馬馬崖一級(jí)水電站快速閘門異常關(guān)閉事故分析及處理

孫高龍

(中國電建集團(tuán)貴陽勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司，貴州 貴陽 550081)

1 概 述

馬馬崖一級(jí)水電站屬Ⅱ等大(2)型工程，位于貴州省興仁縣與關(guān)嶺縣交界的北盤江中下游河段，裝機(jī)容量為3×180 MW(1～3號(hào)機(jī))+1×18 MW(4號(hào)機(jī))。引水系統(tǒng)布置于左岸，2、3號(hào)大機(jī)組采用一洞一機(jī)供水方式，1號(hào)大機(jī)組與4號(hào)小機(jī)組采用共用一洞供水方式。為了防止機(jī)組發(fā)生事故而導(dǎo)水機(jī)構(gòu)關(guān)閉失靈時(shí)事故擴(kuò)大，滿足水輪機(jī)組防飛逸的要求，以及發(fā)電洞洞身及壓力鋼管出現(xiàn)事故時(shí)能得到較為及時(shí)的處理，在發(fā)電洞進(jìn)口設(shè)置快速事故閘門，每孔1扇，共計(jì)3扇。每扇進(jìn)水口快速事故閘門設(shè)置有獨(dú)立的控制系統(tǒng)，安裝在進(jìn)水口平臺(tái)啟閉機(jī)室內(nèi)。

2 事件經(jīng)過

2020年9月16日事故發(fā)生前電站運(yùn)行情況：220 kV馬白Ⅰ回、馬白Ⅱ回線路帶電，220 kVⅠ段、Ⅱ段母線聯(lián)絡(luò)運(yùn)行，1～3號(hào)主變壓器運(yùn)行，1～4號(hào)機(jī)組帶滿負(fù)荷運(yùn)行，廠用電10 kV和壩區(qū)10 kV系統(tǒng)正常。全廠電氣一次和二次設(shè)備現(xiàn)場(chǎng)無人工作。9月15日17時(shí)45分，馬馬崖分公司發(fā)布預(yù)報(bào)：“根據(jù)中央氣象臺(tái)與貴州省氣象臺(tái)最新發(fā)布的今日20∶00至明日20∶00降水量預(yù)報(bào)，請(qǐng)各電站按要求做好防范小區(qū)暴雨與開閘泄洪相關(guān)工作”。過去1 h壩址降雨量已達(dá)17.5 mm，且強(qiáng)降雨仍在持續(xù)。各來水部位無異常，室外為強(qiáng)雷雨天氣。9月16日4時(shí)37分12秒，根據(jù)工業(yè)電視系統(tǒng)的記錄，進(jìn)水口區(qū)域出現(xiàn)一道強(qiáng)烈閃電；3 s后，1～3號(hào)機(jī)組快速事故閘門同時(shí)開始下落。9月16日4時(shí)37分19秒，電站計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)上位機(jī)報(bào)“1～3號(hào)機(jī)組進(jìn)水口快速事故門全開復(fù)歸”，機(jī)組轉(zhuǎn)為調(diào)相運(yùn)行狀態(tài)。運(yùn)行值班人員發(fā)現(xiàn)后立即解列4臺(tái)機(jī)組，并匯報(bào)調(diào)度。9月16日06時(shí)26分，3臺(tái)機(jī)組快速閘門全開，4臺(tái)機(jī)組恢復(fù)熱備用，具備開機(jī)并網(wǎng)條件。經(jīng)協(xié)調(diào)貴州中調(diào)同意，7時(shí)21分4臺(tái)機(jī)組相繼完成并網(wǎng)。

3 現(xiàn)場(chǎng)檢查

3.1 主設(shè)備及其輔助設(shè)備

3.1.1 水輪發(fā)電機(jī)組

1～4號(hào)機(jī)組停機(jī)后，立即進(jìn)行了轉(zhuǎn)動(dòng)部分檢查，情況如下：發(fā)電機(jī)定子、轉(zhuǎn)子、導(dǎo)風(fēng)板等各部位無異常情況；水輪機(jī)部分檢查正常，調(diào)速系統(tǒng)、油壓裝置、剪斷銷、水輪機(jī)室等各部位無異常情況。

