金溪水電站阻容保護(hù)裝置故障原因調(diào)查分析

劉榮明

(中國水電顧問集團(tuán)成都勘測設(shè)計研究院，四川 成都 610072)

1 前 言

金溪水電站位于四川省嘉陵江中游河段南充市蓬安縣境內(nèi)，電站以航運(yùn)、發(fā)電為主，是一航電結(jié)合的綜合利用樞紐工程。電站共裝設(shè)4臺燈泡貫流式水輪發(fā)電機(jī)組，單機(jī)容量37.5MW，總裝機(jī)容量150MW。4臺發(fā)電機(jī)與2臺主變壓器連成二組擴(kuò)大單元接線;220kV側(cè)采用母線線路組接線，出線一回。

根據(jù)本電站設(shè)計水平年短路電流計算成果進(jìn)行電氣設(shè)備選擇，發(fā)電機(jī)出口斷路器選用原裝進(jìn)口的西屋發(fā)電機(jī)專用真空斷路器，型號為150VCPWRG型，裝于XGN2－10Q(改)型戶內(nèi)箱型固定式高壓開關(guān)柜內(nèi)。在發(fā)電機(jī)出口回路真空斷路器兩側(cè)配置有阻容保護(hù)裝置，高壓開關(guān)柜生產(chǎn)廠家為北海銀河高科技產(chǎn)業(yè)股份有限公司。

本工程于2003年10月1日正式開工，首臺機(jī)組于2006年4月發(fā)電運(yùn)行，4臺機(jī)組于2008年8月全部發(fā)電運(yùn)行。

2 阻容保護(hù)裝置故障情況

(1)1號機(jī)組10.5kV阻容保護(hù)裝置的A相于2006年10月18日20:43分突然發(fā)生爆炸故障，并將阻容保護(hù)裝置柜門炸飛，柜內(nèi)裝設(shè)的阻容保護(hù)裝置為ZR5－10DF/0.1μf型。當(dāng)時機(jī)組處于正常運(yùn)行狀態(tài)(負(fù)荷為6MW)，并未進(jìn)行發(fā)電機(jī)斷路器的操作，發(fā)電機(jī)出口電壓為10.21kV，220kV線路電壓為233kV，廠房的溫度15℃左右。至發(fā)生故障時，1號機(jī)組累計運(yùn)行353.82h，約14.74天，而阻容保護(hù)裝置的動作計數(shù)器記錄動作次數(shù)為197次。

(2)2號機(jī)組10.5kV阻容保護(hù)裝置的A、B相于2008年1月27日18:10分突然發(fā)生爆炸，并將阻容保護(hù)裝置柜門炸飛，柜內(nèi)的阻容保護(hù)裝置為ZR5－10DF/0.1μf型。當(dāng)時機(jī)組處于正常運(yùn)行狀態(tài)(機(jī)組負(fù)荷為7MW)，并未進(jìn)行發(fā)電機(jī)斷路器的操作，發(fā)電機(jī)出口電壓為10.16kV，220kV線路電壓為232kV，廠房的溫度8℃左右。至發(fā)生故障時，2號機(jī)組累計運(yùn)行917.11h，約38.22天，阻容保護(hù)裝置的動作計數(shù)器記錄動作次數(shù)為2次。

3 故障原因分析

業(yè)主對此故障十分重視，邀請了相關(guān)專家組成故障調(diào)查組到現(xiàn)場進(jìn)行了故障調(diào)查分析，主要分析結(jié)果如下:

(1)發(fā)電機(jī)至主變壓器回路配置阻容保護(hù)裝置的主要目的是保護(hù)發(fā)電機(jī)和主變壓器的絕緣不因真空斷路器的操作過電壓而受損害。從兩次事故記錄來看，阻容保護(hù)器爆炸時，機(jī)組、變壓器等參數(shù)均在正常范圍內(nèi)，真空斷路器未進(jìn)行任何操作，且阻容保護(hù)裝置平時動作過多。認(rèn)定本次故障為阻容保護(hù)裝置的設(shè)備故障。

(2)阻容保護(hù)裝置故障不應(yīng)該把開關(guān)柜的門炸離幾米遠(yuǎn)，開關(guān)柜制造廠家應(yīng)重新提供開關(guān)柜內(nèi)的內(nèi)部故障電弧試驗(yàn)及機(jī)械試驗(yàn)型式試驗(yàn)報告。

(3)根據(jù)10kV開關(guān)柜采購技術(shù)協(xié)議要求，阻容保護(hù)裝置的參數(shù)選擇，由開關(guān)柜制造廠家，根據(jù)本電站的實(shí)際電氣參數(shù)，進(jìn)行過電壓的詳細(xì)分析計算，根據(jù)計算及分析結(jié)果選擇合理的阻容保護(hù)裝置參數(shù)值，但到故障發(fā)生前為止，廠家未提供相關(guān)的資料。因此，阻容保護(hù)裝置參數(shù)值的配置是否合理有待分析。

