抽水蓄能機(jī)組出口開(kāi)關(guān)短路故障原因淺析

董翰寧，董錦川

（1.國(guó)網(wǎng)新源控股有限公司電力檢修分公司，北京 100053；2.國(guó)網(wǎng)新源控制有限公司潘家口蓄能電廠，河北 唐山 064300）

1 電廠概況

某抽水蓄能電站接近電網(wǎng)負(fù)荷中心。電站裝機(jī)安裝6臺(tái)30萬(wàn)kW立軸可逆混流式水泵水輪機(jī)/發(fā)電電動(dòng)機(jī)組、機(jī)組總?cè)萘?80萬(wàn)kW。電站樞紐主要建筑物有上庫(kù)、引水道、地下廠房、尾水道及下庫(kù)等。上水庫(kù)總庫(kù)容1 059.89萬(wàn)m3，下水庫(kù)總庫(kù)容1 094.48萬(wàn)m3，上水庫(kù)正常蓄水位959.50 m；下水庫(kù)正常蓄水位339.30 m，機(jī)組額定水頭599 m，電站年平均發(fā)電量40.20億kW·h,年發(fā)電利用小時(shí)2 233 h,接入華東電力電網(wǎng)聯(lián)網(wǎng)運(yùn)行;減少火電頻繁調(diào)整出力和開(kāi)啟，改善運(yùn)行條件，降低煤耗，同時(shí)兼有填谷、調(diào)頻和調(diào)相等功能，承擔(dān)系統(tǒng)峰谷差360萬(wàn)kW任務(wù)。

2 事件經(jīng)過(guò)

2021年06月04日16：02，某抽水蓄能電站 1號(hào)機(jī)組由停機(jī)工況轉(zhuǎn)為發(fā)電工況運(yùn)行；16：02：42中控室值班人員執(zhí)行1號(hào)機(jī)組發(fā)電操作；16：05：32 1號(hào)機(jī)組到達(dá)空載態(tài)；16：05：42監(jiān)控顯示1號(hào)機(jī)組 GCB01合位，1號(hào)機(jī)到達(dá)發(fā)電態(tài)；16：06：22監(jiān)控顯示1號(hào)機(jī)組有功調(diào)節(jié)完成，機(jī)組發(fā)電出力增至150 MW；16：06：30中控室值班人員在監(jiān)控系統(tǒng)內(nèi)執(zhí)行1號(hào)機(jī)組有功從150MW升至225 MW操作；16：06：44 監(jiān)控顯示發(fā)電機(jī)A/B套保護(hù)總跳閘信號(hào)輸出，保護(hù)盤柜顯示定子接地保護(hù)動(dòng)作（此時(shí)機(jī)組功率約為 219.2 MW,導(dǎo)葉開(kāi)度約為 56%）；16：06：44 監(jiān)控顯示1號(hào)機(jī)電氣事故停機(jī)流程啟動(dòng)，1號(hào)機(jī)組GCB01跳開(kāi)、滅磁開(kāi)關(guān)跳開(kāi)；16：06：45監(jiān)控顯示1號(hào)機(jī)GCB SF6壓力低報(bào)警；16：07：44 1 號(hào)機(jī)導(dǎo)葉全關(guān)；16：07：51 1號(hào)機(jī)球閥全關(guān)；16：08：19 1號(hào)機(jī) PRD 全分位；16：09：08中控室人員啟動(dòng)備用機(jī)組，執(zhí)行6號(hào)機(jī)發(fā)電操作，滿足系統(tǒng)負(fù)荷需求；16：11：59 GCB06 合位，6號(hào)機(jī)發(fā)電態(tài)；16：14：19 6號(hào)機(jī)有功調(diào)節(jié)完成，發(fā)電帶300 MW負(fù)荷運(yùn)行；16：20：06監(jiān)控顯示1號(hào)機(jī)停機(jī)態(tài)。

