小灣水電站典型電氣事故隱患分析與解決方案

陳家恒，王 超，李燕云

（1.中國(guó)水電顧問(wèn)集團(tuán)昆明勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，云南 昆明 650051；

2.華能瀾滄江水電有限公司黃登大華橋水電工程籌建處，云南 怒江 671406）

1 工程概述

小灣水電站位于云南省南澗縣與鳳慶縣交界的瀾滄江中游河段，是國(guó)家西電東送的骨干電源點(diǎn)，電站裝設(shè)6臺(tái)單機(jī)容量為700 MW的立軸混流式水輪發(fā)電機(jī)組，總裝機(jī)容量4 200 MW，在系統(tǒng)中擔(dān)任調(diào)峰、調(diào)頻及事故備用任務(wù)。電站于1999年開(kāi)工建設(shè)，2009年9月首臺(tái)機(jī)組 （1號(hào)機(jī)組）投產(chǎn)發(fā)電，2010年8月隨著6號(hào)機(jī)組的投運(yùn)，電站6臺(tái)700 MW機(jī)組全部投入商業(yè)運(yùn)行。

小灣水電站以500 kV一級(jí)電壓接入云南電網(wǎng)，共6回出線，初期出線3回，另預(yù)留3回備用出線。電站發(fā)電機(jī)與主變壓器采用單元接線，發(fā)電機(jī)出口裝設(shè)發(fā)電機(jī)斷路器，發(fā)電電壓母線采用離相封閉母線，500 kV系統(tǒng)采用4/3接線的GIS設(shè)備，每串GIS設(shè)備接有兩回發(fā)變組進(jìn)線單元和一回線路出線，6組發(fā)電機(jī)－變壓器單元及3回出線分別接在3串500 kV GIS設(shè)備上，后期擴(kuò)建時(shí)將增加1串用于3回出線的4/3接線串。500 kV GIS與主變壓器之間采用高壓干式電纜連接。

2 調(diào)速器頻率異常顯示及處理措施

2009年8月17日小灣水電站1號(hào)機(jī)組尾水管首次充水，8月23日完成了首次啟動(dòng)試驗(yàn)。其后，至2009年9月19日分別完成了規(guī)范規(guī)定的各項(xiàng)機(jī)械試驗(yàn)、電氣試驗(yàn)、并網(wǎng)特殊試驗(yàn)，在此期間根據(jù)發(fā)電水頭情況完成了機(jī)組部分型式試驗(yàn)。各試驗(yàn)項(xiàng)目共45項(xiàng)，歷時(shí)33 d。

2.1 異常現(xiàn)象及初步分析

2009年8月31日準(zhǔn)備做1號(hào)機(jī)組自動(dòng)開(kāi)停機(jī)試驗(yàn)時(shí)，機(jī)組還處于停機(jī)狀態(tài)，但調(diào)速器電氣控制柜現(xiàn)地顯示屏上卻發(fā)現(xiàn)存在機(jī)組頻率為20 Hz的異常顯示。此異常頻率長(zhǎng)時(shí)間存在，既不跳變、也不閃變，比較穩(wěn)定?，F(xiàn)場(chǎng)對(duì)調(diào)速器進(jìn)行了認(rèn)真的檢查，沒(méi)有在調(diào)速器上查找到故障原因。在排除了調(diào)速器電氣控制柜本身發(fā)生故障的可能性后，認(rèn)為調(diào)速器可能從外部采集到了20 Hz的干擾信號(hào)，而且這個(gè)干擾信號(hào)源一直穩(wěn)定存在。

經(jīng)過(guò)對(duì)相關(guān)系統(tǒng)和設(shè)備的分析研究，發(fā)現(xiàn)小灣水電站發(fā)電機(jī)定子繞組中性點(diǎn)經(jīng)過(guò)單相變壓器高阻接地，在發(fā)電機(jī)變壓器組保護(hù)A柜配置了20 Hz低頻交流注入式定子接地保護(hù)。此定子接地保護(hù)輔助電源裝置產(chǎn)生頻率為20±0.2 Hz、電壓幅值約為25 V的方波，經(jīng)20 Hz帶通濾波器將20 Hz方波信號(hào)進(jìn)行整形濾波，形成20 Hz正弦交流信號(hào)，通過(guò)接地變壓器的二次側(cè)注入到發(fā)電機(jī)定子繞組中，供保護(hù)測(cè)量使用。外加20 Hz注入式發(fā)電機(jī)定子接地保護(hù)接線示意如圖1所示。

圖1 發(fā)電機(jī)定子接地保護(hù)接線示意

小灣水電站水輪機(jī)調(diào)速器采用兩種測(cè)頻原理，即齒盤(pán)測(cè)頻和PT（電壓互感器）殘壓測(cè)頻。運(yùn)行時(shí)可任選一種測(cè)頻信號(hào)為主用、另一種為備用，當(dāng)主用信號(hào)故障或消失而備用信號(hào)正常時(shí)，會(huì)自動(dòng)切換到備用測(cè)頻信號(hào)。

