低壓開關(guān)柜抽屜三相短路事故原因分析

遼寧紅沿河核電有限公司 紀(jì)雄飛

近年來，隨著我國核電安全有序快速發(fā)展，具有操作便利、動(dòng)作可靠、檢修方便等多方面優(yōu)勢的低壓開關(guān)柜在配電網(wǎng)中廣泛使用[1]。低壓開關(guān)柜抽屜一次回路的接通是通過動(dòng)、靜觸頭的配合來實(shí)現(xiàn)的[2]，然而在實(shí)際使用中，由于大容量負(fù)荷抽屜動(dòng)、靜觸頭接觸不良，電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)瞬間電流達(dá)2000A 以上，引起抽屜觸頭插接部位過熱[3]、拉弧、三相短路，甚至導(dǎo)致配電盤燒毀。本文簡要說明事故經(jīng)過、故障排查，闡述了低壓開關(guān)柜抽屜三相短路的原因，并提出解決措施。

1 情況說明

1.1 設(shè)備介紹

某廠常規(guī)島低壓配電系統(tǒng)由6.6kV/0.4kV 干式變壓器、380V 低壓開關(guān)柜及相應(yīng)的二次設(shè)備組成，380V 母線與變壓器低壓側(cè)直接連接，未配置低壓總進(jìn)線斷路器。變壓器型號為SCB10-1000/6.6，額定容量1000kVA，空載電壓變比6.6±2×2.5%/0.4kV，接線組別Dyn11，變壓器低壓側(cè)配置零序過流保護(hù)（定值3200A，0.5s）。低壓開關(guān)柜共計(jì)8面盤柜，主要為汽輪發(fā)電機(jī)組重要負(fù)荷供電，抽屜內(nèi)配置塑殼斷路器（T5S630 3P）、接觸器（AF460-30）、熱繼電器（EF460-500）及接地保護(hù)（定值30A，0.15s）。頂軸油泵電動(dòng)機(jī)銘牌額定功率為160kW，額定電流304A，啟動(dòng)電流2050A。系統(tǒng)一次接線圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)一次接線圖

1.2 故障概述

2020年11月26日，5號機(jī)組潤滑及頂軸油泵啟動(dòng)時(shí)，380V 低壓開關(guān)柜抽屜起火，變壓器上游6.6kV中壓開關(guān)保護(hù)裝置反時(shí)限過流保護(hù)動(dòng)作跳閘，導(dǎo)致整列配電盤失電。

現(xiàn)場查看不斷有煙霧從第五列盤柜冒出，使用滅火器撲滅后，煙霧逐漸消散。經(jīng)查油泵電源抽屜嚴(yán)重?zé)龘p，抽屜內(nèi)元器件嚴(yán)重受損，抽屜母線側(cè)觸頭組件及銅排熔毀，抽屜負(fù)荷側(cè)觸頭組件及銅排無異常，檢查頂軸油泵電纜絕緣正常，電動(dòng)機(jī)絕緣、直流電阻正常，下游油泵檢查無異常，為此判斷抽屜與配電盤垂直母排連接部位，發(fā)生三相短路造成低壓開關(guān)柜抽屜燒毀，如圖2所示。

圖2 正常抽屜與故障抽屜背面

2 原因分析

由于抽屜與配電盤垂直母排連接部位熔毀，因此無法直接判定故障原因。通過調(diào)取動(dòng)作時(shí)序、保護(hù)裝置故障錄波、對抽屜進(jìn)行解體檢查，綜合分析確定故障原因。

2.1 動(dòng)作時(shí)序

查詢主控室動(dòng)作時(shí)序，油泵啟動(dòng)240ms 后抽屜內(nèi)塑殼斷路器（T5S630 3P）故障跳閘，2751ms 后6.6kV 中壓開關(guān)保護(hù)裝置反時(shí)限過流保護(hù)動(dòng)作跳閘，見表1。

表1 主控室動(dòng)作時(shí)序

2.2 故障波形

由于380V 母線與變壓器低壓側(cè)直接連接，未配置低壓總進(jìn)線斷路器，因此380V 母線短路只能通過變壓器上游6.6kV 中壓開關(guān)保護(hù)裝置實(shí)現(xiàn)。中壓開關(guān)保護(hù)裝置反時(shí)限過流保護(hù)定值131A，電流互感器變比為150/1，調(diào)取故障錄波，三相電流波形如圖3所示，根據(jù)波形特征，可分為4個(gè)階段。

圖3 故障波形

2.2.1 階段1：T0至T0+185ms 潤滑及頂軸油泵啟動(dòng)T0時(shí)油泵啟動(dòng)，最大啟動(dòng)電流178A，大于保護(hù)裝置設(shè)定值，保護(hù)啟動(dòng)，T0+185ms 電流衰減至117A，保護(hù)返回，如圖4所示。