3 處理過(guò)程

3.1 值守人員

中控室值班人員立即匯報(bào)當(dāng)班運(yùn)維負(fù)責(zé)人和ONCALL主任，同時(shí)監(jiān)視故障機(jī)組停機(jī)流程，并啟動(dòng)備用的6號(hào)機(jī)組發(fā)電，同時(shí)，立即向調(diào)度說(shuō)明現(xiàn)場(chǎng)情況。

3.2 ON-CALL人員

現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)盤人員發(fā)現(xiàn)發(fā)電機(jī)保護(hù)A/B柜跳閘信號(hào)，查看保護(hù)柜顯示定子接地保護(hù)動(dòng)作，機(jī)組電氣事故停機(jī)流程啟動(dòng)，1號(hào)機(jī)GCB分閘后SF6壓力低報(bào)警，立即匯報(bào)當(dāng)班運(yùn)維負(fù)責(zé)人。

（1）運(yùn)維負(fù)責(zé)人立即匯報(bào)ONCALL主任，并通知檢修人員進(jìn)場(chǎng)；同時(shí)安排人員監(jiān)視故障機(jī)組停機(jī)和備用機(jī)組發(fā)電；

（2）運(yùn)維負(fù)責(zé)人通知公司消防隊(duì)伍進(jìn)廠，安排運(yùn)維人員與消防人員一同佩戴正壓式呼吸器進(jìn)入1號(hào)母線洞檢查；

（3）在確認(rèn)1號(hào)機(jī)GCB和PRD分位后，運(yùn)行人員拉開(kāi)1號(hào)機(jī)母線洞設(shè)備（PRD01）控制柜電源，做好一次的隔離；

（4）經(jīng)查現(xiàn)場(chǎng)無(wú)明火現(xiàn)象，運(yùn)維人員采取通風(fēng)措施后檢測(cè)現(xiàn)場(chǎng)氣體含量正常；

（5）進(jìn)一步檢查時(shí)發(fā)現(xiàn)GCB A相底座有破損、地面有碎屑，運(yùn)行人員立即執(zhí)行1號(hào)GCB檢修隔離操作；

（6）1號(hào)機(jī)電氣事故停機(jī)流程啟動(dòng)后，在無(wú)其他異常和故障擴(kuò)大情況下，電站運(yùn)維人員立即啟動(dòng)備用機(jī)組發(fā)電，未影響當(dāng)日負(fù)荷計(jì)劃；判斷故障點(diǎn)為1號(hào)機(jī)GCB區(qū)域，立即采取有效通風(fēng)措施并檢測(cè)氣體含量正常后，組織人員將1號(hào)機(jī)GCB隔離，過(guò)程中未見(jiàn)其他異常。

3.3 維護(hù)人員

（1）情況梳理：2021年06月 04日16：06：44，1號(hào)機(jī)組發(fā)電并網(wǎng)升負(fù)荷過(guò)程中因發(fā)電機(jī)定子接地保護(hù)動(dòng)作電氣事故停機(jī)，經(jīng)分析保護(hù)正確動(dòng)作；初步判斷為發(fā)電機(jī)出口開(kāi)關(guān)GCB01設(shè)備內(nèi)部存在接地故障。

（2）問(wèn)題排查：通過(guò)觀察窗發(fā)現(xiàn)1號(hào)機(jī)GCB A相滅弧室軟連接處有煙熏痕跡，打開(kāi)1號(hào)發(fā)電機(jī)出口開(kāi)關(guān)GCB01外殼頂部蓋板，發(fā)現(xiàn)A相滅弧室底部存在破損，B、C兩相檢查未見(jiàn)異常；初步判斷1號(hào)發(fā)電機(jī)出口開(kāi)關(guān)GCB01 A相故障導(dǎo)致定子接地保護(hù)動(dòng)作。

