一起因低壓保護定值不合理導致越級跳閘故障的分析

劉積慧，田尚財，劉東蕓

（1.酒鋼宏興股份公司動力廠；2.甘肅鋼鐵職業技術學院，甘肅嘉峪關 735100）

1 故障經過

2023年4月14日8：48，崗位監盤人員發現泵站低壓一段運行設備均出現跳機，其間備用設備聯鎖啟機，同時泵站消防子機034、035 光電感煙探測器MCC 室報警。經現場檢查發現鋼系統低壓配電室一段3415#配電柜內轉爐上塔泵空開燒損嚴重，鋼系統380 V 一受電母線失電，10 kV 動力變過流一段保護動作跳閘。

2 原因分析

2.1 開關燒損原因分析

轉爐上塔泵塑料外殼式斷路器為2003 年項目建設時期安裝投用，已長期在線運行20余年。電機額定功率為75 kW，開關選配為額定電流200 A，運行電流95 A 左右，無超負荷運行現象。故障發生后現場空開只剩上半部分，下半部分燒損缺失嚴重，特別是開關B 相出線端子嚴重燒損缺失，同時開關三相進線電纜也因短路故障燒斷懸空。從現場燒損情況分析，應是開關B相出線端存在接觸不良，接線端子氧化發熱，逐步傳導至B 相動、靜觸頭。另外，長期發熱導致開關內部絕緣層碳化劣變，絕緣能力降低，進而發生與背板的接地短路故障，引發相間短路［1］，配電柜開關燒損狀況見圖1。

圖1 配電柜開關燒損狀況

2.2 開關配置選型分析

泵站轉爐上塔泵電機額定功率為75 kW，額定電流為139 A，配備塑殼式斷路器的額定電流為200 A，隔離刀閘額定電流為400 A，水泵單回路各電氣元器件配置合理。

框架式受電斷路器原設計額定電流為3 200 A，因曾在運行期間出現當負荷達到1 500 A 左右嚴重發熱，機構卡澀操作不便的現象，于2021 年整體進行改造更換，現斷路器額定電流為4 000 A。負載為水泵類負載，90 kW 及以上均設置有軟起動裝置，計算總運行電流在2 200 A左右，框架式受電斷路器選型配置合理。

根據低壓負荷情況，上級配置有電壓等級為10 kV，型號為S9-1 600∕10 動力變壓器2 臺，低壓二次側額定電流為2 308 A，互為備用，正常為單母線分段運行，滿足低壓計算負荷容量需求。鋼系統低壓一次系統圖見圖2。

圖2 鋼系統低壓一次系統圖

2.3 點檢情況分析

根據廠內電氣設備點檢標準規定，應對配電柜內斷路器每6 h 檢測一次溫度。通過視頻查看，崗位人員在3：51對低壓室進行了點檢，但未按照標準要求對轉爐上塔泵3415#配電柜進行開柜門點檢，點檢存在遺漏。開關在8：44發生第一次短路故障，8：48母線失壓。

