110kV单相接地短路引起0.4kV电动机停机事件分析
武汉加油 共渡难关
神华鄂尔多斯煤制油分公司的研究人员武彦诚，在2019年《电气技术》增刊中撰文，介绍了一次110kV系统接地短路事件，分析了0.4kV电压电流影响情况，对部分重要低压电动机进行了改造，降低单相电压跌落时电动机影响范围。
煤制油化工装置是连续性生产的高温、高压和高危险装置，对供电的可靠性要求极高。当电网因雷击、接地或其他原因造成电网单相电压短时波动或短时断电时，高压电气设备低电压保护、母联备自投、失压保护动作时间一般都在0.5s及以上，且全具备PT断线闭锁功能，高压电气设备不易受到影响。
但单相电压降低很容易造成交流接触器低电压释放，引起重要机组低压辅机停机，导致工艺指标压力、流量、液位、温度等超出安全范围，最终引起装置工艺连锁停车。
1 工厂电网系统概况
某煤化工公司电气系统取自110kV某1#、2#线路，110kVⅠ、Ⅱ段母线环网运行，2台100MW发电机变压器组分别接在110kVⅠ、Ⅱ段母线，4台80MVA负荷变（110/35kV）分别接在110kVⅠ、Ⅱ段母线，35kV系统双母双分段运行，如图1所示。厂用电6kV系统为单母分段运行，低压0.4kV系统为单母分段运行。
2 事件经过
上级变电所报某110kV 1#线路差动保护动作，同时某110kV 1#线路164开关跳闸，故障发生到保护动作切除故障约50ms，测距为4.3km处。
某煤化工公司GS01总变变电所报23:20:0.597某110kV 1#线路差动保护动作，测距为0.18km，故障B相残压只有正常额定的3%，50ms后110kV 1#线路151开关跳闸故障切除。110kV单相接地短路故障录波图如图2所示。
某煤化工公司立即组织电气人员进行巡线，发现在空分北侧某110kV 1#线路15#杆塔上B相有放电痕迹，联系供电公司外线人员确认此处确为故障点。因公司110kV电气系统为环网运行，因而此次晃电全厂均有影响，受晃电影响共停机311台，其中变频设备84台，工频设备227台。
3 事件原因分析
某110kV 1#线路于2006年12月份投运，运行已有8年多，经工程师现场分析，此次击穿事件是由于电缆终端头三叉口处绝缘老化导致的，但是此次晃电造成的电动机停机数量较多，据统计6kV高压电动机停机4台，原因为低压辅机接触器释放造成工艺连锁停机，而其余停机设备主要为0.4kV低压电动机。公司以前也发生过类似晃电事故，但是经过数次技术改造，停机数量逐年递减。此次晃电事件低压电动机数量较多，主要原因分析如下：
图1 某煤化工公司110kV、35kV系统图
图2 110kV单相接地短路故障录波图
某煤化工公司110kV系统为大电流接地系统，35kV系统为经消弧线圈接地系统，当110kV 1#线路B相发生接地故障时，B相电压为额定电压的3%，A、C相电压相等，相角差近似180°，因110kV系统I、Ⅱ段环网运行，4台110/35kV负荷变压器接线组别为YNyn0+d，则公司110kV、35kV系统故障时电压电流分布相近，B相电流增大，B相电压降低，因零序分量不能传变至三角形绕组外，零序分量无法传变至35kV系统，所以35kV系统无零序分量。公司35/6.3kV变压器接线组别为YNd11，其故障时电流和电压的相量关系如图3所示。
图3 35kV/6.3kV（YNd11）接线变压器在YN侧B相接地短路时两次电流和电压的相量关系
由图3可以看出，d侧各相电流的分布与YN侧接地短路相别有关，对应于故障相的滞后相电流为0（B相接地短路，d侧滞后相位c相），6kV系统A、B相电流增加（数值为高压侧B相接地电流的1/ 倍），A、B方向相反，大小相等，滞后相c相电压最高，其余两相电压相等，相间电压一般较高（ 为变压器内部电抗的压降等影响）。
公司6kV/0.4kV变压器接线组别为Dyn11，yn侧各相电流规律是：与D侧电流最大两相中超前相电流最大（如D侧A、B电流最大，yn侧a相电流最大），其他两相电流大小相等、方向相同，数值为a相电流的1/2，方向与最大的一相相反，计及变压器内部电抗的压降等影响后，yn侧与D侧两相相对应两相中的超前相电压最低，等于一个较小的数值（不计内部电抗的压降等影响，该相电压为0，计及后等于图4的 ）。
图4 6kV/0.4kV Dyn11接线变压器yn侧电流和电压相量关系
经过电气系统几级传变分析得出，当110kV系统B相接地短路故障时，35kV系统与110kV系统电压、电流相近；6kV系统UAB线电压降低、电流增大；0.4kV系统a相电压降低，电流增大，调取下级变电所录波图，如图5所示，验证0.4kV a相电压为24V左右（正常为57.735V），跌落至正常电压的40%。公司0.4kV电动机交流接触器电源为220V，取自0.4kV a相、n相，所以当某110kV 1#线路B相接地短路故障时，会引起大量低压电动机接触器释放。
