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电机零序保护跳闸常见故障原因分析和技术改进

发表时间：2020/8/4 来源：《电力设备》2020年第8期作者：赵勇超

[导读] 摘要：某核电厂1/2机组低压交流配电盘调试至今，发生过多起75kW以上电机在停运、启动或正常运行期间出现零序保护跳闸的故障。

        （福建宁德核电有限公司福建宁德 352000）
        摘要：某核电厂1/2机组低压交流配电盘调试至今，发生过多起75kW以上电机在停运、启动或正常运行期间出现零序保护跳闸的故障。本文重点研究大功率电机回路零序保护误跳闸问题，将从各类零序保护跳闸的典型案例入手，分析零序保护跳闸的各种故障原因并进行归纳总结，探索电机零序保护误跳闸的根本原因，得出解决现场缺陷的实用型方案，并制定一定的改进策略和计划，指导电气维修人员快速定位和解决该类型故障，有效保障核电厂重要敏感设备或QSR核级设备的可靠运行。
        关键字：大功率电机；零序保护跳闸；电缆对中；屏蔽层接地；增加延时；
        1. 问题描述
        根据核岛大功率电机发生零序保护跳闸事件的时间和故障现象，该类事件主要发生在以下三种阶段：电机启动瞬间、电机热备或停运期间、电机正常运行期间。下面针对每个阶段出现的典型案例进行简要介绍，以便后文开展详细的故障原因分析和解决方案制定。
        电机启动瞬间发生零序保护跳闸的案例：（1）2018年6月12日，运行人员执行9DVN007ZV风机定检后再鉴定试验。主控启动9DVN007ZV风机后其上游电源开关1LKJ311间隔零序保护继电器动作，开关跳闸，从风机启动到跳闸约2.9秒。（2）2018年6月12日，9DVN007ZV风机进行启动验证，录取电机启动期间三相电流和零序电流波形。主控启动该风机后约136mS时发生开关跳闸。（3）2012年5月10日至13日，1SAP001CO、2SAP002CO空压机在启动瞬间五次发生零序保护跳闸，空压机无法正常启动。
        电机电源开关处于热备或停运期间发生零序保护跳闸的案例：（1）2015年10月23日，3CFI104MO电机处于停运状态，其电源开关合闸但接触器未吸合，在无启动指令的情况下，3LLO205间隔零序保护动作指示灯亮，主控报警。（2）2018年7月31日，4EVR003ZV定期切换至4EVR002ZV，003ZV停运时，主控触发4LLD008KA，现场检查零序继电器动作，故障灯亮。（3）2017年10月17日，4RRM002ZV风机在停运期间，其抽屉开关4LLB205间隔零序保护继电器跳闸。
        电机正常运行期间发生零序保护跳闸的案例：（1）2018年7月6日，3DSP008AR配电箱定检工作负责人完工后推入抽屉开关3LLD403开关，但出现3EVR003ZV电源开关3LLD406零序继电器动作，开关故障灯亮。（2）2017年8月24日，4LLI102（下游4PTR001PO）间隔在正常运行期间跳闸。
        2. 引起零序保护继电器跳闸的主要原因
        综合某核电厂大功率电机回路发生零序保护跳闸的故障原因来看，引起零序保护动作的主要原因可以分为三大类，即设计缺陷、设备缺陷和安装工艺不当。
        2.1 设计原因引起的零序保护误跳闸
        设计原因引起的零序保护继电器误跳闸可以分三个：
        （1）设计上零序保护延时定值给定不合理，延时时间偏小而不能满足电机正常启动要求。参考《大型发电机组继电保护整定计算与运行技术》：对于有零序电流互感器的电动机单相接地保护，一次三相的电流平衡时，由于三相电流产生的漏磁通不一致，于是在零序电流互感器内产生磁不平衡电流，根据在不同条件下的多次实测结果，磁不平衡电流值Iump均小于0.005Ip（Ip为平衡的三相相电流）。于是按躲过电动机启动时最大不平衡电流计算，低压电动机单相接地保护动作电流可取：
        3Io=Krel*Kumb*Kst*Im=1.5*0.005*7*Im=0.0525Im
        由于400V单相接地电流均很大，低压电动机单相接地时灵敏度足够，一般根据经验公式取：3Io=（0.05~0.15）Im。式中 3Io为单相接地零序保护一次动作电流值；Krel为整定系数；Kst为低压电动机启动电流倍数；Im为低压电动机一次额定电流值。
        当电机容量较小时可取：3Io=（0.05~0.075）Im。当电机容量较大时可取：3Io=（0.1~0.15）Im。根据现场实际运用情况和相关经验，3Io可适当取大一点，低压电动机单相接地保护一次动作电流值一般取10-40A，通常75kW以上电机回路零序保护定值取值30A。
        某核电厂常规岛ACO、CVI、SEN、GST、GGR及核岛DVN、RAM等部分电机回路使用W3-S105（或W4-S140）系列零序互感器，无配套磁屏蔽设备，此类设备的零序保护定值在设计时已设定至最大值30A，但启动瞬间较大的启动电流会对零序保护装置造成漏磁干扰而引起上游电源开关误跳闸，此种情况下需考虑增加一定的延时。
        （2）设计上未采取一定的零序互感器磁屏蔽措施，屏蔽75kW以上电机启动期间互感器磁路饱和产生的不正常电流，解决电机误跳闸问题。
        （3）设计图纸以及现场设备未将零序互感器采样线屏蔽层接地。75kW以上电机启动瞬间，出现较强的电磁感应现象，如采样信号线屏蔽层未接地，则感应电流不能快速送到大地，这部分感应电流流入零序保护继电器，便引起误跳闸。
        2.2 设备缺陷引起的零序保护跳闸
        设备缺陷引起零序保护跳闸是比较常见的故障，其故障排查过程相对较直观、可测，只要能定位某一元器件的故障点，便能快速的消除故障。常见的故障现象有：零序互感器阻值异常、零序继电器定值漂移、保护采样信号回路阻值过大、主电源回路缺相（接触器缺相）、电机单相接地、电机直阻不平衡等。其中，在3/4机组核岛施耐德交流配电盘上发生过数十起零序保护跳闸故障，原因大多数为零序保护继电器采样信号开路引起，即零序采样回路虚接、接触不良、设备振动等因素引起输送至零序保护继电器的信号断开时间超过5S。
        2.3 安装工艺引起的零序保护跳闸
        安装工艺差引起零序保护跳闸，主要体现在现场一次动力电缆未对零序互感器中心安装、二次采样线压住线皮或紧靠一次动力电缆、互感器出口接线松脱，此方面的安装缺陷只能通过专项普查或低压配电盘定检来实施整改。
        3. 零序保护跳闸的典型案例分析
        3.1 3EVR003ZV开关零序保护动作
        故障现象：3DSP008AR配电箱定检工作负责人完工后推入抽屉开关3LLD403开关，导致3EVR003ZV开关3LLD406零序继电器动作，开关故障灯亮。
        故障原因：在推入3LLD403抽屉开关至工作位时，主回路动触头与母排相连，对母排产生一定的冲击力，3LLD403/406共用同一垂直母排，冲击能量传递至3LLD406间隔，其二次插件E模块轻微振动，但公插头自由上下滑动受到限制（被绑扎带固定）而不随母插头移动（如图1所示），引起公、母插头连接处接触电阻增大，零序继电器检测到采样信号回路开路引起继电器跳闸。

