一起機(jī)組異常甩負(fù)荷事故的分析與處理

（四川華電木里河水電開發(fā)有限公司，四川 西昌 615000）

0 引言

甩負(fù)荷是指發(fā)電機(jī)組突然卸掉部分或全部負(fù)荷的現(xiàn)象，甩負(fù)荷對(duì)發(fā)電機(jī)組的安全穩(wěn)定運(yùn)行影響很大。具體表現(xiàn)為：

（1）當(dāng)機(jī)組高負(fù)荷運(yùn)行時(shí)甩負(fù)荷，機(jī)組機(jī)端電壓的升高會(huì)對(duì)機(jī)組的絕緣性能產(chǎn)生不利影響。

（2）甩負(fù)荷時(shí)，在短時(shí)間內(nèi)機(jī)組轉(zhuǎn)速迅速升高，強(qiáng)大的離心作用會(huì)使機(jī)組及廠房發(fā)生強(qiáng)烈振動(dòng)，還可能會(huì)對(duì)機(jī)組轉(zhuǎn)動(dòng)部分及靜止部分造成破壞。

（3）甩負(fù)荷時(shí)，調(diào)速器動(dòng)作將導(dǎo)葉由運(yùn)行開度關(guān)至空載開度，這會(huì)在蝸殼內(nèi)產(chǎn)生正水錘，造成壓力上升；另一方面，如果是事故停機(jī)，導(dǎo)葉全關(guān)，會(huì)在轉(zhuǎn)輪室內(nèi)產(chǎn)生真空，如果向轉(zhuǎn)輪室補(bǔ)氣不足，尾水水流會(huì)倒灌進(jìn)轉(zhuǎn)輪室產(chǎn)生負(fù)水錘[1-2]。

1 事故概況

上通壩電站裝有3 臺(tái)80 MW 立式機(jī)組，發(fā)電機(jī)機(jī)端電壓13.8 kV。接線方式為：1F 機(jī)組采用發(fā)電機(jī)-變壓器單元接線，2F 和3F 機(jī)組采用發(fā)電機(jī)-變壓器擴(kuò)大單元接線，然后經(jīng)220 kV上卡線與卡基娃電站220 kV GIS 相連，再經(jīng)由卡基娃電站500 kV 送出線路與電網(wǎng)相連。上通壩電站主接線如圖1 所示。

2018 年5 月22 日，上通壩電站1F 和2F 機(jī)組熱備用，3F 機(jī)組運(yùn)行。9:00 開始與調(diào)度做AGC（自動(dòng)發(fā)電控制）聯(lián)調(diào)試驗(yàn)。10:00 左右，監(jiān)盤人員發(fā)現(xiàn)水機(jī)廊道照明消失，隨即中控室照明消失，緊接著3F 機(jī)組轉(zhuǎn)速迅速升高，幾秒后中控室照明恢復(fù)，有功功率突變導(dǎo)致單機(jī)AGC 退出，試驗(yàn)中止。當(dāng)即檢查事故記錄，發(fā)現(xiàn)最早2 條報(bào)文為：開關(guān)站220 kV 母線保護(hù)B 屏運(yùn)行異常、開關(guān)站220 kV 故障錄波啟動(dòng)動(dòng)作。在分析事故記錄判斷事故情況的過程中，3F 機(jī)組出口斷路器跳閘。

2 事故原因分析

2.1 檢查情況

事故記錄顯示3F 機(jī)組跳閘是因空冷器冷風(fēng)溫度過高所致，根據(jù)事故記錄和保護(hù)動(dòng)作情況，一方面組織人員對(duì)設(shè)備進(jìn)行檢查，另一方面聯(lián)系卡基娃電站了解情況?，F(xiàn)場(chǎng)檢查設(shè)備沒有發(fā)現(xiàn)明顯異常。聯(lián)系卡基娃電站得知，當(dāng)時(shí)卡基娃電站1F 機(jī)組與大壩生態(tài)機(jī)組運(yùn)行，10:15:57 卡基娃電站500 kV GISⅠ母保護(hù)動(dòng)作，卡里線跳閘，卡基娃電站1 號(hào)、4 號(hào)主變跳閘；10:16:06 卡基娃電站生態(tài)機(jī)組跳閘。

2.2 事故原因分析

這次事故中有2 點(diǎn)異常：3F 機(jī)組在甩負(fù)荷后繼續(xù)運(yùn)行發(fā)電，但廠用電消失；廠用電消失僅幾分鐘空冷器冷風(fēng)溫度就達(dá)到事故停機(jī)值。

