卡洛特水電站低壓空壓機動力電源跳閘分析

劉高永

（中國水利水電第七工程局有限公司機電安裝分局，四川 眉山 620860）

0 引言

低壓空壓機作為水電站的重要組成部分，為水輪發(fā)電機組停機時頂起和落下機械制動風閘提供壓力氣源；同時也是檢修作業(yè)時的吹掃氣源。因此，低壓空壓機難免會出現(xiàn)啟動較為頻繁的情況。而水電站內裝設的空壓機系統(tǒng)，均以400 V電壓等級作為動力電源，當空壓機使用的較大功率的電動機全壓直接啟動時，會產(chǎn)生較大的啟動電流，造成相對較大的有功功率損耗[1]。同時，水電站低壓空壓機因為存在頻繁啟動的情況，啟動時出現(xiàn)大電流會使空壓機電動機內部產(chǎn)生比正常運行時相對較大的溫升，從而對其絕緣和性能造成影響。

電動機星-三角啟動作為目前應用廣泛的大功率電動機啟動方式，不僅結構簡單，可行性高，而且實施材料價格便宜，可靠性高。為避免大功率電機全壓直接啟動時造成的一系列影響，多采用星-三角啟動方式。卡洛特水電站低壓空壓機也采用了星-三角啟動方式。

1 卡洛特水電站低壓空壓機電氣原理

卡洛特水電站低壓空壓機系統(tǒng)共裝設3臺漢姆沃斯（北京）壓縮機有限公司的集成式空氣壓縮機。電動機參數(shù)如表1所示，采用星-三角啟動方式啟動，運行時以其中1臺為主用，另外2臺為備用，由公用400 V電源供電，具體為公用400 V出線柜1GP-11下級供電箱201D直接電纜連接至低壓空壓機集成柜體內端子。201D供電箱內供低壓空壓機使用的出線開關參數(shù)為3P/63A-D。低壓空壓機星三角啟動主回路如圖1所示。

圖1 低壓空壓機星-三角啟動主回路

表1 低壓空壓機電機參數(shù)

表2 空壓機啟動時瞬時最大電流

圖1中，X0端子排位于低壓空壓機本體集成柜內，通過400 V電纜連接至供電箱201D。低壓空壓機本體集成柜內控制電源取400 V動力電源V、W相，經(jīng)容量59 VA的三繞組變壓器2T7降壓，副邊輸出一路230 V和一路24 V電源，為空壓機本體控制回路和柜內設備和元器件供電。

空壓機啟動及停止由安裝在儲氣罐供氣主管上的集成式電子壓力變送控制器提供開關量，上送至低壓空壓機系統(tǒng)聯(lián)控箱內PLC進行控制。與當儲氣罐壓力下降到0.65 MPa時，低壓空壓機系統(tǒng)聯(lián)控箱內PLC1收到壓力開關傳來的“啟主用空壓機壓力”DI信號后，使控制箱內中間繼電器K03（或K05、或K07）得電，從而其常開觸點閉合，進而使空壓機本體集成控制箱內PLC2收到空壓機啟動信號，PLC2發(fā)出DO信號控制接觸器3K7、3K6接通，主電機定子繞組星形接法啟動主電機，啟動完成后，接觸器3K6斷開，3K5閉合，主電機定子繞組轉為三角形接法，電機進入工作狀態(tài)，PLC2控制加載電磁閥得電，開始打壓。

若1臺空壓機啟動后儲氣罐壓力持續(xù)降低，當壓力降低至0.63 MPa時，壓力開關“啟備用空壓機壓力”觸點閉合，進而低壓空壓機系統(tǒng)控制箱內K03、K05、K07全部得電，3臺空壓機全部啟動。

當儲氣罐壓力上升至0.8 MPa時，壓力開關“停空壓機壓力”觸點閉合，系統(tǒng)控制箱PLC1收到信號后使K03、K05、K07失電，其常開觸點斷開，停止向本體控制箱發(fā)空壓機啟動信號，本體控制箱PLC2失去信號后，空壓機卸載壓力，主電機延時停機[2]。

主回路上的CT二次側接入本體控制箱觸摸屏，可直觀觀察電機啟動及工作時的三相電流。

2 故障發(fā)生

故障出現(xiàn)前，卡洛特水電站低壓空壓機系統(tǒng)已完成調試進入試運行階段，3臺空壓機本體的電氣回路、組成結構均一致。3臺空壓機手動啟動、停止，自動啟動、停止，以及主用、備用切換，3臺同時工作，調試時均工作正常。且調試時使用3臺空壓機進行了儲氣罐建壓，用以測試儲氣罐及供氣主管的密封性，期間空壓機工作時間相對較長，亦未發(fā)生異常情況，3臺空壓機的動力電源供電開關均未發(fā)生跳閘。調試完成后進入試運行階段，為發(fā)電機起停機調試及施工吹掃供氣。試運行期間，有專人負責設備巡視檢查。