3.1.2 主變壓器

主變壓器運(yùn)行正常，油面和繞組溫度正常，無異常聲響；主變壓器冷卻系統(tǒng)運(yùn)行正常，供水管路及水壓正常。

3.1.3 進(jìn)水口水工建筑物

通過將閘門異常關(guān)閉后與閘門關(guān)閉前正常發(fā)電時(shí)水工監(jiān)測(cè)儀器的觀測(cè)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，前后無明顯變化，引水和尾水隧洞的圍巖和結(jié)構(gòu)均處于穩(wěn)定狀態(tài)。

壩區(qū)進(jìn)水口布置主要包括攔污柵及清污門機(jī)、檢修閘門及雙向門機(jī)、快速事故閘門及啟閉機(jī)、兩間快速事故閘門啟閉機(jī)室?？焖匍l門啟閉機(jī)室位于檢修雙向門機(jī)導(dǎo)軌之間(見圖1)。1號(hào)和2號(hào)機(jī)組進(jìn)水口快速閘門控制系統(tǒng)安裝在1號(hào)啟閉機(jī)室內(nèi)，3號(hào)機(jī)組進(jìn)水口快速閘門控制系統(tǒng)獨(dú)立安裝在2號(hào)啟閉機(jī)室內(nèi)。每套進(jìn)水口快速閘門控制系統(tǒng)由3面屏柜組成，分別為動(dòng)力柜、控制柜和遠(yuǎn)程I/O柜。

圖1 進(jìn)水口檢修門機(jī)及快速閘門啟閉機(jī)室布置

3.2 快速閘門控制系統(tǒng)

3.2.1 屏柜檢查

現(xiàn)場(chǎng)檢查1～3號(hào)進(jìn)水口快速閘門控制系統(tǒng)屏柜，“平壓”信號(hào)指示燈返回，“全開”信號(hào)復(fù)歸，其中1、2號(hào)進(jìn)水口快速閘門動(dòng)力柜內(nèi)的浪涌保護(hù)器動(dòng)作，盤柜內(nèi)其余設(shè)備運(yùn)行正常，各元件及回路外觀無異常，柜內(nèi)無異味。

3.2.2 相關(guān)二次回路

機(jī)組LCU柜開出回路、水機(jī)保護(hù)柜開出回路及中控室緊急落門控制箱回路的二次接線無明顯灰塵，端子緊固情況良好，無松動(dòng)現(xiàn)象。

3.2.3 繼電器元件

快速閘門控制柜中1～3號(hào)快速閉門繼電器3K3、進(jìn)水口遠(yuǎn)程I/O柜中快速閉門中間繼電器KD01和KD02等各繼電器外觀無異常。斷開進(jìn)水口遠(yuǎn)程I/O柜DC220 V電源后，將KD01、KD02繼電器拆下與新的繼電器一并進(jìn)行校驗(yàn)，對(duì)線圈阻值、動(dòng)作/返回電壓進(jìn)行檢查，校驗(yàn)結(jié)果如下所示(見表1)。

表1 KD01和KD02繼電器校驗(yàn)結(jié)果

經(jīng)校驗(yàn)，各機(jī)組事故落門KD01、KD02繼電器線圈阻值、動(dòng)作電壓、返回電壓等數(shù)值與新的繼電器校驗(yàn)結(jié)果基本一致，滿足使用要求。

3.2.4 電磁閥

對(duì)3臺(tái)機(jī)組快速閘門的快速閉門電磁閥進(jìn)行檢查，不存在功能缺陷，滿足使用要求。

3.3 外部電纜

經(jīng)檢查，由廠房計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)引至快速閘門控制柜的控制電纜屏蔽層均按要求可靠接地。當(dāng)時(shí)為滿足機(jī)組并網(wǎng)發(fā)電和防洪安全需求，現(xiàn)場(chǎng)未對(duì)電纜及屏蔽層進(jìn)行絕緣測(cè)試，但外觀檢查未見異常。

