F-C组合回路电动机熔断器故障原因分析及处理措施

朱焕杰

湛江港(集团)股份有限公司

1 引言

高压供电系统中,F-C(Fuse-Contactor,高压限流熔断器-真空接触器)组合回路应用广泛。真空接触器能承受频繁的分、合闸操作循环,具有优越的技术经济性能,特别适合用于电动机、变压器等电气设备的控制和保护。熔断器作为短路保护,当设备故障时,靠熔断器熔断来切断回路大电流。但是,当熔断器选型不合适或使用不当时,会失去应有的保护功能。

2 事故经过及原因分析

2.1 事故经过

某港口码头装、卸船流程皮带线高压电机电源开关采用F-C方式,供电单线示意图见图1。某日通过中控启动流程,2#皮带机未能正常启动,对设备进行检查发现高压皮带机出线柜接触器室观察窗玻璃已碎裂,保护装置无故障动作指示,上级断路器F01开关跳闸,断路器柜保护装置显示一段过流动作,动作电流约2 800 A。

图1 供电单线示意图

对皮带机高压电机、高压出线电缆进行检测,未发现异常。检查皮带机出线柜高压接触器小车时,发现C相高压限流熔断器炸开,撞针未弹出,且三相熔断器管体表面均有高温烤灼现象,接触器小车上触头均有烧熔痕迹。通过对上级断路器F01开关保护装置录播文件进行分析,故障过程为C相电流先增大,然后BC相发生相间短路。

2.2 事故原因分析

2.2.1 复核熔断器选型

该皮带机高压出线柜接触器小车熔断器型号为:SFMAJ-12 kV 100 A;现场电机型号为:YKK 500-4 WF2,10 kV,560 kW,39.9 A,启动时间平均为4 s;接触器型号:ABB VSC/P12 400 A,短路开断能力4 000 A。

熔断器的额定电流应避开电动机启动电流,因无熔断器电流选择曲线,直接启动的电动机其熔断器额定电流按下式计算,再根据熔断器安装和使用环境进行降容后的修正[1]:

Iy=NI满K

(1)

式中,N为电动机启动电流与电动机满载电流之比,此处取6;I满为电动机满载电流;K与电动机启动频率有关的系数,按表1中数据选取,此处取1.7。

熔断器管内充满石英砂,电动机启动时,熔件上产生的热量散发很慢,若短时间内多次启动,热量会积聚,使得熔件可能在下一次启动中软化或熔断。除最初两次连续启动,高压电动机每小时启动次数要求有均匀的间隔[2]。根据《电气装置安装工程旋转电机施工及验收规范》规定:交流电动机带负荷启动次数应符合产品技术条件要求;当无要求时,则应符合下列规定:冷态可启动2次,每次间隔时间不得小于5 min,热态可启动1次。当处理事故或启动时间不超过2～3 s时,可再启动1次。

设备采用铠装式封闭柜,考虑散热因素,熔断器额定电流应降容修正[3]。计算得Iy=407 A,将此值与启动时间4 s代入熔断器时间-电流特性曲线(见图2),最靠近交点右侧的曲线额定电流值为100 A。考虑环境温度(降容2%)和安装因素(降容10%),修正后的熔断器额定电流值为113 A,现用熔断器额定电流值偏小,应改为125 A。依据图2,额定电流125 A的熔断器4 s时的过载电流为441 A,大于电动机启动电流239 A,满足使用要求。

图2 熔断器时间-电流特性曲线

2.2.2 复核保护装置定值

该皮带机出线柜电流互感器变比为75∶5,电机额定电流Ie为39.9 A,电机启动中的速断电流值为10Ie,启动后的速断电流值为7Ie,速断延时0.1 s;过流电流值为2Ie,延时25 s;FC闭锁电流定为15Ie。

根据熔断器时间-电流特性曲线,125 A熔断器在电流达到1 040 A时,熔断时间为0.1 s,接触器极限开断电流(4 000 A)下熔断是毫秒级,可以认为是瞬时速断,可保证高压接触器不会开断于其极限电流之上。熔断器资料说明125 A熔断器最小开断能力为875 A,故电动机闭锁电流保护定值偏小,同时考虑CT饱和影响,取值改为20Ie。电机启动时间平均为4 s,过流保护延时25 s,延时过长。

2.2.3 查询皮带机运行状况

该皮带机用于运送铁矿石,且运行为爬坡段。经查询变电所电力监控系统后台记录发现,流程平时运行过程中存在急停情况,皮带上会积聚大量铁矿石,此时皮带机重载启动,过流保护会动作,接触器合闸后又跳闸;中控人员会在短时间内(最短时间隔1 min)再次合闸接触器,造成高压接触器连续多次分合闸。

同时,监控记录显示该高压出线柜曾经报熔断器熔断,原因为电缆或电机短路故障造成A相、B相高压限流熔断器熔断,解决方案只是更换故障熔断器,并未三相一起更换。

根据以上分析,认定故障原因为:该皮带机出线柜以往运行过程中发生过出线电缆、电机短路故障,当时只是将故障的A、B相熔断器更换,C相熔断器未更换;且由于生产操作原因,皮带流程急停后,重载启动时过流保护动作跳闸,多次连续短时间内热态启动,造成熔断器内部存在隐伤。本次皮带机启动时,熔断器未能熔断,造成管体炸开,后引起B、C相相间短路。

3 解决方案

(1)规范生产操作流程。要求生产操作人员在流程(重载)发生急停5 min后方可再次启动皮带机;如果皮带机过流保护动作,无法启动,应对皮带上货物进行减载后方可再次启动,两次启动时间间隔不少于10 min。

(2)更换熔断器及调整保护定值。高压电流熔断器额定值偏小,改为额定电流值为125 A的熔断器;皮带机过流保护定值延时时间过长,改为10 s,电动机闭锁电流定值调整为20Ie。

(3)熔断器损伤后不能自行恢复,按照IEC60282-1的规定,即使3相系统中只有1相或2相的熔断器动作,则3只熔断器都必须更换,除非经证明该熔断器没有承受过任何过电流。

4 结语

F-C回路中熔断器作为负载保护的重要手段,其合理选择和使用对设备安全运行、减少系统故障具有重要作用。通过分析电机启动条件,方能合理对熔断器进行选型,确保生产安全。