2.4 變壓器低壓側出口短路電流確認［2］

（1）計算方法

變壓器低壓側出口短路電流可以按照《建筑電氣常用數據》（19DX101-1）中的近似計算公式計算：

式中：Ik—對稱穩態三相短路電流有效值，kA；

ST—變壓器的額定容量，MVA；

Uk%—變壓器阻抗電壓百分數，取6。

（2）查詢方法

按照《建筑電氣常用數據》（19DX101-1）中變壓器低壓出口處短路電流速查表查詢可知1 600 kVA變壓器出口短路電流為38.4 kA。

2.5 保護整定及動作分析

此次故障主要涉及3 個開關的保護定值，第一道保護是水泵負載的過載、短路保護［3］，其瞬時脫扣電流為2 400 A（不可調）。從現場進、出引線燒損情況來看，開關在短路故障時觸頭粘連，沒有分斷故障設備，導致短路故障發生多次，從視頻中可以看出在5 min 內發生5 次放電現象。第二道保護為低壓受電斷路器（NAI-4000X）的瞬時、短延時、長延時保護，保護模塊為斷路器自帶的控制模塊（M 型）。故障發生后，查看斷路器狀態并未跳閘，仍在合閘位，說明該斷路器在多次短路故障下均未可靠分斷故障。經調查，該斷路器在進行改造后未進行保護定值整定，使用出廠原始值，即長延時（Izd1）整定電流為1.0In（斷路器額定電流，即4 000 A），動作時間15 s。短延時（Izd2）整定電流為8Izd1，即32 000 A，動作時間0.4 s。瞬時（Izd3）脫扣整定電流為12In，即48 000 A。第三道保護為變壓器高壓繼電保護，保護裝置具有過流一段、過流二段保護及過負荷報警，故障發生時過流一段保護動作、重瓦斯保護動作。

通過調取上級開關站故障錄波數據、保護動作數據及對故障變壓器抽芯檢查，發現變壓器內部高壓繞組嚴重變形、短路，過流一段保護動作跳閘，動作電流3 252.9 A，整定值2 076 A，0 s；同時重瓦斯保護動作。故障時刻，Ua（A 相相電壓）由故障前的5.80 kV 下降至2.07 kV，Ub（B 相相電壓）由故障前的5.66 kV 下降至1.79 kV，Uc（C 相相電壓）由故障前的5.75 kV 下降至1.94 kV。故障持續62 ms，10 kV 故障錄波圖見圖3。

圖3 10 kV故障錄波圖

2.6 保護管理分析

此次故障造成事故擴大的主要原因是低壓受電斷路器未能起到保護作用，線路保護失守，多次短路沖擊變壓器，造成變壓器內部短路，引起10 kV側電網波動，影響其他用戶。但深究原因還是項目轉生產前的驗收把關不嚴，低壓受電斷路器定值整定不合理，導致故障時未動作。用戶對低壓保護日常管理不到位，錯誤認為能分、合閘就行，無視驗收標準與規范，不能預判潛在的安全風險，無法保證保護裝置的好壞，無法確定定值是否準確、合理。［4］

3 防范措施

3.1 保護定值重新核算和整定

對故障斷路器的過載長延時保護、短延時保護、瞬時保護定值進行重新核算和整定［5］。400 V進線斷路器的三段保護電流整定簡圖見圖4。

圖4 400 V進線斷路器的三段保護電流整定簡圖

過載長延時（Izd1）整定：一般可以按照上級變壓器額定電流（Ied=2 308 A）的1.1 倍進行整定，也可按照線路計算電流（Ic=2 200 A）的1.1倍進行整定。本例取2 308×1.1=2 538.8 A，考慮到上下級配，整定為2 600 A，延時8 s報警。

短延時（Izd2）整定：可整定為2～5 倍的過載長延時整定電流值，也可按照上下級配差1.2 倍進行核算整定。本例取2 600×3=7 800 A，整定為7 800 A，延時0.1 s，定時限保護跳閘投入。

瞬時（Izd3）整定：當短路故障發生在母線與低壓出線開關附近時，短路電流基本一樣，通過電流實現瞬時級差保護存在很大的不確定性，不能保證低壓出線開關和受電斷路器瞬時保護之間的選擇性，因此瞬時保護作為報警投入運行。定值整定一般可以按照過載長延時整定電流的10倍來整定，如果保護的靈敏度不夠，應適當調低其整定倍數。本例取2 600×10=26 000 A，整定為26 000 A，0 s報警。保護定值表見表1。

表1 保護定值表

3.2 完善低壓保護定值管理

完善低壓保護定值管理流程，完善項目轉生產前的驗收流程，完善低壓保護定值單的核算及整定流程，保證低壓系統保護裝置功能的有效性及定值的“四性”（即選擇性、速動性、可靠性、靈敏性）。

4 結語

設備故障的發生有偶然性，也有必然性。此次故障暴露出低壓電氣保護管理存在盲區，工作人員對保護的分級管理、分級保護、審批準入的管理流程不清晰，對低壓設備的保護管理及定值的計算、整定、試驗工作的重視程度不夠，才導致了此次低壓故障、保護越級跳閘并損失一次設備的事故。電氣系統中隱患不易被排查出來，因此一定要重視過程管控，加強施工、驗收、檢修過程的管理，避免埋下隱患。