一起电动机过电压保护器短路故障事故分析与对策

杨新凯

（河南能源集团安化公司）

0 引言

某工厂供电设计为二级负荷，分别来自两个不同电源点。

变电所2#进线电源来自某220kV变电站10kV高压室，沿平原路过光明路、安林高速公路，向东至曙光路至厂10kV变电所。电缆型号：ZR-YJV22-10-3×400mm2。线路全长：2×2.12km。设计负荷为20MW，单线路满足全厂供电需求。

变电所1#进线电源来自某35kV变电站10kV高压室，沿农田路向北过安澜大道，向东电缆过平野路至曙光路路西转向北沿曙光路至厂10kV变电所。电缆型号：ZR-YJV22-10-3×400mm2，线路全长：2×3.427km。此条线路最大允许负荷仅5MW，仅满足紧急停车供电需求。

因两条线路分别来自两个不同电源点，平常运行模式为2#电源进线运行，10kV开闭所母联柜运行，1#进线仅作为应急保安电源使用。

1 事故经过

2021年10月29日，厂区各生产系统安全稳定运行，凌晨00:39时10kV控制室事故警铃响，控制室及高压室事故照明亮，后台显示2#进线柜电压、电流指示为零，2#进线开关速断过流动作，且配电室内有浓烟冒出，值班人员迅速打开事故排烟风机并将全站失压事故信息及时上报主要领导。随后值班人员在对高压柜检查中发现1#空压机后柜门变形严重，防爆观察孔已开裂，安装于柜底的三相组合式过电压保护器已四分五裂。

2 原因分析

2.1 保护装置记录情况

（1）SSP1#空压机数字式保护装置

10月29日00时39分56秒879毫秒报电流速断动作跳闸，动作电流：Ia=2.513A，Ib=2.502A，Ic=0.2A，动作时间11ms。

（2）开闭所1#主进线数字式保护装置

10月29日00时39分56秒885毫秒报过流一段动作跳闸，动作电流：Ia=10.37A，Ib=10.26A，Ic=0.4A，动作时间12ms。

（3）开闭所II段PT二次消谐装置

10月29日00时39分56秒报三次谐波谐振过电压，谐振频率：150Hz，开口三角电压36.2V。

2.2 直接原因

经查看现场及对保护装置记录进行分析，确定为SSP1#空压机过电压保护器B相接地，在故障点发生电弧，电弧引起系统振荡，使非故障二相电压升高很多，击穿绝缘，继而发展成A、B相相间短路，造成主进线越级跳闸从而造成全厂系统停车的重大事故。

2.3 间接原因

1）10kV开闭所主进线与单台设备保护定值设定不合理，电流速断延时均为0秒，未按照规定要求设定级差，从而导致设备接地或者短路故障发生时造成主进线越级跳闸，导致事故扩大。

2）电动机过电压保护器产品有瑕疵，采用的为BST6-A-12.7/600A三相组合式过电压保护器，在抽检试验中发现部分过电压保护器底座腐蚀，内部件晃动等情况。

3）厂站主进电源设计不合理，两条电源线来自不同电源点，且其中一条提供负荷较低，无法实现双回路分段运行，增加了全站失压风险。

4）母联备自投保护装置功能未启用，导致事故发生时不能利用自动装置恢复供电，延误恢复供电时长，导致损失加剧。

3 技术整改措施

3.1 供电电源采用双回路电源供电，负荷较小一路电源改为保安电源

一般来说，对于重要的电气设备，为了保证其供电的可靠性，通常采用两路电源为其供电，这两路电源的电压等级、性质等均一样，且这两路电源应该均来自同一级供电系统，正常情况下两路电源同时供电，用户侧采用单母线分段分列运行方式。

其优点在于：

1）防止一路供电过程中出现线路故障，短时不能修复，适合连续性生产企业等不能长时间停电的供电。

2）有利于线路安全稳定地供电，负荷小的时候可以停止一路供电，对该路线路进行维护，减少线路故障的几率。因此建议利用原线路杆塔增加一回电源线路，采用单塔双回方式为某工厂供电。

但是单塔双回线路有一个缺点，当杆塔出现故障时，可能造成两条电源全部中断，此时就需要有供给客户保安负荷的电源即保安电源，保安电源必须是与其他电源无联系而能独立存在的电源，或与其他电源有较弱的联系，正常电源故障断电时，不会导致另一个电源同时损坏的电源，保安电源与其他电源之间必须设置可靠的机械式或电气式连锁装置。而某工厂的第二电源刚好满足此项要求，因此将其改为保安电源更为妥当。