交付試運行三個月之后，試運行工作人員在例行巡視時，發(fā)現(xiàn)低壓空壓機系統(tǒng)聯(lián)控箱上的故障燈點亮，觸摸屏報文顯示三號空壓機故障，進一步檢查發(fā)現(xiàn)三號空壓機屏幕未點亮，無電，遂通知調試人員前往查看。

3 現(xiàn)場測試

經(jīng)過調試人員檢查，發(fā)現(xiàn)400 V供電箱201D內為三號低壓空壓機供電的開關已跳閘。調試人員對三號空壓機電氣回路、主電機進行了再次檢查和詳細測試，三號空壓機主回路、控制回路均絕緣良好，未發(fā)生短路或接地現(xiàn)象，符合相關技術要求；主電動機三相定子繞組直流電阻與另外2臺無明顯差異，且三相直流電阻值之間的差異均在標準要求范圍之內，絕緣電阻亦大于國家標準要求的0.5 MΩ。于是再次對供電箱201D內的開關進行合閘操作，合閘后三號空壓機一切正常。在通過打開儲氣罐排污閥對儲氣罐壓力進行調整到安全范圍后，再次啟動三號空壓機。在空壓機剛啟動時，其工作聲響與正常無異，當加載電磁閥加載，工作聲音變沉悶的一瞬間，三號空壓機再次失電。

調試人員揭開空壓機蓋板，同時將觸摸屏切換至電流監(jiān)視頁面。再次合閘201D內三號空壓機供電開關，啟動三號空壓機，觀察本體控制箱內繼電器及接觸器工作狀況，發(fā)現(xiàn)電動機啟動之初，即定子繞組星形接法工作階段，工作正常；當電動機啟動完成切換至定子繞組三角形接線的瞬間，供電開關再次跳閘失電。過程中觀察到觸摸屏電流監(jiān)視頁面顯示瞬時電流最大可達104 A，隨著星三角切換，電流變小，然后跳閘。

同樣的方式依次單獨啟動一號和二號空壓機，均能正常啟動，未發(fā)生跳閘。空壓機系統(tǒng)聯(lián)控箱監(jiān)控報文亦未出現(xiàn)過進入試運行后一號空壓機或二號空壓機故障[3]。

4 故障原因分析

（1）啟動時電流過大。測試結果表明，三號空壓機啟動時出現(xiàn)了瞬時大電流，超過了供電箱201D內供電開關的額定電流。

前文所述的為空壓機本體直接供電的上級動力配電箱201D內的開關為3P/63A-D型，由此可知該開關單極額定電流為63 A。雖然空壓機啟動時瞬時電流的104 A已遠超開關額定電流，但空氣開關的跳閘具有反時限特性，而且該開關為D型，代表動力類負載專用，具有較強的抗瞬時沖擊電流能力。同時，現(xiàn)場跳閘并未發(fā)生在瞬時電流最大時，而是在星-三角切換過程中發(fā)生。因此，啟動時產(chǎn)生的瞬時大電流并不是造成該開關跳閘的直接原因。

（2）負載影響。本套低壓空壓機系統(tǒng)共3臺集成式空壓機，交付試運行之前3臺空壓機均進行了多次啟停試驗，并未發(fā)生開關跳閘的現(xiàn)象。但調試時進行的頻繁啟停均是在氣罐壓力較低的情況下進行，這種情況下空氣壓縮機加載時受到的沖擊并不大。進入試運行階段后，氣罐壓力長期處于0.65 ~0.8 MPa之間，對壓縮機而言，此時加載受到的負載沖擊變大，加載電磁閥打開的一瞬間使電機受到類似堵轉的沖擊，瞬間使電動機定子電流上升。星-三角啟動方式可使定子每相繞組承受的電壓在啟動時降低到電源電壓的，啟動電流則只有全壓啟動時的1/3。啟動電流減小，啟動轉矩也同時減小到全壓啟動的 1/3，因此星-三角啟動不適宜直接用于重載類負荷。但本案例中此類集成式空氣壓縮機的加載電磁閥是在星-三角啟動切換完成之后才得電加載，并未使星-三角啟動回路直接受力于負載。同時另外兩臺壓縮機的自身控制設置及電氣回路均與發(fā)生故障的壓縮機相同。因此負載大小引起跳閘也可排除在直接原因之外。