        图1 3LLD406二次插件E模块被固定引起采样信号开路
        3.2 4EVR003ZV开关零序保护动作
        故障现象：4EVR003ZV定期切换至4EVR002ZV。4EVR003ZV停运时，主控触发4LLD008KA，现场检查零序继电器动作，故障灯亮。
        故障原因：现场检查发现零序互感器004TI采样线T2虚接（如图2所示），导致CT二次侧开路，零序继电器动作。模拟CT开路，约5S零序继电器动作，与KNS上003ZV停运信号触发6S左右后4LLD008KA出线故障现象吻合。

        图2 4LLD406零序互感器出口T2接线虚接引起采样信号开路
        3.3 3DEG002PO在停运期间零序保护误跳闸
        故障现象：3DEG002PO在执行T3LHQ006试验期间，停运后出现零序保护跳闸，主控报警。
        故障原因：检查发现抽屉侧接线端子处E5端子接线压住线皮（如图3所示），造成接线虚接，当抽屉受到震动时，导致短时的开路，引起零序继电器动作，进而导致开关跳闸。重新调整接线后，运行对3DEG002PO进行再鉴定，结果满意，3DEG002PO恢复可用。

        图3 二次插件E5接线压住线皮引起采样信号开路
        4. 探究解决零序保护误动作的实用型方案
        4.1 解决零序保护误动作的措施
        下述6种措施可以单一使用或组合使用，具体应根据负荷的实际需求来考虑。
        ①零序电流互感器与零序电流继电器的二次连接线采用屏蔽线，且二次连接线尽量远离一次动力回路；
        ②动力电缆对中穿过零序互感器；
        ③穿过零序电流互感器的电缆使用钢或软铁的屏蔽套管；
        ④在互感器上增加分磁环来分流磁通，即对零序电流互感器增加磁屏蔽环；
        ⑤采用更大尺寸或额定电流的零序电流互感器；
        ⑥调整零序保护继电器的动作电流和脱扣时间，并保证与上级零序故障保护继电器配合良好。
        零序电流继电器的额定动作电流I△n与最大相电流Iph.max的比值通常小于1/1000,即误动灵敏度△=I△n/Iph.max。为降低误动灵敏度，可采取以下特殊的措施，见表1所示。
                                                                       表1 减小I△n/Iph.max比值的措施

