大型调相机交流润滑油泵压力异常问题分析及治理

李聪聪，孙孔明，郑凤才，曹志伟，李玉敦

（国网山东省电力公司电力科学研究院，山东 济南 250003）

0 引言

随着特高压交直流混联电网的快速发展和高比例新能源的接入，安全稳定已成为电力生产任务的重中之重，调相机作为大容量动态无功支撑设备，成为大电网安全综合防御体系的重要组成部分［1-16］。调相机是一种旋转无功支撑设备，润滑油系统在调相机运行过程中的润滑、散热等作用保证了调相机的稳定运行［17-18］。

润滑油系统作为调相机辅机系统中重要的子系统，一旦发生异常将会严重威胁调相机的正常运行。因此，为减少润滑油系统故障或异常导致调相机非计划停机，应对润滑油系统的相关故障案例进行深入研究，明确故障原因，指导运行设备开展隐患治理，提高润滑油系统的运行可靠性。

结合一起交流润滑油主泵、备泵周期性切换时主泵电源失电事件，对润滑油泵启、停逻辑和油压暂降进行分析，通过现场试验发现因主泵逆止阀效能下降引起润滑油母管压力下降较快而重启主泵，导致主泵进线塑壳断路器因电机重启电流过大而跳闸。根据分析结果提出更换逆止阀并在现场增加安装蓄能器的措施，保证润滑油系统主、备正常，提高调相机组的运行可靠性。

1 交流润滑油泵压力异常问题简述

某换流站某调相机自投运以来，在润滑油系统交流润滑油主泵、备泵周期性切换时，备用油泵启动正常，主用油泵退出时多次发生主油泵进线电源塑壳断路器无故障跳闸事件。其他运行调相机交流润滑油泵切换时未发生异常。

润滑油系统电机均为0.4 kV 电压等级运行设备，现场无故障录波监测设备。调取分布式控制系统（Distributed Control System，DCS）电流测量记录结果，未发现异常。

为保证调相机润滑油系统的安全可靠运行，防止交流润滑油泵出口母管压力低联启停用泵逻辑拒动，在设计时采用了两种交流润滑油母管压力低联锁启动停用泵逻辑［19］。一种联启逻辑是当运行泵或备用泵故障、压力异常时通过DCS 系统联锁逻辑联启动备用泵。另一种联启逻辑是通过就地压力开关联锁启动备用油泵。DCS 系统逻辑和就地压力开关的压力低定值均为0.53 MPa。

现场检修人员认为润滑油泵油压定值设置不合理，根据上海电机厂提供的解决方案将润滑油原设定压力定值0.53 MPa降低为0.5 MPa。

参照方案更改定值后，该调相机交流润滑油泵主、备泵在周期性切换时跳电源开关的情况仍然发生，问题未得到解决。

2 异常原因分析及改进措施

调相机区域中交流润滑油泵属于重要辅机设备，其电源开关为塑壳断路器，电源开关跳闸方式共有三种，分别为远方/就地操作分闸、保护动作跳闸和开关机构异常自动脱扣。经初步分析可以排除电源开关机构异常和远方/就地分闸操作两种跳闸方式。为明确在进行周期切泵操作时，运行泵停泵后电源开关由保护动作跳闸的具体原因，需要对电泵的电流变化规律进行详细分析。

2.1 交流润滑油泵及电机参数

根据现场设备设计参数可以得到交流润滑油泵和电机的关键运行参数如表1和表2所示。

表1 交流润滑油泵参数

表2 电机参数

根据表1 和表2 可以判断该电机在带润滑油泵运行时没有达到额定工作状态。该电机为交流异步电机，转速差为45 r/min。根据泵的额定功率可以判断电机运行时的电流为

