F-C組合回路電動機熔斷器故障原因分析及處理措施

朱煥杰

湛江港(集團)股份有限公司

1 引言

高壓供電系統中,F-C(Fuse-Contactor,高壓限流熔斷器-真空接觸器)組合回路應用廣泛。真空接觸器能承受頻繁的分、合閘操作循環,具有優越的技術經濟性能,特別適合用于電動機、變壓器等電氣設備的控制和保護。熔斷器作為短路保護,當設備故障時,靠熔斷器熔斷來切斷回路大電流。但是,當熔斷器選型不合適或使用不當時,會失去應有的保護功能。

2 事故經過及原因分析

2.1 事故經過

某港口碼頭裝、卸船流程皮帶線高壓電機電源開關采用F-C方式,供電單線示意圖見圖1。某日通過中控啟動流程,2#皮帶機未能正常啟動,對設備進行檢查發現高壓皮帶機出線柜接觸器室觀察窗玻璃已碎裂,保護裝置無故障動作指示,上級斷路器F01開關跳閘,斷路器柜保護裝置顯示一段過流動作,動作電流約2 800 A。

圖1 供電單線示意圖

對皮帶機高壓電機、高壓出線電纜進行檢測,未發現異常。檢查皮帶機出線柜高壓接觸器小車時,發現C相高壓限流熔斷器炸開,撞針未彈出,且三相熔斷器管體表面均有高溫烤灼現象,接觸器小車上觸頭均有燒熔痕跡。通過對上級斷路器F01開關保護裝置錄播文件進行分析,故障過程為C相電流先增大,然后BC相發生相間短路。

2.2 事故原因分析

2.2.1 復核熔斷器選型

該皮帶機高壓出線柜接觸器小車熔斷器型號為:SFMAJ-12 kV 100 A;現場電機型號為:YKK 500-4 WF2,10 kV,560 kW,39.9 A,啟動時間平均為4 s;接觸器型號:ABB VSC/P12 400 A,短路開斷能力4 000 A。

熔斷器的額定電流應避開電動機啟動電流,因無熔斷器電流選擇曲線,直接啟動的電動機其熔斷器額定電流按下式計算,再根據熔斷器安裝和使用環境進行降容后的修正[1]:

Iy=NI滿K

(1)

式中,N為電動機啟動電流與電動機滿載電流之比,此處取6;I滿為電動機滿載電流;K與電動機啟動頻率有關的系數,按表1中數據選取,此處取1.7。

熔斷器管內充滿石英砂,電動機啟動時,熔件上產生的熱量散發很慢,若短時間內多次啟動,熱量會積聚,使得熔件可能在下一次啟動中軟化或熔斷。除最初兩次連續啟動,高壓電動機每小時啟動次數要求有均勻的間隔[2]。根據《電氣裝置安裝工程旋轉電機施工及驗收規范》規定:交流電動機帶負荷啟動次數應符合產品技術條件要求;當無要求時,則應符合下列規定:冷態可啟動2次,每次間隔時間不得小于5 min,熱態可啟動1次。當處理事故或啟動時間不超過2～3 s時,可再啟動1次。

設備采用鎧裝式封閉柜,考慮散熱因素,熔斷器額定電流應降容修正[3]。計算得Iy=407 A,將此值與啟動時間4 s代入熔斷器時間-電流特性曲線(見圖2),最靠近交點右側的曲線額定電流值為100 A?？紤]環境溫度(降容2%)和安裝因素(降容10%),修正后的熔斷器額定電流值為113 A,現用熔斷器額定電流值偏小,應改為125 A。依據圖2,額定電流125 A的熔斷器4 s時的過載電流為441 A,大于電動機啟動電流239 A,滿足使用要求。

圖2 熔斷器時間-電流特性曲線

2.2.2 復核保護裝置定值

該皮帶機出線柜電流互感器變比為75∶5,電機額定電流Ie為39.9 A,電機啟動中的速斷電流值為10Ie,啟動后的速斷電流值為7Ie,速斷延時0.1 s;過流電流值為2Ie,延時25 s;FC閉鎖電流定為15Ie。

根據熔斷器時間-電流特性曲線,125 A熔斷器在電流達到1 040 A時,熔斷時間為0.1 s,接觸器極限開斷電流(4 000 A)下熔斷是毫秒級,可以認為是瞬時速斷,可保證高壓接觸器不會開斷于其極限電流之上。熔斷器資料說明125 A熔斷器最小開斷能力為875 A,故電動機閉鎖電流保護定值偏小,同時考慮CT飽和影響,取值改為20Ie。電機啟動時間平均為4 s,過流保護延時25 s,延時過長。

2.2.3 查詢皮帶機運行狀況

該皮帶機用于運送鐵礦石,且運行為爬坡段。經查詢變電所電力監控系統后臺記錄發現,流程平時運行過程中存在急停情況,皮帶上會積聚大量鐵礦石,此時皮帶機重載啟動,過流保護會動作,接觸器合閘后又跳閘;中控人員會在短時間內(最短時間隔1 min)再次合閘接觸器,造成高壓接觸器連續多次分合閘。

同時,監控記錄顯示該高壓出線柜曾經報熔斷器熔斷,原因為電纜或電機短路故障造成A相、B相高壓限流熔斷器熔斷,解決方案只是更換故障熔斷器,并未三相一起更換。

根據以上分析,認定故障原因為:該皮帶機出線柜以往運行過程中發生過出線電纜、電機短路故障,當時只是將故障的A、B相熔斷器更換,C相熔斷器未更換;且由于生產操作原因,皮帶流程急停后,重載啟動時過流保護動作跳閘,多次連續短時間內熱態啟動,造成熔斷器內部存在隱傷。本次皮帶機啟動時,熔斷器未能熔斷,造成管體炸開,后引起B、C相相間短路。

3 解決方案

(1)規范生產操作流程。要求生產操作人員在流程(重載)發生急停5 min后方可再次啟動皮帶機;如果皮帶機過流保護動作,無法啟動,應對皮帶上貨物進行減載后方可再次啟動,兩次啟動時間間隔不少于10 min。

(2)更換熔斷器及調整保護定值。高壓電流熔斷器額定值偏小,改為額定電流值為125 A的熔斷器;皮帶機過流保護定值延時時間過長,改為10 s,電動機閉鎖電流定值調整為20Ie。

(3)熔斷器損傷后不能自行恢復,按照IEC60282-1的規定,即使3相系統中只有1相或2相的熔斷器動作,則3只熔斷器都必須更換,除非經證明該熔斷器沒有承受過任何過電流。

4 結語

F-C回路中熔斷器作為負載保護的重要手段,其合理選擇和使用對設備安全運行、減少系統故障具有重要作用。通過分析電機啟動條件,方能合理對熔斷器進行選型,確保生產安全。