一起因低压保护定值不合理导致越级跳闸故障的分析

刘积慧，田尚财，刘东芸

（1.酒钢宏兴股份公司动力厂；2.甘肃钢铁职业技术学院，甘肃嘉峪关 735100）

1 故障经过

2023年4月14日8：48，岗位监盘人员发现泵站低压一段运行设备均出现跳机，其间备用设备联锁启机，同时泵站消防子机034、035 光电感烟探测器MCC 室报警。经现场检查发现钢系统低压配电室一段3415#配电柜内转炉上塔泵空开烧损严重，钢系统380 V 一受电母线失电，10 kV 动力变过流一段保护动作跳闸。

2 原因分析

2.1 开关烧损原因分析

转炉上塔泵塑料外壳式断路器为2003 年项目建设时期安装投用，已长期在线运行20余年。电机额定功率为75 kW，开关选配为额定电流200 A，运行电流95 A 左右，无超负荷运行现象。故障发生后现场空开只剩上半部分，下半部分烧损缺失严重，特别是开关B 相出线端子严重烧损缺失，同时开关三相进线电缆也因短路故障烧断悬空。从现场烧损情况分析，应是开关B相出线端存在接触不良，接线端子氧化发热，逐步传导至B 相动、静触头。另外，长期发热导致开关内部绝缘层碳化劣变，绝缘能力降低，进而发生与背板的接地短路故障，引发相间短路［1］，配电柜开关烧损状况见图1。

图1 配电柜开关烧损状况

2.2 开关配置选型分析

泵站转炉上塔泵电机额定功率为75 kW，额定电流为139 A，配备塑壳式断路器的额定电流为200 A，隔离刀闸额定电流为400 A，水泵单回路各电气元器件配置合理。

框架式受电断路器原设计额定电流为3 200 A，因曾在运行期间出现当负荷达到1 500 A 左右严重发热，机构卡涩操作不便的现象，于2021 年整体进行改造更换，现断路器额定电流为4 000 A。负载为水泵类负载，90 kW 及以上均设置有软起动装置，计算总运行电流在2 200 A左右，框架式受电断路器选型配置合理。

根据低压负荷情况，上级配置有电压等级为10 kV，型号为S9-1 600∕10 动力变压器2 台，低压二次侧额定电流为2 308 A，互为备用，正常为单母线分段运行，满足低压计算负荷容量需求。钢系统低压一次系统图见图2。

图2 钢系统低压一次系统图

2.3 点检情况分析

根据厂内电气设备点检标准规定，应对配电柜内断路器每6 h 检测一次温度。通过视频查看，岗位人员在3：51对低压室进行了点检，但未按照标准要求对转炉上塔泵3415#配电柜进行开柜门点检，点检存在遗漏。开关在8：44发生第一次短路故障，8：48母线失压。