式中：Iop为润滑油泵正常运行时电机的理论工作电流。

2.2 联启停用泵逻辑

交流润滑油系统油压的稳定是保证调相机安全运行的关键因素，当油压突然降低时有两种方式联启停用泵，保证母管油压稳定。

第一种是DCS 联锁启动逻辑，逻辑原理如图1所示。

图1 DCS联锁启动逻辑

另一种是电气联锁逻辑，逻辑原理如图2所示。

图2 电气联锁启动逻辑

根据备用油泵启动正常，主用油泵退出时可能会发生主油泵进线电源开关跳闸的现象，初步判断主油泵停止运行后发生重启现象，重启电流过大，从而导致进线电源开关跳闸。

2.3 现场测试结果分析

为明确现场设备运行时交流润滑油泵电源开关跳闸的原因和联锁重启逻辑具体情况，在现场安装录波设备对周期切泵过程进行录波。录波设备接入该调相机交流油泵切换时的润滑油母管压力变化情况及电机电流变化情况。利用24 V 直流电源串接235 Ω 电阻后，再与润滑油母管压力变送器串联，该电阻两端电压即可反映母管油压，将电阻两端电压接入便携式故障录波器。变送器压力量程为1 MPa，对应上述电阻两端电压最大值为5 V。某次切泵后电源开关跳闸时的录波如图3所示。

录波采样数据可以看作是一段时间内反映真实电气量的一系列数据点，采样频率越高、采样额定电流量程越大越能真实还原采集的电气量。由图3 可以得到B 泵重新启动过程中电流严重饱和，说明此时启动电流远大于便携式录波器电流采集钳子量程，与B泵重启过程中电流特征相符。

图3 周期切泵时电源开关跳闸录波

电流波形出现饱和情况，所以需要充分利用现有数据对切泵过程进行分析。

由图3（a）电流录波波形可以分析得到现场运行油泵为B 泵，由DCS 系统发周期性切泵指令，A 泵收到投入指令后投入运行，A 泵电机启动时三相电流为对称电流，由图3（b）可以看出启动电流达到271 A。421 ms 后A 泵电流变为正常负荷电流，电流值为31 A。考虑电机带油泵运行时的损耗，该值与式（1）的理论计算值一致。

A 泵投入运行6 375 ms 后，B 泵接收停泵指令停止运行。A泵投入运行6 696 ms，即B泵停止运行321 ms后，B泵收到投入指令重新投入运行。17 ms后，重新投入运行的B 泵因电源失电停泵。得到调相机交流润滑油泵主备切泵时电机投退时序如图4所示。

图4 周期切泵时序

由图3（b）可以得到正常运行变送器串接电阻电压为3.071 V，所以折算母管油压为3.071/5=0.61(MPa)。由图3（c）可以看出，B 泵启动前反映油压的变送器电压数值出现明显下降尖峰，表示该调相机交流润滑油泵切换过程中润滑油母管压力有明显下降，由正常运行时的0.6 MPa 左右跌落至最低0.35 MPa 左右，小于交流润滑油母管油压低定值0.5 MPa，停用交流润滑油泵（B 泵）满足就地压力开关联锁启动备用油泵条件，B 泵重启，重启时电源开关跳闸。

2.4 电机重启时电流剧增原因

根据时序图4 可以判断出B 泵（原运行泵）电源开关跳闸的原因为停泵后重启电流过大导致。

油泵电机为异步电动机，其等效电路如图5所示。

图5 油泵电机T型等效电路

由图5可知，交流润滑油泵电机等效电流方程为

式中：U1、I1分别为定子绕组的电压和电流；Im、E1分别为励磁支路的电流和电势；R1、X1分别为定子绕组的电阻和漏抗；R′2、X′2分别为转子绕组电阻和漏抗归算到定子侧的等效值；Rm、Xm分别为反映铁耗的等效励磁电阻和反映主磁通的励磁电抗。

计算定子绕组电流时，需要求解包含以上六个参数的复数方程，即

为简化计算，令

考虑到定子绕组的电阻远小于漏抗，同时定子绕组的阻抗远小于励磁支路阻抗，对等效电路进行简化得到

K′为实数，从而得到简化定子电流计算公式为

当电机启动时转差s=1，考虑到励磁电抗远大于定子绕组电抗，K′=1。

从而润滑油泵启动时其电机启动电流Ist为

当润滑油泵电机处于正常运行时其转差变为

从而得到润滑油泵电机处于正常运行时定子绕组电流为

由式（7）和式（9）对比可知，电机在启动时电流较大，一般可达到额定电流的4～7倍。

电泵在启动过程中，当合闸瞬间，转子转速为0，转差为1，定子绕组的旋转磁场以同步速切割转子绕组，在转子绕组中感应出可能达到最高的电势，从而在转子中产生较大的转子电流，该电流的产生磁场抵消了定子绕组中的磁场。而子绕组为维持与该时电源电压相适应的原有磁通，自动增加电流，此电流高达额定电流的4～7倍。

