一起發(fā)電機出口隔離開關(guān)合閘故障分析及思考

王 強，王德軍，李長泉

(中國長江電力股份有限公司溪洛渡水力發(fā)電廠，云南 永善 657300)

隔離開關(guān)是電力系統(tǒng)中常見的電氣設(shè)備。其主要作用主要在分閘后，建立可靠的絕緣間隙，將檢修設(shè)備與電源以一個明顯的斷開點隔開，以保證檢修人員和設(shè)備的安全。隔離開關(guān)分閘不到位，若此時合上相應(yīng)地刀將會導(dǎo)致嚴(yán)重的安全事故，同時也會對人員設(shè)備安全造成危害。隔離開關(guān)合閘不到位，則會造成刀閘觸頭發(fā)熱，影響載流性能，或者造成設(shè)備缺相運行，嚴(yán)重時甚至?xí)鸬堕l間隙放電，導(dǎo)致弧光接地短路等嚴(yán)重事故，損害設(shè)備，影響電力系統(tǒng)的穩(wěn)定運行[1]。隔離開關(guān)動作后，確定其是否分合閘到位，是保證隔離開關(guān)安全運行的重要保障。

1 故障經(jīng)過

1.1 事故前發(fā)電機運行工況

某電站電氣主接線為4/3接線和3/2接線，11號發(fā)電機采用20 kV單元接線，發(fā)電機出口開關(guān)使用瑞士ABB公司生產(chǎn)的HEC8型GCB成套裝置，包括出口開關(guān)211、隔離刀閘2111、接地刀閘2117和21117。11號發(fā)電機通過11號主變11B將電壓由20 kV升至500 kV接入4/3電氣主接線系統(tǒng)；10 kV廠用電系統(tǒng)電源取自主變低壓側(cè)，通過廠用變壓器將電壓降至10 kV，然后經(jīng)過開關(guān)接入10 kV母線。11號發(fā)電機單元接線如圖1。

圖1 11號機組單元接線圖

1.2 事故經(jīng)過

2019-02-20T08:10:26，運行值班人員在監(jiān)控系統(tǒng)遠(yuǎn)方合上11F機組GCB出口刀閘2111，于08時11分31秒發(fā)令11F機組開機至并網(wǎng)。08時15分40秒，11號機發(fā)電機出口開關(guān)211合閘，機組并網(wǎng)。監(jiān)控系統(tǒng)顯示發(fā)電機定子三相電流基本平衡；8時16分09秒，監(jiān)控系統(tǒng)報警欄報“11F：B套發(fā)電機定子接地保護跳閘動作”、“11F：B套發(fā)電機保護動作停機動作”、“11F：電氣事故停機動作”等信號，檢查11號機發(fā)電機出口開關(guān)211分閘，11號機緊急停機流程啟動?，F(xiàn)場檢查11F定子接地保護范圍一次設(shè)備，發(fā)現(xiàn)2111刀閘B相處有灼燒痕跡，BC相間操作連桿脫落。

1.3 保護動作情況

該電站配置2套發(fā)電機保護，分別采用不同原理的定子一點接地保護。A套為低頻注入式定子一點接地保護，B套為基波零序電壓和三次諧波零序電壓定子一點接地保護。機組跳閘后檢查11F發(fā)電機B套保護裝置報“定子零序電壓”、“TJ3-跳閘出口3～TJ6-跳閘出口6”信號，柜面“跳閘”指示燈點亮；11F發(fā)電機A套保護裝置報“定子接地啟動”信號，無跳閘信號。初步斷定發(fā)電機定子至GCB外側(cè)CT間一次回路有接地故障。經(jīng)分析，3次故障啟動時刻的定子接地電阻測量值最低達(dá)到2 kΩ，僅小于裝置報警定值5 kΩ，未達(dá)到A套保護跳閘定值1 kΩ，且結(jié)合錄波分析，電壓實際有5次突變，但最長持續(xù)時間為0.3 s，未達(dá)到跳閘時間延時定值0.5s，故A套保護裝置僅報警，未發(fā)出跳閘。檢查B套發(fā)電機保護裝置動作情況，基波零序電壓定子接地保護動作出口，跳發(fā)電機出口211開關(guān)、滅磁、停機。B套發(fā)電機保護零序電壓定值為14.8 V，時間定值為0.3 s。故障時刻機端零序電壓達(dá)到95 V左右(錄波數(shù)據(jù))，最后1次閃絡(luò)接地持續(xù)時間達(dá)到0.3 s，隨即跳閘出口。