2.2.1 廠用電消失原因分析

電力系統(tǒng)在正常穩(wěn)態(tài)運(yùn)行點(diǎn)受到擾動(dòng)后，如果負(fù)荷節(jié)點(diǎn)能夠穩(wěn)定在系統(tǒng)運(yùn)行范圍內(nèi)，則系統(tǒng)電壓穩(wěn)定；如果故障發(fā)生后平衡點(diǎn)超出系統(tǒng)運(yùn)行限制范圍，則將發(fā)生電壓崩潰。

圖1 電站主接線

引起電壓不穩(wěn)定的擾動(dòng)大致分為兩類：由負(fù)荷連續(xù)增長引起的維持靜態(tài)電壓的系統(tǒng)能力的喪失；由發(fā)電機(jī)跳閘、輸電線路短路等大擾動(dòng)引起的電壓不穩(wěn)定現(xiàn)象[3-5]。從此次事故前后的情況來看，可以確定是卡基娃電站500 kV GIS 發(fā)生了短路或接地故障，卡里線跳閘造成上通壩電站3F 機(jī)組甩負(fù)荷?？ɑ揠娬臼鹿仕斐傻臄_動(dòng)，破壞了無功平衡，使得系統(tǒng)的無功功率出現(xiàn)了較大缺額，由于是區(qū)外故障，所以上卡線線路保護(hù)并未動(dòng)作跳開上通壩電站出線斷路器。從圖2—圖5 中可以看出，3F 機(jī)組增加勵(lì)磁電流后，3F 機(jī)組無功功率迅速升高，之后由于3F 機(jī)組甩負(fù)荷，轉(zhuǎn)速迅速升高，與此同時(shí)勵(lì)磁電流、電壓維持不變。正常情況下，機(jī)組甩負(fù)荷后，機(jī)組轉(zhuǎn)速上升，機(jī)組機(jī)端電壓會(huì)瞬時(shí)升高，此時(shí)勵(lì)磁調(diào)節(jié)器應(yīng)該迅速動(dòng)作減小勵(lì)磁，以維持機(jī)端電壓在原值或額定值。但實(shí)際情況是3F 機(jī)組轉(zhuǎn)速迅速升高的同時(shí)，勵(lì)磁電流、電壓卻維持不變?？ɑ揠娬?00 kV GIS 發(fā)生故障后，雖然保護(hù)動(dòng)作切除了故障，但造成上卡線、上通壩電站的無功功率出現(xiàn)較大缺額。為了維持上通壩電站3F 機(jī)組機(jī)端電壓，3F 機(jī)組過勵(lì)，增發(fā)無功。但3F 機(jī)組機(jī)端電壓并沒有升高，而是在繼續(xù)下降。系統(tǒng)電壓的高低與無功功率有關(guān)。從圖2—圖5 可以看出，3F 機(jī)組提供的無功已經(jīng)達(dá)到極限，無力提供更多的無功以穩(wěn)定電壓，于是出現(xiàn)3F 機(jī)組在轉(zhuǎn)速上升的同時(shí)，勵(lì)磁維持不變的情況。

電壓降低會(huì)對(duì)電站低壓電氣設(shè)備造成影響，具體表現(xiàn)為：

（1）400 V 進(jìn)線斷路器會(huì)因?yàn)槭罕Ｗo(hù)動(dòng)作而跳閘。

（2）交流接觸器在額定電壓80%時(shí)能保證可靠吸合，其釋放電壓為額定電壓的20%～70%，當(dāng)電壓低于設(shè)備交流接觸器可靠吸合電壓時(shí)，設(shè)備控制回路交流接觸器便會(huì)跳閘，導(dǎo)致設(shè)備停運(yùn)。

（3）軟啟裝置失壓保護(hù)動(dòng)作，導(dǎo)致電機(jī)停運(yùn)[6-8]。根據(jù)事故記錄10:15:58 3F 機(jī)組電壓低于額定電壓的85%，10:16:00 廠用電消失，10:16:06 3F 機(jī)組電壓降至額定電壓的10%。

10 kVⅡ母電壓降低導(dǎo)致廠變低壓側(cè)電壓降低，影響低壓側(cè)運(yùn)行。低壓側(cè)電壓隨著10 kVⅡ母電壓的降低而持續(xù)降低，直至降低到廠用400 V進(jìn)線斷路器因失壓保護(hù)動(dòng)作跳閘，致使廠用電消失。