圖1 滅弧室底座破損

圖2 滅弧室回裝后

（3）經(jīng)檢查，1號(hào)機(jī)組保護(hù)A柜95%定子接地保護(hù)動(dòng)作，1號(hào)機(jī)組保護(hù)B柜定子接地零序電流保護(hù)動(dòng)作，保護(hù)配置及動(dòng)作信息如下：

1）機(jī)組定子接地保護(hù)配置：1號(hào)機(jī)組保護(hù)A柜配置95%定子接地保護(hù)和三次諧波定子接地保護(hù)，95%定子接地保護(hù)動(dòng)作于機(jī)組跳閘，三次諧波定子接地保護(hù)動(dòng)作于報(bào)警。1號(hào)機(jī)組保護(hù)B柜配置注入式100%定子接地保護(hù)和零序電流保護(hù)，兩者均動(dòng)作于跳閘。

2）保護(hù)動(dòng)作分析：

首先，從圖3錄波情況看，2021年06月04日16：06：44.192，1號(hào)機(jī)端零序電壓瞬間增大至39.1 V,達(dá)到95%定子接地保護(hù)高定值（15 V,0.3 s），保護(hù)正確啟動(dòng)；150 ms后，機(jī)端零序電壓下降至10 V以下，保護(hù)重新計(jì)時(shí)，458 ms后，接地高定值保護(hù)動(dòng)作跳閘。保護(hù)啟動(dòng)499 ms后，95%定子接地保護(hù)低定值（5 V,0.5 s）動(dòng)作；95%定子接地保護(hù)高定值、低定值均正確動(dòng)作。

圖3 故障錄波采樣

圖4 保護(hù)盤柜動(dòng)作信息

其次，2021年 06月 04日 16：06：44.216,1號(hào)機(jī)組保護(hù)B柜定子接地零序電流保護(hù)啟動(dòng)，定子接地零序電流達(dá)到2.43 A,定子接地零序電流保護(hù)定值為 0.55 A，0.5 s，499 ms后，保護(hù)動(dòng)作跳閘，定子接地零序電流保護(hù)正確動(dòng)作。

3）確定故障點(diǎn)：

從一次設(shè)備故障情況和保護(hù)動(dòng)作情況分析，判斷1號(hào)機(jī)GCB A相滅弧室內(nèi)部故障造成定子接地保護(hù)動(dòng)作。

4）處理步驟：

①檢查檢修歷史記錄及試驗(yàn)記錄，檢修項(xiàng)目齊全、試驗(yàn)結(jié)果合格；GCB出廠報(bào)告、日常運(yùn)維記錄及各項(xiàng)試驗(yàn)數(shù)據(jù)均無(wú)異常；

②對(duì)1號(hào)機(jī)母線洞進(jìn)行通風(fēng)，并檢測(cè)氣體含量正常后，設(shè)備主人現(xiàn)場(chǎng)確認(rèn)GCB01故障情況，并安排人員對(duì)GCB備品備件情況檢查、排查，準(zhǔn)備好工器具，做好消缺準(zhǔn)備；

③通知ABB廠家人員進(jìn)廠配合檢查消缺；嚴(yán)格執(zhí)行工作票，班組人員組織人員力量，與ABB廠家一起配合拆除1號(hào)發(fā)電機(jī)出口開(kāi)關(guān)GCB01 A、B、C三相滅弧室，按照工藝要求進(jìn)行備件更換；

④甩負(fù)荷后對(duì)發(fā)電機(jī)定子、轉(zhuǎn)子部件及導(dǎo)水機(jī)構(gòu)檢查未見(jiàn)異常，盤車及定子搖絕緣均正常；1號(hào)機(jī)GCB滅弧室回裝完畢后進(jìn)行GCB開(kāi)關(guān)機(jī)械特性、回路電阻、耐壓及搖絕緣等試驗(yàn)，各項(xiàng)數(shù)據(jù)均正常。