供电正常的情况下，电气设备使用正常电源，当正常电源因故断电时，应急电源，即保安电源会在极短的时间里自动切换投入，从而保证电气设备供电的连续性。

3.2 线路主保护采用线路光纤差动保护，后备保护设定限时过流保护

纵联差动保护，即输电线的纵联差动保护，是用某种通信通道将输电线两端的保护装置纵向联结起来，将各端的电气量（电流、功率的方向等）传送到对端，将两端的电气量比较，以判断故障在本线路范围内还是在线路范围外，从而决定是否切断被保护线路，如图1所示。主要具有以下优点：

图1 线路光纤差动保护原理图

1）以基尔霍夫电流定律为判断故障的依据，原理简单可靠，动作速度快。

2）具有天然的选相能力。

3）不受系统振荡、非全相运行的影响，可以反映各种类型的故障，是理想的线路主保护。将线路主进改造为纵联差动保护后，其后备保护可采用限时电流速断保护，通过增加短延时与下级单台设备设定时间级差，从而躲过单台设备或变压器过流及短路故障反应时间，不仅保障了主进线保护的灵敏性，更解决了单台设备故障导致越级跳闸问题。

3.3 过电压保护器选用新型六柱全相双安全保护装置

近年来，新材料新工艺的应用，使大量的高压电气设备向紧凑型、小型化发展。配合真空浇注工艺，近20年来环氧树脂已作为主绝缘材料大量应用于变压器、互感器、绝缘子等领域，其电压等级范围也由10kV发展到35kV，正好适合组合式过电压保护器在中压领域的应用。氧化锌元件的国家标准也进行了提高，氧化锌阀片的制造工艺也进一步提升；氧化锌阀片的性能近年来提高很快，配合六柱式结构，可以实现无间隙并保证安全运行。基于以上基础，一种新型的六柱全相双安全保护装置应运而生，这种装置采用六柱式结构，可以在单相接地情况下，安全运行，如图2所示。

图2 新型过电压保护器电气原理图

其内部采用了3只三角形接法和3只星形接法的压敏元件，共6只构成互不干扰的三相相间保护和对地保护，配合环氧树脂真空浇注工艺，使六柱保护器在内部结构上紧凑化，实现全绝缘处理，保证了产品的安全运行。保护性能比常规四星型过电压保护器更可靠，更安全。相对于常规四星型过电压保护器，相单元持续运行下荷电率偏高，易加速老化降低使用寿命；地单元在出现单相接地时通流容量不足容易热崩溃。SAT特种六柱全相保护装置，使用了三角形接法进行相间保护，使用了星形接法进行对地保护，6个单元各司其职，互不干扰，不再导致常规四星型过电压保护器的上述问题，提高了相间保护，对地保护的可靠性。

同时具有电机匝间保护能力。

3.4 启用母联备自投保护功能，缩短应急恢复时间

备用电源自投装置（备自投） 是电力系统中为了提高供电可靠性而装设的自动装置，对提高多电源供电负荷的供电可靠性，保证连续供电有重要作用。某工厂采用的为北京四方厂家生产的CSC-246 数字式备投装置。建议启用备自投保护功能，具体方案如下：正常运行时，Ⅰ、Ⅱ母均有压，DL1、DL2在合位，DL3 在分位，如图3所示 。

图3 备自投一次主接线图

Ⅰ母失压，延时 T1 跳开 DL1；检测Ⅱ母有压延时T3 合 3DL 保证正常供电。 Ⅱ母失压，延时 T2 跳开DL2；检测Ⅰ母有压延时 T3 合 3DL 保证正常供电。

3.4.1具体调试方案

（1）试验前准备确认工作

1）母联柜与1#（2#）进线柜联锁外接线检查，校对：主要包括母联备自投跳1#（2#）进线，合1#（2#）进线、1#（2#）进线柜至母联柜状态信号、1#（2#）进线柜至母联柜电流信号、I段、II段PT柜至母联柜电压信号，确保外接线准确无误。

2）母联柜备自投装置整定：①将分段备自投方案一控制自投入，备自投软压板投入，备自投T1与T3延时按照要求进行整定。②电流电压定值按照要求进行整定。③将备自投合闸、备自投跳2#进线、备投总闭锁硬压板投入，将备自投分闸、备自投跳1#进线、备自投合1#进线、备自投合2#进线硬压板退出。