圖2 事故后機(jī)組及出線電壓

圖3 3F 機(jī)組轉(zhuǎn)子電流與勵(lì)磁電壓

圖4 3F 機(jī)組轉(zhuǎn)速

2.2.2 3F 機(jī)組空冷器冷風(fēng)溫度過高原因分析

圖5 3F 機(jī)組功率

發(fā)電機(jī)組運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)冷卻水中斷，一般都會(huì)出現(xiàn)因軸瓦溫度過高而報(bào)警的情況。但這次事故中，直到3F 機(jī)組停機(jī)都沒有出現(xiàn)各導(dǎo)軸承軸瓦溫度過高的情況，3F 機(jī)組在廠用電消失2 min 左右空冷器冷風(fēng)溫度就達(dá)到報(bào)警值（45 ℃），在之后的1 min 內(nèi)達(dá)到事故停機(jī)值（50 ℃）。

查詢機(jī)組運(yùn)行記錄后發(fā)現(xiàn)電站各機(jī)組風(fēng)洞內(nèi)溫度都存在偏高的情況，在氣溫較高或負(fù)荷較重時(shí)，曾多次出現(xiàn)空冷器熱風(fēng)溫度達(dá)到報(bào)警值的情況。查閱相關(guān)資料后發(fā)現(xiàn)，風(fēng)洞內(nèi)溫度高與機(jī)組空冷器冷卻水管路未全開以及電站的技術(shù)供水系統(tǒng)有關(guān)。

該電站各機(jī)組空冷器冷卻水管路閥門僅開了1/3，原因是當(dāng)初機(jī)組調(diào)試時(shí)發(fā)現(xiàn)：機(jī)組空冷器冷卻水管路全開時(shí)，機(jī)組空冷器冷卻水流量、壓力滿足要求，但各導(dǎo)軸承的冷卻水流量、壓力不達(dá)標(biāo)。經(jīng)過調(diào)整將機(jī)組空冷器冷卻水管路閥門僅開啟1/3，機(jī)組空冷器以及各導(dǎo)軸承冷卻水流量、壓力達(dá)標(biāo)。

技術(shù)供水方式可大致分為一次供水與循環(huán)供水2 種方式。一次供水方式適用于河水水質(zhì)較好的電站，其直接從壓力鋼管、頂蓋、尾水等處取水，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，效率高。在水質(zhì)較差的地區(qū)，尤其是在汛期，泥沙、樹葉等雜物進(jìn)入管道，會(huì)造成技術(shù)供水系統(tǒng)供水量減少，水壓降低，嚴(yán)重影響機(jī)組冷卻效果，這種情況下就適合采用循環(huán)供水方式，這種供水方式常見于燈泡貫流式機(jī)組和一些河道原水水質(zhì)較差的立式機(jī)組[9]。

上通壩電站技術(shù)供水系統(tǒng)設(shè)有2 種取水方式，主用為循環(huán)供水方式，備用為頂蓋取水方式，2 種方式通過電動(dòng)三通閥進(jìn)行切換。相較于一次供水，循環(huán)供水方式冷卻水密閉循環(huán)，重復(fù)利用，不受河水水質(zhì)影響，保證了空冷器不易結(jié)垢，方便運(yùn)行維護(hù)[10-12]。由于河水與二次冷卻水存在溫度梯度，而且熱交換效率不可能達(dá)到100%，所以循環(huán)供水方式相較于一次供水，冷卻水水溫略高[13-14]。上通壩電站所處位置，夏季河水最高月（6 月）平均水溫在15 ℃左右。技術(shù)供水?dāng)?shù)據(jù)（8 月測(cè)量數(shù)據(jù)）如表1、表2 所示。

表1 技術(shù)供水?dāng)?shù)據(jù)（15:25 時(shí)測(cè)量值，河水溫度13.1℃）

表2 技術(shù)供水?dāng)?shù)據(jù)（16:05 時(shí)測(cè)量值，河水溫度13.8℃）

按照設(shè)計(jì)要求，循環(huán)冷卻器應(yīng)有足夠冷卻余量以保證機(jī)組冷卻水溫度低于25℃。夏季機(jī)組在正常出力范圍內(nèi)帶高負(fù)荷時(shí)，各導(dǎo)軸承振擺均在正常范圍內(nèi)，但各導(dǎo)軸承溫度均偏高。經(jīng)計(jì)算證實(shí)，循環(huán)冷卻器的散熱面積不夠，河水溫度在14～15 ℃時(shí)無法達(dá)到設(shè)計(jì)要求，當(dāng)河水溫度在12～13 ℃時(shí)才能保證達(dá)到設(shè)計(jì)要求，可見循環(huán)冷卻器冷卻能力不足是導(dǎo)致機(jī)組運(yùn)行溫度偏高的根本原因。