調(diào)速器的殘壓測(cè)頻信號(hào)取自機(jī)端專用測(cè)頻PT二次電壓的Uac，且檻值電壓為0.2 V。經(jīng)接地變壓器二次側(cè)注入到發(fā)電機(jī)定子繞組中的20 Hz正弦交流信號(hào)，在發(fā)電機(jī)定子三相繞組上產(chǎn)生相應(yīng)的感應(yīng)電壓信號(hào)，這個(gè)感應(yīng)電壓信號(hào)通過(guò)發(fā)電機(jī)的機(jī)端測(cè)頻PT進(jìn)入調(diào)速器的測(cè)頻回路。正常情況下，在發(fā)電機(jī)定子A、B、C三相繞組上產(chǎn)生的20 Hz感應(yīng)電壓信號(hào)其幅值、相位完全相等，即UAN=UBN=UCN，所以在停機(jī)工況下調(diào)速器測(cè)頻回路應(yīng)得到Uac=Uan-Ucn=0，不會(huì)有20 Hz的錯(cuò)誤信號(hào)顯示。由此，初步判斷為調(diào)速器專用測(cè)頻PT A相或C相存在接地或開(kāi)路故障，使Uac不為0且超出檻值電壓導(dǎo)致調(diào)速器顯示異常頻率信號(hào)。

2.2 現(xiàn)場(chǎng)檢驗(yàn)及故障排除

在現(xiàn)場(chǎng)停機(jī)工況下對(duì)調(diào)速器專用測(cè)頻PT柜一次進(jìn)線電壓 (即發(fā)電機(jī)定子繞組電壓)進(jìn)行了測(cè)量，測(cè)量結(jié)果為UAN=UBN=UCN=42 V，UAB=UAC=UBC=0。再對(duì)殘壓測(cè)頻PT的二次回路進(jìn)行檢測(cè)，Uan=Ubn=Ucn=0.23 V，Uab=Uac=0.23 V，而Ubc=0.008 V，同時(shí)發(fā)現(xiàn)A相PT的一次側(cè)中性點(diǎn)對(duì)地電壓為42 V。由此判斷為測(cè)頻PT的A相一次側(cè)中性點(diǎn)觸指接觸不良，從而導(dǎo)致了專用測(cè)頻PT二次側(cè)線電壓不平衡。由于測(cè)頻殘壓Uac=0.23 V，超過(guò)了調(diào)速器測(cè)頻回路0.2 V的檻值電壓，所以造成了停機(jī)狀態(tài)下調(diào)速器顯示機(jī)組頻率為20 Hz的錯(cuò)誤信號(hào)。

經(jīng)過(guò)對(duì)專用測(cè)頻PT的A相觸指進(jìn)行處理和調(diào)校后，再對(duì)PT的二次回路電壓進(jìn)行測(cè)量，測(cè)量結(jié)果為：Uan=Ubn=Ucn=0.23 V，Uab=Uac=Ubc=0.008 V，同時(shí)調(diào)速器顯示的機(jī)組頻率為0，至此，調(diào)速器頻率信號(hào)顯示異常的故障被消除。

3 正常停機(jī)時(shí)過(guò)速保護(hù)誤動(dòng)作及處理措施

3.1 故障現(xiàn)象

2009年9月2日主變高壓側(cè)單相接地試驗(yàn)時(shí)，發(fā)變組保護(hù)動(dòng)作跳滅磁開(kāi)關(guān)之后，電氣過(guò)速保護(hù)裝置誤動(dòng)引起事故停機(jī)。在后來(lái)的機(jī)組自動(dòng)開(kāi)停機(jī)流程的調(diào)試中，又發(fā)生了幾次相同的故障。觀察發(fā)現(xiàn)，這種故障不是每次停機(jī)過(guò)程都會(huì)發(fā)生，但基本上都是在滅磁開(kāi)關(guān)跳閘之后才會(huì)發(fā)生。由于故障次數(shù)較多，認(rèn)為由偶發(fā)性的外部干擾源引起的可能性較小，而由系統(tǒng)內(nèi)部永久故障引發(fā)的可能性較大。