因此由图3可知，A泵启动时启动电流剧增。

但是运行泵停止运行再重启时情况与上述有所不同。

B 泵重启时转子磁场还有较大剩磁，该剩磁与重启时定子磁场切割转子绕组时在转子绕组中产生的磁场叠加，如果二者方向相同会使得短时磁通剧增，导致励磁支路电抗值因励磁支路严重饱和急剧减小，导致定子绕组电流高达额定电流的十几倍。

2.5 现场电源开关跳闸根本原因

根据表2 参数可得到交流润滑油泵电机额定电流为

式中：η为电动机的额定功率因数，其值为0.905；λ为油泵电机的工作效率，其值为0.925。

当单机重启时启动电流可达到十几倍额定电流，因此短时流过电泵电源开关的电流可以达到将近1 000 A。由现场电源开关参数可以得到该开关的额定允许电流为100 A，电流速断整定定值为800 A。所以电机重启时在特定剩磁影响下电流会超过开关的速断电流定值跳闸。

电源进线塑壳断路器跳闸的根本原因为润滑油泵停泵后出现重启，而油泵重启是由润滑油母管油压瞬时降低导致的。经现场检查发现B 泵逆止阀效能下降导致油泵切换时母管油压快速下降。

3 解决措施

更换效能下降的逆止阀。分析调相机交流润滑油泵的两种联启停用泵逻辑发现，DCS系统中存在“油泵切换成功后15 s内禁止重启已停运油泵”的油泵切换逻辑。按照此逻辑的设计初衷，当油泵逆止阀出现效能下降的情况时不应该重启停用泵，因此就不会出现因电机重启导致电源开关跳闸的情况。但是此逻辑不能闭锁电气联启逻辑，导致上述特殊情况发生。

因此，针对DCS 联启闭锁逻辑和电气联启逻辑之间的矛盾，建议在调相机润滑油系统增加储能稳压系统，防止润滑油压力的波动造成油泵的频繁切换导致电源空气开关“误”跳闸。

现场增加蓄能器［20］以稳定油泵周期切换时母管油压，保证交流润滑油系统安全稳定运行。

4 试验验证

现场更换逆止阀并加装蓄能器后开展测试，验证解决措施是否有效。在现场安装录波设备对周期切泵过程进行录波，录波设备接入该调相机交流油泵切换时的润滑油母管压力变化情况及电机电流变化情况。

试验1：断开蓄能器，进行切泵试验，单独验证更换的逆止阀的有效性。试验1切泵时录波如图6所示。

图6 试验1录波

由图6可以看出B泵停泵时，变送器串接电阻电压略有下降，即母管油压略有下降，降低至0.59 MPa，更换的逆止阀性能满足现场要求。B泵没有重启现象。

试验2：投入蓄能器，进行切泵试验，验证蓄能器的稳压功能。试验2切泵时录波如图7所示。

图7 试验2录波

由图7 可以得知切泵试验时油压（变送器串接电阻电压反映）稳定，几乎没有波动。蓄能器性能良好，可以保证润滑油系统油压稳定。

5 结语

针对一起交流润滑油主泵、备泵周期性切换时主泵电源失电事件进行分析，通过现场试验发现润滑油泵启、停逻辑存在的矛盾，发现因主泵逆止阀效能下降导致主泵进线塑壳断路器因电机重启电流过大而跳闸的根本原因。提出更换逆止阀并增加蓄能器的解决措施。并通过现场试验分别验证了更换逆止阀和增加蓄能器的措施的有效性。解决了交流润滑油系统存在的安全隐患，提高了调相机运行的可靠性。