图5 0.4kV系统录波图
4 改造方案
根据历年晃电事件分析，电压跌落时限一般在100ms以内，跌落范围为有效值降至标称值的10%至90%，以单相电压跌落为主，而根据GB 14048.4—2010标准8.2.1.2.1电磁式接触器和起动器的动作范围规定：交流接触器线圈释放电压是其额定控制电源电压Un的20%～75%。因此，此次改造以保障重要机组辅机交流接触器不释放或释放后自动吸合为目标，以辅机重要程度、分布和数量进行分类，分别实施集中改造和分散改造等。
4.1 根据低压电动机重要程度及数量，对于重要程度较高、大型机组低压辅机较多以及需要集中改造的区域，将0.4kV交流接触控制电源改为不间断电源（uninterruptible power supply，UPS）供电，以便保证在电压较短时间跌落并恢复正常电压过程中，交流接触器不释放，低压电动机不间断持续运转，为工艺参数尽快恢复提供基础条件。
但是，当发生系统长时间失电时，在UPS电源充足情况下，交流接触器也不会释放，需要在低压电动机保护器增设失压保护40%～60%Un，动作时限根据0.4kV进线失压保护时限或工艺连锁主机失压保护时限进行设定。
4.2 针对部分重要低压辅机数量较少、分布较分散以及不需集中改造的区域，采取增加和更换低压电动机保护装置的措施，根据工艺运行要求，分为工艺允许短时停电和工艺不允许停电两种情况。经过数次选型和试验，最终选择上海华建LM313+系列微机型低压电动机保护监测装置与江苏国网自控接触器抗晃电装置。
上海华建LM313装置通过监测220V装置电源电压，判断系统短时失电再起动，其中保护配置分为“立即再起动”和“延时再起动”两种功能，立即再起动和延时再起动可以分别投退。
再起动功能模块检测母线单相电压，并自动记忆电动机的原来运行状态，对失电前在运行的电动机，当电压降到“跌落电压Udr”时，“立即再起动”和“延时再起动”功能同时启用。因为监测电压取自220V电源输入，当发生单相电压跌落时，为使保护装置功能动作正确，保护装置电源L1、N和交流接触器KM电源L11、N应取自低压0.4kV母线同一相。
“立即再起动”具有抗晃电功能，当电压降到“跌落电压Udr”时，在限定的时间（0.5s）以内，电源电压恢复到“恢复电压定值（Ure）”以上，LM313+系列保护装置会立即动作，如图6所示，R3继电器，此时KM接触器线圈再次得电，保证接触器释放后立即吸合。
图6 LM-313+装置接线图
“延时再起动”具有分批再起动功能，若电源恢复到“恢复电压定值（Ure）”的时间超过0.5s，但仍在延时再起动限定时间（trm）内，则经过延时时间trst+0.5s再次判断电压大于设定的“恢复电压定值（Ure）”后动作于R3继电器。
当系统内关键电动机容量较大且进线的速断、过流在保护整定时无法躲过所有电动机同时再起动的冲击电流时，可通过保护装置“再起动延时时间（trst）”及“恢复电压定值（Ure）”进行分批再起动。
江苏国网自控接触器抗晃电装置当发生系统电压跌落时，装置迅速切断接触器线圈的交流电源，将内部超级电容储能的直流电压经过自动控制方式输出到接触器线圈上，保持接触器可靠吸合。在晃电过程结束、电源恢复正常后，装置关断内部直流电压输出，将交流电压切换到接触器线圈两侧，切换速度可以达到1.67ms。
装置晃电维持时间可以设置在0.01～5s范围，级差为0.01s，并且可以自测量适应各型号接触器，无需设置接触器电阻。此装置可以保证电源电压跌落时，接触器接点不失电释放，避免因电动机失去电源或接触器释放接点而引起的工艺波动，防止接触器分、合时产生操作过电压和冲击电流。
4.3 对于重要程度较低、不会造成大型机组工艺连锁停机的低压电动机，工艺采用A、B电动机互为备用运行，电气将A、B机交流接触器、电动机保护装置电源取自不同相，确保电网单相电压跌落时，能具备一台电动机运转，减少低压电动机晃电停机数量。
例如，大型机组有A、B两台辅助润滑油泵，A油泵交流接触器220V电源取自0.4kVⅠ段a、n相，B油泵交流接触器220V电源取自0.4kVⅡ段c、n相，两泵控制回路采取电气互锁接线，当系统发生单相电压跌落、a相电压减低至交流接触器释放电压以下时，A泵停机切换B泵起动。
5 结论
经过历年对晃电的探索和改造，已经从增加快切装置、调整变频器参数、启用再起动系统、投用并联电容器装置等方面提升系统的抗晃电能力，使晃电停机数量逐年下降。此次发生的110kV系统单相接地短路事件，造成较多数量低压电动机停运，给我们敲响警钟。通过此次改造，公司电气系统抗晃电能力得到了进一步加强，有效避免了晃电停机事件的发生。