由于機(jī)端專用測(cè)頻PT觸指接觸不良已經(jīng)導(dǎo)致了調(diào)速器的錯(cuò)誤顯示，初步懷疑機(jī)端測(cè)速PT的觸指也接觸不良，誤發(fā)電氣過(guò)速保護(hù)裝置動(dòng)作信號(hào)，使機(jī)組進(jìn)行事故停機(jī)。小灣水電站機(jī)組電氣過(guò)速保護(hù)裝置采用兩路測(cè)速信號(hào)源，即齒盤(pán)測(cè)速信號(hào)和PT殘壓測(cè)速信號(hào)。兩路信號(hào)互為備用，主用信號(hào)源消失后能夠自動(dòng)切換到備用信號(hào)源。電氣過(guò)速保護(hù)裝置的主用信號(hào)源為測(cè)速PT殘壓信號(hào)，轉(zhuǎn)速信號(hào)裝置為南瑞公司生產(chǎn)的SJ-22，其工作電壓信號(hào)幅值范圍為 0.2～250 V。

3.2 測(cè)頻PT殘壓不平衡導(dǎo)致電氣過(guò)速信號(hào)產(chǎn)生的原理分析

發(fā)電機(jī)滅磁開(kāi)關(guān)跳閘之后，測(cè)得發(fā)電機(jī)定子繞組的殘壓UAB=62.88 V，UAC=62.85 V，UBC=62.86 V，換算成相電壓UAN=UBN=UCN=36.3 V，經(jīng)計(jì)算，PT二次電壓為0.201 V，正好超過(guò)轉(zhuǎn)速信號(hào)裝置0.2 V的檻值電壓。

圖2 注入20 Hz信號(hào)疊加仿真

定子一點(diǎn)接地保護(hù)注入的20 Hz電壓信號(hào)在發(fā)電機(jī)定子三相繞組上感應(yīng)的電壓為：UAN=UBN=UCN=42 V，UAB=UAC=UBC=0 V。測(cè)速PT二次側(cè)得到的20 Hz信號(hào)電壓為0.233 V，超過(guò)了轉(zhuǎn)速信號(hào)裝置0.2 V的檻值電壓，此兩電壓信號(hào)的幅值比較接近、相差不大，并且經(jīng)疊加后輸出。為了方便分析，把發(fā)電機(jī)的殘壓信號(hào)作為基準(zhǔn)，用20 Hz注入信號(hào)進(jìn)行疊加仿真，如圖2。

從圖2可以看出，疊加后的波形發(fā)生了崎變，使得測(cè)速裝置得到的方波寬度也發(fā)生了嚴(yán)重的崎變，3種情況中都產(chǎn)生了寬度較窄的方波脈沖 “P”。從轉(zhuǎn)速信號(hào)裝置的測(cè)速原理知道，轉(zhuǎn)速與方波脈沖的寬度成反比。由此可見(jiàn)，此寬度較窄的方波脈沖“P”即為導(dǎo)致停機(jī)過(guò)程中發(fā)生電氣過(guò)速保護(hù)裝置誤動(dòng)引起事故停機(jī)的原因。

在機(jī)組正常運(yùn)行時(shí)，發(fā)電機(jī)定子繞組的電壓UAB=18 kV，UAC=18 kV，UBC=18 kV，PT二次線電壓幅值100 V、相電壓幅值57.735 V，大約是20 Hz定子一點(diǎn)接地保護(hù)注入信號(hào)幅值0.233 V的250倍，幅值相差太大，20 Hz注入信號(hào)產(chǎn)生的干擾電壓被發(fā)電機(jī)電壓包絡(luò)，因此，正常運(yùn)行時(shí)電氣過(guò)速保護(hù)裝置不會(huì)發(fā)生誤動(dòng)。

3.3 故障處理及預(yù)防措施

從電氣二次專業(yè)的設(shè)計(jì)方案上可看出，調(diào)速器的殘壓測(cè)頻信號(hào)和電氣過(guò)速保護(hù)裝置的測(cè)頻信號(hào)分別從發(fā)電機(jī)機(jī)端的兩組PT柜取得。這說(shuō)明不僅用于調(diào)速器殘壓測(cè)頻PT柜的觸指接觸不良，而且用于電氣過(guò)速保護(hù)裝置測(cè)速PT柜的觸指也存在接觸不良的缺陷。

PT柜廠家根據(jù)我們的事故分析和要求，對(duì)產(chǎn)品性能及結(jié)構(gòu)進(jìn)行了認(rèn)真的分析和改進(jìn)，并更換了1號(hào)機(jī)組及后續(xù)機(jī)組所有PT柜的觸指和觸頭。

為了更加安全，經(jīng)過(guò)現(xiàn)場(chǎng)研究決定，在電站計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)的控制流程中，對(duì)電氣過(guò)速保護(hù)的事故停機(jī)信號(hào)設(shè)置了2 s的延時(shí)，以減小信號(hào)受干擾誤動(dòng)的可能性。在隨后1號(hào)機(jī)組及其他后續(xù)機(jī)組的調(diào)試過(guò)程中，再也沒(méi)有發(fā)生電氣過(guò)速保護(hù)裝置誤動(dòng)引起事故停機(jī)的故障。