        上述措施可结合起来使用。例如：如果准确地将电缆置于200mm内径的环形磁芯内（内径直径50mm本已足够），并将电缆穿入屏蔽套管内，则零序电流继电器误动灵敏度降低系数是多少？误动灵敏度降低为多少？
        解答：因△=I△n/Iph.max通常小于1/1000。回路电缆准确地穿过环形电流互感器磁芯的中心，误动灵敏度的降低系数为3；将磁芯内径Φ50的环形电流互感器更换为Φ200的互感器，误动灵敏度的降低系数为6；将电缆穿入屏蔽套管内，误动灵敏度的降低系数为4。故零序电流继电器误动灵敏度降低系数为3*（6+4）=30。采取以上措施后，误动灵敏度△将由1/1000降低至1/30000，即（1000*误动灵敏度的降低系数）=1/(1000*30)= 1/30000。
        4.2 技术改进方案
        1/2机组调试期间，电气专业联合设计院完成36个75kW及以上大功率电动机回路（零序互感器为MA120）加装磁屏蔽环的改造项目，改造完成后从未发生过启动电机时零序保护误跳闸问题。但1、2SAP001/002CO四个空压机回路，因其零序互感器（SA200）无配套磁屏蔽环，故通过增加零序保护延时至0.15S来解决误跳闸问题。
        将上述改进方案通过经验反馈渠道反馈至3/4机组施耐德交流配电盘，故施奈德厂家在出厂前便完成对零序电流互感器（TA30、IA80和MA120）增配磁屏蔽环的工作。
        目前75kW电机回路零序保护配置表，如表2所示。
                                                                   表2 75kW以上电动机回路零序保护配置表

        实践经验证明，某核电厂施耐德低压交流盘柜75kW以上电机回路发生零序保护跳闸的案例明显多于ABB、默勒低压盘，故障原因皆是由于零序保护采样信号开路引起。至于开路的原因，主要体现在E模块上E5、E6插接线压住线皮、E模块滑动受限和零序互感器出口引线虚接。在受到外界振动的情况下，零序保护采样信号回路阻值超过340Ω且延时约5S，零序继电器便出现跳闸。二次插件的结构不同：施耐德采取模块化“插排式”，模块连接处阻值偏大，超过零序保护继电器检测阻值后判断采样回路开路，便引起误跳闸；而ABB、默勒采取插针“一对一”式连接，固定连接性较好，零序采样信号不容易断开。
        ABB低压盘柜75kW以上电机回路通过增配屏蔽磁环后，发生零序保护跳闸的案例较少，前文中9DVN007ZV跳闸事件属于特例。但由于0S延时过短，其他电机还是存在误跳闸的风险，所以需要增加延时，提高可靠性。
        下面对75kW以上电机回路零序保护跳闸故障总结出一套快速排查策略，即“八步”定位法，思路依次为：①电机绝缘、直阻是否合格，且接线盒内动力电缆接线应无异常；②零序CT的直阻是否正常；③零序采样线回路是否开路；④零序保护采样线距离动力电缆是否过近且屏蔽层是否接地；⑤校验零序保护继电器动作电流值和动作时间是否合格；⑥零序保护定值（动作电流和动作时间）设置是否合理；⑦接触器三相合闸时间是否同步；⑧抽屉开关主回路是否存在接地故障。
        通过以上“八步”定位，基本上都能定位到真正的故障原因，这样也能找到准确的故障处理方法。根据以往经验，如电机启动时发生跳闸，通常是因强磁场干扰采样信号引起误动作；如电机在停运、堕转期间发生跳闸，通常是因振动等外界因素引起零序保护采样信号开路；如电机未运行时发生跳闸，通常是因二次插件处虚接等因素造成零序保护采样信号开路。
        5. 结论
        核电厂75kW以上电机回路零序保护跳闸故障案例众多，电气专业负责人高度重视，通过不断的学习、总结实战经验，从设计、设备、人因偏差等方面做出全面改进和提升，形成了一套独有的零序保护继电器跳闸故障排查流程以及采取有效措施实施专项整改，以便快速查找和解决设备故障问题，做到有效预防和提高核级电机的运行可靠性。
        参考文献：
        ［1］RCC-E 2005 《压水堆核电厂核岛电气设备设计和建造规则》，2005.
        ［2］GB1208-2006 《电流互感器》，2007.
        ［3］GB50054-95 《低压配电设计规范》，1996.
        赵勇超（1987.3.14-），男，汉族，云南曲靖人，大学本科，高级工程师，从事核电电气维修工作。