运行。

雁栖泵站电力负荷等级设计为二级，10kV双回路供电，采用单母线分段接线方式，带联络。电源采用ZRC-YJY22-8．7/15kV-3＊300电缆，自上级变电站不同主变的10kV母线经开闭站、分界室引至泵站10kV高压配电室，长度约6．65km。

10kVⅠ段可分别为1#电动机和2#电动机供电，10kVⅡ段可分别为2#电动机和3#电动机供电。

10kV电机馈线柜-软启柜-电机采用ZRC-YJY22-8．7/15kV-3＊240电缆，长度约0．12km，馈线柜设低电压保护，定值为 70V、0．5s。

泵站0．4kV侧用电由两台800kVA的站用变提供，两台变压器分别引自10kV侧不同母线段。0．4kV侧采用单母线分段接线方式，带联络，母联断路器在自投手复位。

0．4kV侧自投功能由可编程控制器和电压监测继电器配合完成，当电压监测继电器监测到该段母线的电压超过设定的过/欠压阈值，且时长超过继电器延时设定值后，继电器动作。可编程控制器采集到继电器动作信号后，发出指令，断开该段401或402断路器，母联投入。

1 电压暂降引起的故障

1.1 主电动机启动时低压断路器跳闸故障

泵站机组试运行时，启动10kVⅠ段1#电动机导致该段母线0．4kV侧401断路器跳闸，3秒钟后低压母联445投运，该段0．4kV设备改由Ⅱ段供电。当更换Ⅱ段3#电动机再次试机时，发现Ⅰ段401断路器也出现跳闸现象。主电动机启动时，目视观测照明设备先暗后亮，录像观测高压侧电压由10．5kV降至8kV左右后逐渐恢复，低压侧电压由410V降至310V后逐渐恢复。

1.2 低压跳闸对运行的影响

目前情况下，无论开启10kVⅠ段机组，还是10kVⅡ段的机组，均会引起两段低压断路器跳闸现象，母联虽可自投，但各辅机（液压站、稀油站、技术供水）断电后均突然停运，需重新手动启动，以确保上位机能够及时接收到相关反馈信号，保证机组能够正常启动，给机组安全运行带来了威胁。同时低压断路器跳闸还会引起办公生活设备断电，对生产生活均造成较大影响[1]。

2 主要元器件参数

2.1 401/402断路器

断路器本体：ABB SACE Emax系列 E2S2000配PR121/P-LSIG脱扣器。

欠压线圈+延时继电器（YU+D）：当脱扣器电源电压等于35-70%Un时，断路器延时3s分闸。

图1 低压断路器保护定值

2.2 电压监测继电器及可编程控制器

电压监测继电器：schneider RM4-TR32 其中过电压阈值设定为440V,欠电压阈值设定为360V，延时3s。

图2 低压断路器延时继电器和电压继电器

可编程控制器：MOELLER EASY719

图3 可编程控制器

2.3 电动机软启动器及补偿电容

表1 高压软启装置主要参数

表2 高压无功补偿装置主要参数

3 故障原因排查分析

为查清故障原因，特邀请断路器厂家技术人员对断路器进行检测，经查断路器本体无故障。后经试验，确认401/402断路器跳闸的原因是欠压导致电压监测继电器欠压动作并报警，可编程控制器检测到动作信号后遥控断路器分闸[2]。因此，可以断定是因为主电动机启动负载过大将10kV母线电压拉低导致同段母线上的站用变压器产生低电压所致。

为了验证该分析，在10kVⅡ段电压互感器测量回路并联接入波形记录仪，在启动3#机组时，对该段母线电压波形进行了监测记录，波形如下图所示。

图4 3#机组启动A相电压变化

图5 3#机组启动B相电压变化

图6 3#机组启动C相电压变化

由电压监测图可知，机组启动时电压暂降持续时间约10s，最大压降约为23%。一般来说，不频繁启动的电机，端子电压不宜低于系统标称电压的85%，现有情况下，启动时的电压暂降显然不满足要求。

而导致电压降幅过大的原因应该是电网系统容量冗余度不足所致。经与上级变电站了解，随着经济发展近年周边受电区域新增大量用电负荷，系统容量饱和度逐渐提高，冗余度下降。

4 应对措施

通过减小电动机启动限流倍数等参数可以稍微减小对电网的冲击，减小电压降低幅值，考虑到水泵是带载启动，现有软启设定的限流倍数等参数适当，且已经过数年多次启动的验证。另外，减小电动机启动限流倍数必然导致启动时间变长，长时间在大电流下工作会导致电动机发热严重减损寿命[3]。

通过调整电压监测继电器欠压阈值、加长延时时间也可躲过电机启动时的电压暂降，但最低电压仅有正常值的77%且持续时间较长，若再调低欠压阈值，可能造成低压侧电机堵转，也会影响对电压敏感的电气电子设备的正常工作。

综合以上因素，建议采取以下方式抑制电机启动时的电压降低：

（1）提高短路容量。与电力公司协商增加系统容量或更换更大线径电缆减小系统阻抗，以提高接入点母线短路容量，以减小启动时压降。

（2）将电动机启动方式改为变频启动。将电动机启动方式由软启启动改为变频启动，平滑启动，减小对电网的冲击，减小启动时压降[4]。

（3）启动时同步投入电容补偿装置。目前电容补偿装置是在软启装置切至旁路运行时才投入运行用于改善功率因数。如果将电容补偿装置的投入时机调整为机组启动同步投入，则可以在启动过程补偿感性电流，可以有效改善启动电压，减小压降[5]。

现阶段来看，提高系统容量的思路最不易实现；改变电容补偿装置投入时机的思路操作起来难度最低，更容易实现，但是改善幅度有限；而将电动机启动方式改为变频从根本上讲无疑是更有效的方式。

5 结语

本文对雁栖泵站主电动机启动过程导致低压断路器跳闸的现象进行了细致描述，并对故障原因进行了排查分析，结合分析结果提出了3种解决方案为大功率高压电动机启动过程改善提供了参考思路。