圖4 階段1、2波形

2.2.2 階段2：T0+185ms 至T0+784ms 三相短路

T0+185ms 電流開始突變，三相電流幅值在700～1100A 波動(dòng)，相位角相差120°，由此可判斷變壓器低壓側(cè)配電盤發(fā)生三相短路故障，保護(hù)啟動(dòng)，但由于故障電流持續(xù)600ms 小于反時(shí)限過流保護(hù)動(dòng)作時(shí)間1s，保護(hù)返回，如圖4所示。

2.2.3 階段3：T0+784ms 至T0+1289ms

三相電流波動(dòng)，分析為三相短路電弧熄滅與復(fù)燃，保護(hù)多次啟動(dòng)與返回，如圖5所示。

圖5 階段3、4波形

圖6 一次觸頭組件

2.2.4 階段4：T0+1289ms 至T0+2593ms 三相短路

三相短路故障電流持續(xù)時(shí)間大于1s，保護(hù)動(dòng)作出口跳閘，如圖5所示。

2.3 抽屜檢查

抽屜額定電流630A，單個(gè)觸頭組件額定電流400A，因此每相使用兩個(gè)觸頭組件并聯(lián)。抽屜背視圖右側(cè)為母線側(cè)，左側(cè)為負(fù)荷側(cè)，為提高一次觸頭穩(wěn)定性，進(jìn)出線觸頭組件安裝在連通的金屬殼內(nèi)，如圖7所示。

圖7 抽屜

檢查抽屜母線側(cè)觸頭組件及銅排熔毀，從燃弧灼燒抽屜元件情況和電流波形分析判斷，短路故障起于抽屜與配電盤垂直母排連接的觸頭組件金屬殼內(nèi)，如圖8所示。

圖8 故障抽屜

根據(jù)抽屜解體檢查情況分析，認(rèn)為有以下幾種原因造成三相短路事故：一是金屬異物落入或遺留。三相銅排之間及對地之間如搭接金屬異物，會造成短路。從設(shè)備結(jié)構(gòu)、故障錄波及現(xiàn)場模擬試驗(yàn)，排除了金屬異物形成短路故障的可能。二是三相觸頭組件之間及對地絕緣間隙不足。實(shí)測裸露銅排與金屬框架之間最小距離為9.5mm，國標(biāo)要求最小距離為8mm，三相之間絕緣間隙滿足要求。三是一次觸頭組件設(shè)計(jì)存在不足。對于小容量抽屜，由于電流較小，相對可靠性高，對于大容量抽屜，負(fù)荷電流大，一次觸頭組件接觸不良會引起電弧故障，且抽屜三相進(jìn)出線觸頭組件之間未使用絕緣件完全隔離，共同安裝在連通的金屬殼內(nèi)，極容易發(fā)展成三相短路，相對可靠性低。

2.4 綜合分析

綜合上述分析，確定故障原因?yàn)槌閷弦淮斡|頭組件設(shè)計(jì)存在不足，三相觸頭組件之間未使用絕緣件完全隔離，共同安裝在連通的金屬殼內(nèi)，一次觸頭組件在多次起動(dòng)電流作用下導(dǎo)電性能劣化，在累積效應(yīng)達(dá)到一定程度后，再次啟動(dòng)電動(dòng)機(jī)過程中拉弧，造成金屬殼內(nèi)三相弧光短路。

3 措施

為確保系統(tǒng)安全、穩(wěn)定運(yùn)行，防止此類事故發(fā)生，決定采取以下措施：一是將75kW 以上容量的電動(dòng)機(jī)抽屜改為抽出式框架斷路器，如圖9所示。抽出式框架斷路器并不等于沒有觸頭組件，只是把原來的抽屜觸頭組件轉(zhuǎn)移到了框架式斷路器上，而框架式斷路器與其底座的接觸遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于抽屜一次觸頭組件，改造完成后，大容量負(fù)荷回路運(yùn)行良好。

二是優(yōu)化干式變壓器及配電盤保護(hù)配置。380V母線與變壓器低壓側(cè)直接連接，未配置低壓總進(jìn)線斷路器，造成380V 母線發(fā)生三相短路故障2.7s 后6.6kV 開關(guān)跳閘，故障沒有被及時(shí)切除，導(dǎo)致抽屜燒毀嚴(yán)重。經(jīng)過分析變壓器及配電盤的保護(hù)配置雖然符合規(guī)范，但保護(hù)動(dòng)作的靈敏度低，由于增加低壓總進(jìn)線斷路器存在困難，因此通過增加變壓器低壓側(cè)三相過流保護(hù)，以確保低壓開關(guān)柜母線發(fā)生短路故障的情況下能迅速切斷上游電源，減小事故的后果。

4 結(jié)論

低壓開關(guān)柜是核電廠低壓配電系統(tǒng)的重要設(shè)備，其正常運(yùn)行與否直接影響到機(jī)組的安全運(yùn)行，為提高核電廠低壓開關(guān)柜運(yùn)行的可靠性，避免類似問題在后續(xù)核電項(xiàng)目發(fā)生，建議電動(dòng)機(jī)功率大于75kW 時(shí)采用抽出式框架斷路器代替抽屜式結(jié)構(gòu)、低壓開關(guān)柜配置低壓總進(jìn)線斷路器或母線短路保護(hù)。