2.4 变压器低压侧出口短路电流确认［2］

（1）计算方法

变压器低压侧出口短路电流可以按照《建筑电气常用数据》（19DX101-1）中的近似计算公式计算：

式中：Ik—对称稳态三相短路电流有效值，kA；

ST—变压器的额定容量，MVA；

Uk%—变压器阻抗电压百分数，取6。

（2）查询方法

按照《建筑电气常用数据》（19DX101-1）中变压器低压出口处短路电流速查表查询可知1 600 kVA变压器出口短路电流为38.4 kA。

2.5 保护整定及动作分析

此次故障主要涉及3 个开关的保护定值，第一道保护是水泵负载的过载、短路保护［3］，其瞬时脱扣电流为2 400 A（不可调）。从现场进、出引线烧损情况来看，开关在短路故障时触头粘连，没有分断故障设备，导致短路故障发生多次，从视频中可以看出在5 min 内发生5 次放电现象。第二道保护为低压受电断路器（NAI-4000X）的瞬时、短延时、长延时保护，保护模块为断路器自带的控制模块（M 型）。故障发生后，查看断路器状态并未跳闸，仍在合闸位，说明该断路器在多次短路故障下均未可靠分断故障。经调查，该断路器在进行改造后未进行保护定值整定，使用出厂原始值，即长延时（Izd1）整定电流为1.0In（断路器额定电流，即4 000 A），动作时间15 s。短延时（Izd2）整定电流为8Izd1，即32 000 A，动作时间0.4 s。瞬时（Izd3）脱扣整定电流为12In，即48 000 A。第三道保护为变压器高压继电保护，保护装置具有过流一段、过流二段保护及过负荷报警，故障发生时过流一段保护动作、重瓦斯保护动作。

通过调取上级开关站故障录波数据、保护动作数据及对故障变压器抽芯检查，发现变压器内部高压绕组严重变形、短路，过流一段保护动作跳闸，动作电流3 252.9 A，整定值2 076 A，0 s；同时重瓦斯保护动作。故障时刻，Ua（A 相相电压）由故障前的5.80 kV 下降至2.07 kV，Ub（B 相相电压）由故障前的5.66 kV 下降至1.79 kV，Uc（C 相相电压）由故障前的5.75 kV 下降至1.94 kV。故障持续62 ms，10 kV 故障录波图见图3。

图3 10 kV故障录波图

2.6 保护管理分析

此次故障造成事故扩大的主要原因是低压受电断路器未能起到保护作用，线路保护失守，多次短路冲击变压器，造成变压器内部短路，引起10 kV侧电网波动，影响其他用户。但深究原因还是项目转生产前的验收把关不严，低压受电断路器定值整定不合理，导致故障时未动作。用户对低压保护日常管理不到位，错误认为能分、合闸就行，无视验收标准与规范，不能预判潜在的安全风险，无法保证保护装置的好坏，无法确定定值是否准确、合理。［4］

3 防范措施

3.1 保护定值重新核算和整定

对故障断路器的过载长延时保护、短延时保护、瞬时保护定值进行重新核算和整定［5］。400 V进线断路器的三段保护电流整定简图见图4。

图4 400 V进线断路器的三段保护电流整定简图

过载长延时（Izd1）整定：一般可以按照上级变压器额定电流（Ied=2 308 A）的1.1 倍进行整定，也可按照线路计算电流（Ic=2 200 A）的1.1倍进行整定。本例取2 308×1.1=2 538.8 A，考虑到上下级配，整定为2 600 A，延时8 s报警。

短延时（Izd2）整定：可整定为2～5 倍的过载长延时整定电流值，也可按照上下级配差1.2 倍进行核算整定。本例取2 600×3=7 800 A，整定为7 800 A，延时0.1 s，定时限保护跳闸投入。

瞬时（Izd3）整定：当短路故障发生在母线与低压出线开关附近时，短路电流基本一样，通过电流实现瞬时级差保护存在很大的不确定性，不能保证低压出线开关和受电断路器瞬时保护之间的选择性，因此瞬时保护作为报警投入运行。定值整定一般可以按照过载长延时整定电流的10倍来整定，如果保护的灵敏度不够，应适当调低其整定倍数。本例取2 600×10=26 000 A，整定为26 000 A，0 s报警。保护定值表见表1。

表1 保护定值表

3.2 完善低压保护定值管理

完善低压保护定值管理流程，完善项目转生产前的验收流程，完善低压保护定值单的核算及整定流程，保证低压系统保护装置功能的有效性及定值的“四性”（即选择性、速动性、可靠性、灵敏性）。

4 结语

设备故障的发生有偶然性，也有必然性。此次故障暴露出低压电气保护管理存在盲区，工作人员对保护的分级管理、分级保护、审批准入的管理流程不清晰，对低压设备的保护管理及定值的计算、整定、试验工作的重视程度不够，才导致了此次低压故障、保护越级跳闸并损失一次设备的事故。电气系统中隐患不易被排查出来，因此一定要重视过程管控，加强施工、验收、检修过程的管理，避免埋下隐患。