4 故障處理

為了保證電站安全穩(wěn)定運(yùn)行，經(jīng)復(fù)核計算并參照嘉陵江梯級電站其他工程的阻容保護(hù)裝置的配置方案，先后于2008年8月底前將發(fā)電機(jī)組的阻容保護(hù)裝置設(shè)備全部更換為西安旭陽產(chǎn)品，設(shè)備產(chǎn)品型號為 ZRN21－12－0.16/100型，額定電壓 Ue=12kV，電容值 C=0.16μf，電阻值 R=100Ω，絕緣電阻值100000兆Ω，直流耐壓值50kV。至今已安全運(yùn)行2年多時間，電站運(yùn)行也一切正常。

5 阻容保護(hù)裝置配置的必要性

(1)配置阻容保護(hù)裝置主要是保護(hù)發(fā)電機(jī)和變壓器絕緣不因發(fā)電機(jī)出口回路真空斷路器的操作過電壓上升陡度而受損害。阻容保護(hù)裝置的電容有足夠容量吸收截流產(chǎn)生的操作過電壓的能量，從而降低過電壓的陡度，使發(fā)電機(jī)和變壓器的絕緣免受危害。裝設(shè)避雷器只能降低過電壓的幅值，而阻容保護(hù)裝置利用電容器吸收能量，降低因真空斷路器的操作過電壓的陡度，且利用電阻的阻尼作用使振蕩迅速衰減。

(2)當(dāng)發(fā)電機(jī)出口回路開關(guān)(真空斷路器型)不加阻容保護(hù)時，在所有避雷器全投入情況下，經(jīng)研究發(fā)現(xiàn):當(dāng)發(fā)電機(jī)回路開關(guān)切短路故障或切空載變壓器，發(fā)電機(jī)回路開關(guān)操作產(chǎn)生的最高過電壓(截流過電壓)為:開關(guān)斷口間最高電壓為發(fā)電機(jī)出口額定電壓的3.5Ue(Ue=10.5kV);斷路器的發(fā)電機(jī)一側(cè)對地最高電壓約為3.11Ue;斷路器的變壓器一側(cè)對地最高電壓為2.55Ue。

(3)斷路器端對地電壓高、陡度大的主要原因是由于真空環(huán)境的強(qiáng)大的滅弧能力，在開關(guān)開斷后電流未過零時截斷電弧電流，以致產(chǎn)生很高的過電壓，使得斷路器兩端對地電壓中含有高次諧波電壓，頻率主要在2800～6900Hz范圍內(nèi)。高次諧波電壓的頻率隨故障點(diǎn)位置不同而不同。高次諧振電壓分量的幅值較大，由于回路中電阻較小，因而開關(guān)開斷之后高次諧波電壓分量衰減較慢。高次諧振電壓疊加在工頻電壓上，使得在發(fā)電機(jī)回路開關(guān)開斷之后，開關(guān)兩端對地、開關(guān)斷口之間就會產(chǎn)生幅值很高、陡度很大的操作過電壓。陡度很大的過電壓將會對發(fā)電機(jī)或變壓器的匝間絕緣造成損壞。要限制開關(guān)斷口間及兩側(cè)對地過電壓幅值及陡度，就必須加阻容保護(hù)，限制過電壓陡度，而避雷器只能限制其幅值不能限制陡度。

(4)如果只在發(fā)電機(jī)回路真空斷路器某一側(cè)加阻容保護(hù)，那么加阻容的這一側(cè)端點(diǎn)對地過電壓中的陡度受到了很好的抑制，而未加阻容保護(hù)的那一側(cè)端點(diǎn)對地電壓陡度沒有變化。若在真空斷路器兩側(cè)都增加阻容保護(hù)，則兩側(cè)端點(diǎn)對地電壓中的過電壓陡度都會得到很好抑制，過電壓陡度都明顯降低。

6 小 結(jié)

(1)通過對金溪水電站阻容保護(hù)裝置故障原因的調(diào)查分析表明，阻容保護(hù)裝置參數(shù)的選擇必須委托有資質(zhì)的單位進(jìn)行分析計算后確定。

(2)真空斷路器作為發(fā)電機(jī)出口時，在斷路器開關(guān)兩側(cè)配置阻容保護(hù)裝置，保護(hù)發(fā)電機(jī)和主變壓器絕緣不因發(fā)電機(jī)回路真空斷路器的操作過電壓而受損害是必要的。

(3)阻容保護(hù)裝置的質(zhì)量必須達(dá)到技術(shù)要求。并應(yīng)落實(shí)阻容保護(hù)裝置的生產(chǎn)廠家、選用的材料等。

(4)阻容保護(hù)裝置應(yīng)配置動作計數(shù)器，并安裝在開關(guān)柜的面板上，以便運(yùn)行人員能隨時觀察阻容保護(hù)裝置的運(yùn)行及記錄動作次數(shù)情況，便于及時發(fā)現(xiàn)問題提前處理，避免給電站安全運(yùn)行帶來危害及不必要的經(jīng)濟(jì)損失。