3.4 防雷

經(jīng)查看現(xiàn)場(chǎng)，在進(jìn)水口清污門機(jī)及進(jìn)水口檢修門機(jī)頂部均設(shè)置有避雷針，避雷針通過檢修門機(jī)軌道連接至接地網(wǎng)，與閘門控制柜連接在同一接地網(wǎng)。1～3號(hào)機(jī)組快速閘門動(dòng)力電源分別取自壩區(qū)400 V Ⅵ段和Ⅶ段，每面動(dòng)力柜內(nèi)各配置2套浪涌保護(hù)器。1、2號(hào)進(jìn)水口快速閘門動(dòng)力柜內(nèi)各有1套浪涌保護(hù)器動(dòng)作。進(jìn)水口清污門機(jī)及進(jìn)水口檢修門機(jī)控制柜內(nèi)各配置了1套電涌保護(hù)器，均已動(dòng)作。以上現(xiàn)象表明，當(dāng)時(shí)確有雷電發(fā)生，雷電波可能通過檢修門機(jī)導(dǎo)軌侵入快速閘門控制柜，從而導(dǎo)致浪涌保護(hù)器動(dòng)作。

3.5 接地

事件發(fā)生后，對(duì)進(jìn)水口遠(yuǎn)程I/O柜、1～3號(hào)機(jī)組進(jìn)水口快速閘門動(dòng)力柜、控制柜、啟閉機(jī)油箱本體等接地情況進(jìn)行檢查，滿足《電力設(shè)備預(yù)防性試驗(yàn)規(guī)程》(DL/T 596—2005)中“不得有開斷、松脫或嚴(yán)重腐蝕等現(xiàn)象”的要求。經(jīng)過接地電阻值測(cè)試，快速閘門本體、控制柜、導(dǎo)軌與接地網(wǎng)之間阻值均小于50 mΩ，滿足《接地裝置特性參數(shù)測(cè)量導(dǎo)則》(DL/T 475—2017)中“狀況良好的設(shè)備測(cè)試值應(yīng)在50 mΩ以下”的要求。查閱2019年8月貴州創(chuàng)星電力科學(xué)研究院有限責(zé)任公司編制的《主接地網(wǎng)接地電阻、跨步電壓、接觸電勢(shì)及接地網(wǎng)完整性參數(shù)測(cè)試報(bào)告》，馬馬崖電站主接地網(wǎng)接地電阻為0.57 Ω，滿足設(shè)計(jì)值0.927 Ω的要求。

3.6 檢修和技改

進(jìn)水口快速閘門系統(tǒng)、機(jī)組LCU及水機(jī)保護(hù)在歷次檢修中未發(fā)生異?；虍悇?dòng)現(xiàn)象。在近1 a內(nèi)電站未對(duì)計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)、交直流電源及閘門控制系統(tǒng)等進(jìn)行技術(shù)改造，不存在因設(shè)備改造導(dǎo)致快速閘門關(guān)閉的可能性。

4 原因分析

4.1 快速閘門關(guān)閉動(dòng)作原理分析

電站1～3號(hào)機(jī)組進(jìn)水口快速閘門電源全部取自壩區(qū)直流系統(tǒng)及壩區(qū)400 V Ⅵ段和Ⅶ段，其電源取點(diǎn)相對(duì)獨(dú)立，各自的工作原理及控制回路也均相互獨(dú)立。