頂蓋取水方式不消耗額外的水能，通過止漏環(huán)間隙的水，水質(zhì)已經(jīng)相當(dāng)清潔，不需要再進(jìn)行過濾。頂蓋取水方式的缺點(diǎn)就是在水頭較低時(shí)，機(jī)組空載或低負(fù)荷運(yùn)行，技術(shù)供水流量及水壓較低，不一定能滿足機(jī)組運(yùn)行要求；在高水頭情況下水壓較高，壓力變化較大[15]，而頂蓋水壓過高會(huì)增大主軸密封漏水量以及造成自然補(bǔ)氣失敗。所以頂蓋取水方式需在測(cè)得流量和壓力滿足要求后才可投入使用。由于并未對(duì)頂蓋取水方式進(jìn)行過試驗(yàn)，不清楚水壓及水量波動(dòng)的具體情況，所以一直使用循環(huán)供水方式而沒有使用頂蓋取水方式。

機(jī)組空冷器冷卻水管路未全開和循環(huán)冷卻器冷卻能力不足共同造成了風(fēng)洞內(nèi)溫度偏高，加上這次事故中機(jī)組過勵(lì)導(dǎo)致轉(zhuǎn)子繞組溫度升高，而冷卻水中斷使得不斷增長的熱量積聚于風(fēng)洞內(nèi)無法被帶出，所以3F 機(jī)組空冷器冷風(fēng)溫度在短短幾分鐘內(nèi)就上升至事故停機(jī)值，造成3F 機(jī)組因空冷器冷風(fēng)溫度過高而跳閘停機(jī)。

3 事故處理

先斷開上卡線斷路器以及2 號(hào)主變高壓側(cè)斷路器。為了確定甩負(fù)荷后，3F 機(jī)組與2 號(hào)主變是否存在問題，先對(duì)3F 機(jī)組定子、轉(zhuǎn)子部分以及2號(hào)主變進(jìn)行檢查，經(jīng)檢查一切正常；隨后對(duì)3F機(jī)組以及2 號(hào)主變做零起升壓試驗(yàn)，經(jīng)試驗(yàn)檢查一切正常；最后由3F 機(jī)組帶廠用電，待卡基娃電站事故處理完畢后并網(wǎng)發(fā)電。

要解決機(jī)組運(yùn)行溫度偏高的問題，最直接的辦法是采用備用的頂蓋取水方式對(duì)機(jī)組進(jìn)行冷卻，但由于從未使用過此種方式，還需做頂蓋取水試驗(yàn)，根據(jù)機(jī)組在各種情況下的運(yùn)行數(shù)據(jù)來確定能否使用頂蓋取水方式。若頂蓋取水方式無法滿足機(jī)組運(yùn)行要求，只能使用循環(huán)供水方式，則需要等到枯水期檢修時(shí)更換冷卻容量符合要求的循環(huán)冷卻器，或者在原有冷卻器基礎(chǔ)之上進(jìn)行技術(shù)改造增設(shè)冷卻器。目前只有通過打開風(fēng)洞門的方式加強(qiáng)散熱。

4 防范措施

此次事故中如果處置得當(dāng)完全能夠避免事故的發(fā)生，但由于人員能力不足，加之設(shè)備原因致使留給運(yùn)行、維護(hù)人員處置的時(shí)間不足，導(dǎo)致了事故的發(fā)生。為防范卡基娃電站再次出現(xiàn)類似事故，上通壩電站做了兩方面準(zhǔn)備。一是人員方面，加強(qiáng)人員培訓(xùn)，針對(duì)這次事故編寫事故預(yù)案，以供今后應(yīng)對(duì)此類事故參考。二是設(shè)備方面，暫時(shí)通過打開風(fēng)洞門的方式加強(qiáng)散熱，降低機(jī)組運(yùn)行溫度。

5 結(jié)語

此次甩負(fù)荷事故是由于外部故障引起，最終因3F 機(jī)組空冷器冷風(fēng)溫度過高造成事故停機(jī)。通過此次上通壩電站3F 機(jī)組甩負(fù)荷事故中廠用電消失過程的回顧和3F 機(jī)組空冷器冷風(fēng)溫度過高原因的分析，給出相應(yīng)處置方法和防范措施，可供其他電廠解決類似問題借鑒參考。