4 原因分析

（1）經(jīng)分析判斷評(píng)估，在1號(hào)機(jī)GCB合閘后，A相主觸頭未充分接觸，負(fù)載電流大部分通過(guò)滅弧觸頭導(dǎo)流；滅弧觸頭急劇發(fā)熱熔融；造成滅弧室內(nèi)部絕緣擊穿、對(duì)地放電，導(dǎo)致機(jī)組發(fā)電啟動(dòng)過(guò)程中機(jī)定子接地保護(hù)動(dòng)作跳機(jī)。

（2）在GCB合閘后，A相主回路觸頭沒(méi)有完全合到位，在機(jī)組升負(fù)荷時(shí)，負(fù)載電流大部分通過(guò)滅弧觸頭導(dǎo)流；由于滅弧觸頭材質(zhì)為銅鎢合金，接觸電阻較大，在機(jī)組升負(fù)荷時(shí)，弧觸頭急劇發(fā)熱，溫度升高，滅弧觸頭及其附近部件熔融；在重力作用下，熔融物向下滴落，形成放電通道，造成滅弧室內(nèi)部絕緣擊穿、對(duì)地放電，引發(fā)定子接地保護(hù)動(dòng)作跳機(jī)。

（3）熔融物堆積到滅弧室底部，對(duì)底部金屬部件進(jìn)行加熱，金屬部件機(jī)械應(yīng)力降低，在定子接地保護(hù)動(dòng)作后，GCB分閘動(dòng)作瞬間滅弧室內(nèi)部氣壓短暫升高波動(dòng)，受熱后的滅弧室底部薄弱部分在氣壓和電弧綜合作用下被沖開(kāi)，SF6氣體釋放。

5 暴露問(wèn)題

（1）滅弧室機(jī)械傳動(dòng)部件故障無(wú)有效的監(jiān)測(cè)手段。

（2）對(duì)于類似缺陷缺乏有效檢測(cè)方法，且國(guó)內(nèi)缺乏相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范的技術(shù)支撐。

（3）設(shè)備管理不到位，相關(guān)人員專業(yè)培訓(xùn)、設(shè)備健康狀況分析不到位。

6 防止對(duì)策

為預(yù)防和控制同類缺陷再次發(fā)生，而采取的技術(shù)措施、管理措施，以及舉一反三的排查和防控措施等如下：

（1）做好GCB設(shè)備故障的事故預(yù)想并定期針對(duì)不同工況開(kāi)展應(yīng)急演練；

（2）加強(qiáng)相關(guān)專業(yè)培訓(xùn)，提升類似故障處置能力；

（3）定期對(duì)滅弧室底部連桿及傳動(dòng)桿進(jìn)行檢查；

（4）在機(jī)組分合閘或升負(fù)荷至穩(wěn)定后的15 min內(nèi)避免人員靠近GCB設(shè)備部件。

7 結(jié)束語(yǔ)

本文針對(duì)某抽水蓄能電站水泵水輪發(fā)電機(jī)組在發(fā)電工況運(yùn)行過(guò)程中，由于1號(hào)機(jī)組GCB合閘后，A相主回路觸頭沒(méi)有完全合到位，在機(jī)組升負(fù)荷時(shí)，負(fù)載電流大部分通過(guò)滅弧觸頭導(dǎo)流；由于滅弧觸頭材質(zhì)為銅鎢合金，接觸電阻較大，在機(jī)組升負(fù)荷時(shí)，弧觸頭急劇發(fā)熱，溫度升高，滅弧觸頭及其附近部件熔融；在重力作用下，熔融物向下滴落，形成放電通道，造成滅弧室內(nèi)部絕緣擊穿、對(duì)地放電，導(dǎo)致機(jī)組發(fā)電啟動(dòng)過(guò)程中機(jī)定子接地保護(hù)動(dòng)作跳機(jī)故障。經(jīng)修復(fù)后，通過(guò)近一段時(shí)間設(shè)備的運(yùn)行情況看，取得了比較理想的效果。同時(shí)也為抽水蓄能電廠今后的運(yùn)行和設(shè)備維護(hù)提供了借鑒。