（3）加載時機。如前（2）所述，加載電磁閥是在星-三角啟動切換完成后得電加載，另外2臺壓縮機也未發(fā)生跳閘。雖然3臺壓縮機的控制設置以及電氣回路均相同，但用在每臺壓縮機的電氣元件的性能并不會完全一致，電機的電氣特性也不徑相同，若加載時機設置欠佳，就有可能使電機啟動過程與加載電磁閥在某種程度上出現(xiàn)時間重疊，從而影響電機電流使開關跳閘。

（4）電機本身的原因。根據(jù)電動機工作原理，當給電動機定子通入三相正弦交流電的時候，在其定子繞組上會產(chǎn)生一個順時針旋轉的磁場，此時原本靜止的電動機轉子相當于逆時針切割定子產(chǎn)生的磁場，進而在閉合的轉子導體中產(chǎn)生電流，根據(jù)左手定則，且由于轉子導體是沿圓周均勻分布的，切割磁場產(chǎn)生的電磁力使轉子也開始帶動電機軸順時針旋轉。在星-三角啟動電路中，當星-三角回路切換過程中，定子繞組有一定時間內與電源斷開，但轉子繞組中感應產(chǎn)生的電流是逐漸衰減直至消失的；根據(jù)電磁感應原理，此時轉子的電流又會反過來使定子繞組產(chǎn)生感應電勢；當三角形接觸器合閘時，產(chǎn)生的定子感應電勢與電源電壓相重合，當兩者數(shù)值相同而相位完全相反的情況下，將產(chǎn)生遠大于正常啟動時的瞬時沖擊大電流。本案例中故障壓縮機星型啟動時最大瞬時電流已接近上級開關額定電流的2倍，若星-三角切換時產(chǎn)生的感應沖擊電流達到一定數(shù)值，由于上級開關的反時限跳閘特性，該開關有可能瞬間跳閘。

（5）綜合總結。結合前述（2）、（3）、（4），最不利的情況下，三種現(xiàn)象同時發(fā)生，將更加加劇上級開關跳閘的幾率。另外值得注意的是，事后了解發(fā)現(xiàn)，三號壓縮機本體柜內的小變壓器曾在施工班組在管路上焊接作業(yè)后發(fā)生燒毀更換。進一步了解發(fā)現(xiàn)是在緊挨三號壓縮機與其相連的排污管路上進行的焊接作業(yè)，且焊接時未對壓縮機進行斷電，若焊接時接地點選擇不合適，焊接電流流過壓縮機電氣回路，持續(xù)的大電流將對壓縮機內的電氣設備產(chǎn)生不利影響，甚至改變電機的絕緣和性能[4]。

5 解決建議

結合前述原因分析，提出以下解決的建議方法：

（1）延遲加載。適當推遲加載電磁閥得電的時間，待星-三角啟動切換完成電機穩(wěn)定后加載，應能避免氣罐壓力較高時重載沖擊對上級動力電源開關的影響。但由于條件限制，現(xiàn)場并未進行驗證。

（2）適當增加上級開關容量。尤其針對原因（4），合理的選用更大容量的上級開關，在能保證真實發(fā)生故障能跳開的前提下，能有效的解決此類非真實故障下的跳閘。四川樂山犍為航電樞紐工程的低壓空壓機調試時也曾出現(xiàn)同樣情況，該站低壓空壓機系統(tǒng)配置2臺與本案例大同小異的15 kW集成式壓縮機，首次調試時即發(fā)現(xiàn)星-三角切換時控制柜內為集成柜供電的二級開關會跳閘，調試時經(jīng)設備廠家同意，更換了控制柜內容量較大的備用開關進行供電后，再未發(fā)生跳閘。后經(jīng)設計院多次確認，認為是星三角切換時感應電勢的沖擊造成的跳閘，責成控制柜廠家更換開關，之后未再發(fā)生跳閘現(xiàn)象。因此，本案例也可參考將201D配電箱內開關更換為更大容量的開關以解決跳閘問題。

6 結語

工程施工現(xiàn)場安裝調試難免會遇到各種各樣的問題，現(xiàn)場調試班組在遇到問題時也會竭盡所能解決，然而限于工程現(xiàn)場條件及其他因素限制，施工調試班組并不能像正規(guī)試驗室一樣驗證各種情況，同時也不能擅自決定現(xiàn)場設備的更改，因此有時現(xiàn)場發(fā)現(xiàn)的問題并不能及時徹底的解決。但通過現(xiàn)場情況的分析和工作經(jīng)驗的積累，可以對調試時發(fā)現(xiàn)的問題提出合理的建議，以幫助解決問題。