1.4 一次設(shè)備檢查情況

檢查11F風(fēng)洞內(nèi)無明顯異常，封閉母線及機端YH、中性點設(shè)備、勵磁變設(shè)備無明顯異常；檢查11F發(fā)電機出口2111刀閘C、B相間操作傳動機構(gòu)脫落，2111刀閘B相觀察窗有放電痕跡。

2 故障原因分析

2.1 GCB及隔離開關(guān)結(jié)構(gòu)

該電站發(fā)電機斷路器(GCB)布置在封閉母線(IPB)設(shè)備的中段，主要部件有斷路器、隔離開關(guān)、接地開關(guān)、沖擊保護電容、風(fēng)機、現(xiàn)地控制柜等，其結(jié)構(gòu)如圖2所示。GCB一般采用遠(yuǎn)方操作，現(xiàn)地不允許帶電操作。

圖2 GCB結(jié)構(gòu)圖

隔離開關(guān)采用臥式、管狀設(shè)計型空氣絕緣開關(guān)。在合閘位置時，動觸頭管與兩端的觸指嚙合。觸指在外殼周圍呈環(huán)形布置。驅(qū)動機構(gòu)通過滅弧室底座下方的操作連桿及外罩內(nèi)的齒輪驅(qū)動觸頭管動作。隔離開關(guān)只有一套操作機構(gòu)，和C相直接相連，三相機械聯(lián)動，驅(qū)動機構(gòu)如圖3所示。

圖3 隔離開關(guān)驅(qū)動機構(gòu)圖

在正常工作狀態(tài)下，隔離開關(guān)一般采用監(jiān)控遠(yuǎn)方操作，在設(shè)備檢修時,采用現(xiàn)地電動操作。

2.2 事故原因分析

2111隔刀合閘過程中，C相與B相之間的傳動連桿由于卡簧失效而脫落，如圖4。

圖4 隔刀連桿拐臂結(jié)構(gòu)圖

BC相間操作連桿脫離使A、B相操作機構(gòu)失去動力，造成A、B相隔刀動靜觸頭未完全合閘到位。A相隔刀部分動靜觸頭接觸較好，正常載流。B相隔刀動靜觸頭間存在毫米級的小間隙，當(dāng)機端電流升至2 kA時，電弧引起觸頭局部燒蝕。觸頭燃弧導(dǎo)致鋁制導(dǎo)體氣化，形成閃絡(luò)，導(dǎo)體對外殼5次間歇性電弧閃絡(luò)。在第5次閃絡(luò)過程中，機端零序電壓達(dá)到95V左右，持續(xù)時間0.3 s，基波零序電壓定子接地保護正常動作出口。

本次事故中，GCB閉鎖條件并未起到作用。雖然2111刀閘未完全合閘到位，但其電氣指示，機械指示均顯示合閘，滿足GCB合閘閉鎖條件，GCB合閘正常動作。

3 隔離開關(guān)位置確認(rèn)方法分析

1)檢查隔離刀閘操作機構(gòu)箱分合閘位置指示在“ON”位置。

2)檢查GCB現(xiàn)地控制柜上2111刀閘合閘指示燈點亮(紅色)，如圖5所示。

3)監(jiān)控人員檢查監(jiān)控系統(tǒng)畫面2111刀閘在合閘位置，檢查隔離開關(guān)“分/合位復(fù)位”“合/分位動作”信號正確動作，如圖6所示。

4)檢查GCB合閘后檢查定子三相電流、電壓基本平衡。從故障錄波圖7可以看出，并網(wǎng)后，三相電壓基本平衡，閃絡(luò)過程中，B相電壓降低，但持續(xù)時間短。并網(wǎng)后，機組帶負(fù)荷20 MW，定子電流較小。