對(duì)1～3號(hào)快速閘門控制回路(見圖2、圖3)進(jìn)行分析：正常情況下，除現(xiàn)地手動(dòng)操作外，機(jī)組快速閉門回路遠(yuǎn)方操作由“機(jī)組LCU主PLC緊急事故落門”“機(jī)組水機(jī)保護(hù)PLC緊急事故落門”“中控室緊急落門按鈕動(dòng)作”3個(gè)信號(hào)并聯(lián)輸入實(shí)現(xiàn)，中間擴(kuò)展信號(hào)繼電器為 KD01、KD02。當(dāng)“機(jī)組LCU主PLC緊急事故落門”“機(jī)組水機(jī)保護(hù)PLC緊急事故落門”“中控室緊急落門按鈕動(dòng)作”3個(gè)條件中任一條件滿足時(shí)，中間繼電器KD01、KD02動(dòng)作，信號(hào)由機(jī)組遠(yuǎn)程I/O柜開出至快速閘門控制柜啟動(dòng)3K3繼電器；3K3繼電器能夠自保持，其接點(diǎn)啟動(dòng)快速閉門電磁閥YV4，實(shí)現(xiàn)快速閉門。

圖2 進(jìn)水口遠(yuǎn)程I/O柜原理

圖3 進(jìn)水口快速閘門控制柜原理

若是發(fā)生以上3種條件中的任何一種情況去啟動(dòng)快速閉門，在電站計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)都將留下簡報(bào)、光字等記錄，但經(jīng)查閱，未發(fā)現(xiàn)相關(guān)記錄。因此本次事件不存在人為誤操作、緊急事故停機(jī)及緊急落門按鈕動(dòng)作等原因?qū)е驴焖匍l門關(guān)閉。

4.2 事件原因分析

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)檢查情況并經(jīng)過綜合分析認(rèn)為，本次事件中4臺(tái)機(jī)組主設(shè)備及其輔助設(shè)備正常，快速閘門控制回路邏輯正確，屬保護(hù)誤動(dòng)，誤動(dòng)原因分析認(rèn)為是雷電波直接侵入3臺(tái)快速閘門的控制電纜，引起中間繼電器誤動(dòng)，從而啟動(dòng)快速閉門電磁閥，最終導(dǎo)致3臺(tái)機(jī)組快速閘門同時(shí)異常關(guān)閉。

(1)快速閘門異常關(guān)閉的原因存在兩種可能：一是雷擊造成地電位反擊，二是雷電波直接入侵電纜。假設(shè)雷電流經(jīng)過地網(wǎng)時(shí)，通過電纜屏蔽層的接地線流入電纜屏蔽層，該電流在電纜芯線上(即繼電器上端)感應(yīng)出較高的電勢(shì)，使動(dòng)作功率偏小的繼電器(KD01、KD02)誤動(dòng)，導(dǎo)致3臺(tái)快速閘門動(dòng)作。但因避雷針通過檢修門機(jī)軌道接入地網(wǎng)，與閘門控制柜接在同一地網(wǎng)，形成等電位地網(wǎng)，且AC380 V動(dòng)力柜中的浪涌保護(hù)器已部分動(dòng)作，故初步排除雷擊造成地電位反擊導(dǎo)致3臺(tái)快速閘門異常關(guān)閉的考慮。分析認(rèn)為，雷電波直接入侵電纜造成保護(hù)誤動(dòng)可能性較大。雷電直擊進(jìn)水口檢修門機(jī)構(gòu)架，雷電流通過門機(jī)導(dǎo)軌進(jìn)入地網(wǎng)，快速閘門的電纜溝與檢修門機(jī)軌道平行長度約為50 m，雷電流在電纜皮層及芯線上感應(yīng)很高的電勢(shì)，中間繼電器(KD01、KD02)動(dòng)作后啟動(dòng)電磁閥YV4，導(dǎo)致快速閘門關(guān)閉；同時(shí)位于進(jìn)水口檢修門機(jī)附近的快速閘門控制室的浪涌保護(hù)器動(dòng)作。此結(jié)論得到了當(dāng)時(shí)參與本次事故處理的各方專家的一致認(rèn)可。