3）检查确认母联柜与2#进线柜断路器小车确在试验位置。

（2）备自投动作调试

1）断开母联柜与2#进线柜装置电源与控制电源，利用短接线短接母联柜内：工作位置接点3#与19#线、隔离联锁接点7#与11#线；短接2#进线柜内工作位置接点3#与19#线。

2）测量母联备自投装置I母电压正常，1#进线电流正常，将试验仪器电压、电流输出接入母联备自投装置对应的II母电压与2#进线电流端子。

3）合上母联柜与2#进线柜内装置电源与控制电源，在试验位置将2#进线柜断路器合闸，同时试验仪器施加三相正常电压，0.5A电流；延时20s使备自投装置满足充电条件。

4）20s后停止试验仪器的电流与电压输出，此时应经T1延时跳开2#进线开关，再经T3延时后备自投合母联，则母联备自投合闸成功。

（3）备自投闭锁试验

1）按照备自投动作调试中将2#进线柜试验位置合闸，同时试验仪器施加三相正常电压，0.5A电流；延时20s使备自投装置满足充电条件。

2）20s后在2#进线柜上操作“分闸”把手将2#进线柜手动分闸，同时停止试验仪器的电流与电压输出。

3）此时备自投应闭锁合闸，经T1与T3延时后母联柜仍处于分闸状态，则母联备自投闭锁成功。

需要特别注意的是：①如图3中装置 1 跳进线时，应考虑对侧保护装置重合闸时间；②备投装置可外扩节点联切电容器组，或时间整定上配合电容器组的失压保护时间定值，靠电容器保护切除电容器组。

3.5 增加低压防晃电设施

电网出现晃电时，会引起变频设备跳停，工艺不同程度的中断，造成物料排废，对产品质量、产量造成一定损失。为了保证工艺生产的连续性，减少非计划停车，同时为了节约抢修时间，更重要的是为了避免次生的设备损坏、火灾和人身伤亡事故的发生，采用防晃电技术在供电系统中进行应用日趋重要。确保某工厂关键变频设备以及SSP，公用工程车间软启动设备在电网发生“晃电”时，不因低电压动作跳闸，保证生产装置的连续、高效、稳定的生产。可以采取以下措施：

1）采用低电压穿越系统，当电网电压正常时，变频器由交流母线供电，发生 “晃电”时，变频器直流母线转由低电压穿越系统给变频器提供直流电，以此来保证变频器的正常运行。

2）SSP和公用工程软启动设备增加许继信息PUMG650系列带有抗晃电模块的低压电动机保护器，控制回路电源由抗晃电模块提供，软启动器内保护值适当放大，由综保对电机进行保护，在发生晃电时，从而起到防晃电作用。

3）3台空压机采用给现场电控柜提供稳定的UPS电源，晃电时，保证电控柜内元件不发生误动，确保了空压机的稳定运行。

优点分析：当电网电压正常时，变频器由交流母线供电，低电压穿越系统处于热备用状态。当发生晃电时，变频器直流母线电压低于低电压穿越系统输出电压，转由低电压穿越系统给变频器提供直流电，以此来保证变频器的正常工作。当电网电压恢复时，装置自动退出工作状态，转为热备状态。

3.6 重要设备配备柴油发电机

鉴于某工厂为连续性生产企业，一旦停电且不能及时恢复时，将造成大量原料结焦，堵塞工艺管道，造成巨额经济损失，因此为重要设备配备柴油发电机就成为重中之重，且柴油发电机具有配套设备结构紧凑、安装地点灵活、燃油经济、热效高、工作可靠、耐久、故障低等优点。

4 结束语

供电安全的管理工作，不仅仅需要本文所述的技术革新与改造，还需要完善的安全管理制度，采取的主要管理措施主要有以下几方面：

1）建立健全各项规章制度，操作规程及岗位责任制，并严格考核执行。

2）加强日常使用电维护监管工作，将点检定修、隐患排查、计划检修与系统大修进行有机结合，确保设备非带病运行。

3）定期进行电气设备及保护装置预防性试验并建立档案，确保设备保护齐全，可靠。通过采取以上几项措施，将有效避免电气设备事故的发生，有力保障企业生产系统运行质量，为生产系统的安稳长满优运行奠定扎实基础。