圖7 故障錄波圖

5)該隔離開關(guān)本體位置可通過觀察窗查看，如圖8所示。觀察窗及連桿位于GCB下方，鑒于工作人員安全考慮，未要求檢查。本次事故來看，A、B相觸頭只有毫米級的小間隙，人員也不能有效鑒別[2-4]。

圖8 隔離開關(guān)本體位置圖

方法1，通過操作機構(gòu)機械指示，若機械傳動機構(gòu)異常，則指示不正確。方法2、3均是來源于裝設(shè)在操作機構(gòu)中的輔助接點。它只是實際位置一個間接反映，若輔助接點出現(xiàn)異常，反映出來也會是一個錯誤位置信號。方法4通過對電流、電壓等電氣量變化可以有效判斷隔離開關(guān)未動作或分合閘位置差距較大等情況，但也存在很大的局限性。對于此次只有較小間隙未合閘到位的情況，效果不明顯。方法5是最直觀的方法，但是也存在觀察位置不安全，距離較遠(yuǎn)，且肉眼判斷標(biāo)準(zhǔn)不一致等缺點。

4 改進(jìn)措施及建議

為有效杜絕隔離開關(guān)在運行過程中出現(xiàn)問題，可從以下幾個方面入手[5]。

4.1 加強設(shè)備技術(shù)改造

為解決發(fā)電機出口隔離開關(guān)動作位置異常風(fēng)險，必須加強技術(shù)改造，從源頭控制。

1)因隔離開關(guān)動作時，其操作結(jié)構(gòu)動作角度，行程基本為定量(由廠家提供或自己測算)，在A、B相傳動軸動作起止位置添加位置接點，可有效判斷三相機構(gòu)動作情況和刀閘分合位置。三相位置接點串聯(lián)后輸出，以實現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控操作機構(gòu)的三相分合狀態(tài)，并實現(xiàn)電氣聯(lián)鎖，保證三相位置聯(lián)動一致。根據(jù)該電站GIS刀閘三相位置微動開關(guān)改造方案，此種方法切實可行。

2)分析卡簧失效原因，改進(jìn)結(jié)構(gòu)，從根本上防止傳動機構(gòu)故障。

3)在隔離開關(guān)本體位置觀察窗處，加裝高清攝像頭，接入現(xiàn)有圖像監(jiān)控系統(tǒng)。開關(guān)操作后能及時檢查動作情況，縮短操作時間，提高工作效率，同時減少人員進(jìn)出不安全位置時間。

4.2 加強設(shè)備維護管理

設(shè)備檢修時，檢查機械結(jié)構(gòu)無松動、裂紋，保障其結(jié)構(gòu)正常；檢查電氣回路繼電器、接觸器等電氣元件和電氣聯(lián)鎖回路正常，保證設(shè)備動作正確性。

4.3 加強設(shè)備運行管理

通過本次事故總結(jié)，在發(fā)電機開機過程及日常巡檢時，加強發(fā)電機出口隔離開關(guān)機械連桿、卡簧檢查[6]，現(xiàn)場值守人員檢查刀閘本體實際位置動作情況后，再發(fā)令開機并網(wǎng)。此種方法雖能有效減少分合閘不到位時繼續(xù)操作的風(fēng)險事故發(fā)生，但是工作效率較低。水電機組又承擔(dān)電網(wǎng)調(diào)峰任務(wù)而頻繁快速啟停，若調(diào)度緊急下令開機時，可能因時間延誤被考核。在現(xiàn)場少人值守或無人值班以及電站智能化發(fā)展趨勢下，無法作為長效機制進(jìn)行。在設(shè)備技術(shù)改造完成前，可臨時采用此方法，保證設(shè)備安全運行。

5 結(jié) 語

判斷刀閘的位置狀態(tài)成為運行人員后續(xù)操作的關(guān)鍵，一旦分合閘不到位繼續(xù)操作，很容易造成停電事件，影響電網(wǎng)的穩(wěn)定性。將以上各種方法綜合起來，相互補充，克服單一方法存在的缺點和不足，多方面準(zhǔn)確判斷刀閘的位置狀態(tài)，這樣才能在增強自動化水平，減輕人員勞動強度，提高工作效率的同時，保證運行人員判斷隔離開關(guān)位置的正確性，減少操作風(fēng)險，保證設(shè)備的安全可靠運行。