(2)控制回路中啟動(dòng)快速閘門動(dòng)作的中間繼電器為KD01、KD02，經(jīng)實(shí)測(cè)該DC220 V中間繼電器動(dòng)作功率僅為0.48 W。參照《國家電網(wǎng)有限公司十八項(xiàng)電網(wǎng)重大反事故措施(修訂版)》(〔2018〕979號(hào))15.6.7條和《南方電網(wǎng)電力系統(tǒng)繼電保護(hù)反事故措施》(2014版)4.3.13 條的相關(guān)規(guī)定，對(duì)跳閘影響較大的重要回路和長控制電纜驅(qū)動(dòng)中間繼電器回路，要求繼電器的動(dòng)作功率不低于5 W。所以中間繼電器動(dòng)作功率偏低，也是導(dǎo)致本次事件發(fā)生的直接原因之一。

5 處理及防范措施

(1)復(fù)核壩區(qū)避雷針等防雷措施能否有效保護(hù)大壩區(qū)域的電氣設(shè)備。對(duì)全廠電氣設(shè)備接地引下線在地網(wǎng)中位置、地網(wǎng)連接情況進(jìn)行開挖復(fù)核，對(duì)全廠接地網(wǎng)導(dǎo)通電阻進(jìn)行復(fù)核測(cè)量，核實(shí)避雷針接地點(diǎn)與控制柜地網(wǎng)實(shí)際距離、接地軟銅電纜、接地銅排的截面積，接地電阻等參數(shù)滿足規(guī)范要求和實(shí)際需要。

(2)擇機(jī)檢測(cè)控制電纜及屏蔽層絕緣，并檢查電纜屏蔽層兩端是否接地良好。為防止長電纜分布電容的影響，清理電纜走向，將不同用途的電纜分開布置。尤其是要將交、直流電源電纜分開，同時(shí)還可以避免交、直流串電現(xiàn)象發(fā)生。

(3)為防止長距離電纜形成的較大分布電容造成中間繼電器誤動(dòng)跳閘，增大控制回路中的中間繼電器及出口繼電器的動(dòng)作功率。參照上述電網(wǎng)反措對(duì)繼電保護(hù)的相關(guān)要求，更換KD01、KD02和3K3繼電器為啟動(dòng)功率大于5 W的大功率中間繼電器，對(duì)于其他重要控制回路的中間繼電器、出口繼電器，宜參照?qǐng)?zhí)行落實(shí)。

(4)完善進(jìn)水口快速閘門意外關(guān)閉保護(hù)。應(yīng)將“進(jìn)水口快速閘門意外滑落”信號(hào)送至機(jī)組LCU和水機(jī)保護(hù)PLC，參與到水機(jī)事故停機(jī)流程中，并制定可靠的運(yùn)行控制措施，確?？焖匍l門意外關(guān)閉能夠及時(shí)關(guān)停機(jī)組。

(5)對(duì)于今后可能出現(xiàn)類似本次事件以及其他可能導(dǎo)致水輪發(fā)電機(jī)變?yōu)殡妱?dòng)機(jī)的異常運(yùn)行方式，宜對(duì)發(fā)電機(jī)保護(hù)增加逆功率保護(hù)功能。

6 結(jié) 語

山區(qū)河谷地帶夏季雷電活動(dòng)頻繁，對(duì)水電站的運(yùn)行危害極大。僅在2020年9月，貴州省內(nèi)就連續(xù)出現(xiàn)了兩起因雷電導(dǎo)致大型水電站機(jī)組進(jìn)水口快速閘門異常關(guān)閉的事故，這在以往的水電站運(yùn)行中也比較少見。因此，做好必要的雷電防護(hù)對(duì)水電站的運(yùn)行維護(hù)和管理有極其重要的作用。通過對(duì)馬馬崖電站進(jìn)水口快速閘門異常關(guān)閉事故的詳細(xì)排查和分析，提出了具體處理和防范措施，可供今后其他水電站在雷電防護(hù)和雷擊事故分析方面進(jìn)行借鑒和參考。