水電廠開關(guān)故障原因分析及防范措施

蔡文杰

（國家電投集團(tuán)江西電力有限公司上猶江水電廠，江西贛州341000）

0 引言

A、B水電廠是流域梯級開發(fā)的兩廠，裝機(jī)容量均按3×12MW設(shè)計(jì)，2010年先后開工建設(shè)，于2013年先后全部建成投產(chǎn)運(yùn)營；兩電站發(fā)電機(jī)和水輪機(jī)型號分別 為 SFWG12-72/6570、GZ1250B-WP-625和 SFWG12-80/6400、GZ1250B-WP-660懸式二支點(diǎn)燈泡貫流式水輪發(fā)電機(jī)組；發(fā)電機(jī)組開關(guān)均選擇NZ65A-12/T4000-63（F）型和150VCP-WC50-2000A-40kA真空斷路器。兩電站110kV主接線均為單母線，發(fā)電機(jī)-變壓器為單機(jī)單變單元接線與雙機(jī)單變擴(kuò)大單元接線（見圖1）。正常運(yùn)行方式：110kV單母運(yùn)行、6.3kV單母線分段運(yùn)行、400V廠用電分段互為備用方式。

圖1 A、B電廠主接線圖

1 典型故障及原因分析

1.1 典型故障情況

A電廠1F機(jī)組：2014年11月5日，機(jī)組出口開關(guān)渦輪機(jī)構(gòu)故障，無法儲能，后經(jīng)更換渦輪機(jī)構(gòu)后工作正常；2017年8月7日，機(jī)組出口開關(guān)出現(xiàn)主連桿變形導(dǎo)致開關(guān)無法合閘，目前已使用備用開關(guān)，待廠家發(fā)連桿后更換修復(fù)。2F機(jī)組：2013年11月20日，機(jī)組在運(yùn)行時(shí)機(jī)組出口開關(guān)儲能機(jī)構(gòu)發(fā)出“噠噠”異常聲音，向調(diào)度申請停機(jī)后檢查發(fā)現(xiàn)儲能電機(jī)彈簧機(jī)構(gòu)有故障，經(jīng)更換儲能電機(jī)彈簧機(jī)構(gòu)后正常。3F機(jī)組：2014年8月28日，機(jī)組出口開關(guān)因輔助開關(guān)轉(zhuǎn)換機(jī)構(gòu)合閘時(shí)，轉(zhuǎn)換方向錯(cuò)誤，發(fā)電機(jī)阻尼繞組燒壞、勵磁系統(tǒng)滅磁電阻燒損，后經(jīng)機(jī)組緊急大修，發(fā)電機(jī)阻尼繞組返廠維修，更換勵磁系統(tǒng)滅磁電阻及相應(yīng)配件后機(jī)組恢復(fù)正常；2015年7月21日，3F出口開關(guān)930DL轉(zhuǎn)換開關(guān)連桿錯(cuò)位、變形，轉(zhuǎn)換接點(diǎn)無法正常轉(zhuǎn)換，導(dǎo)致勵磁系統(tǒng)滅磁電阻再次燒損，后經(jīng)搶修更換勵磁系統(tǒng)滅磁電阻及相應(yīng)配件后機(jī)組恢復(fù)正常投運(yùn)；2015年9月20日，3F機(jī)組出口開關(guān)渦輪機(jī)構(gòu)故障，無法儲能，后經(jīng)更換渦輪機(jī)構(gòu)后工作正常；2016年4月30日，3F機(jī)組出口開關(guān)出現(xiàn)儲能機(jī)構(gòu)異常，無法儲能，后從B廠拆借一臺渦輪機(jī)構(gòu)更換渦輪機(jī)構(gòu)后才恢復(fù)正常。1-3號機(jī)停機(jī)時(shí)經(jīng)常性故障：多次出現(xiàn)閉鎖鑰匙發(fā)卡缺陷。

B電廠1F機(jī)組：1F機(jī)組2017年1月3日，出口開關(guān)渦輪機(jī)構(gòu)損壞，無法儲能。后經(jīng)更換渦輪機(jī)構(gòu)后工作正常。2F機(jī)組：2015年11月3日，在2F機(jī)組備用開關(guān)使用中五防裝置卡死，無法拉出；2016年7月6日，機(jī)組開機(jī)并網(wǎng)時(shí)開關(guān)無法合閘，手車無法拉出供檢查，拆除閉鎖后發(fā)現(xiàn)主連桿變形導(dǎo)致開關(guān)無法合閘，后經(jīng)更換新連桿后工作正常；2016年9月7日，合閘閉鎖變形，更換后正常。1F-3F機(jī)組出口開關(guān)出現(xiàn)經(jīng)常性故障：多次發(fā)生閉鎖鑰匙卡住缺陷。

1.2 原因分析

1.2.1 機(jī)組出口開關(guān)故障原因分析

從A、B兩電廠機(jī)組出口開關(guān)典型故障情況可以歸納以下幾方面：

1）閉鎖鑰匙卡住缺陷頻發(fā)。個(gè)人認(rèn)為，首先是批次開關(guān)材料的剛性可能存在一定缺陷，因?yàn)閮蓮S機(jī)組出口開關(guān)幾乎都存在類似情況；其次原因主要是加工制或運(yùn)輸過程存在缺陷或形變；另外如果生產(chǎn)加工時(shí)的溫度較低，而運(yùn)行環(huán)境溫度普遍較高，這些都有可能引起發(fā)卡。

2）渦輪機(jī)構(gòu)故障頻發(fā)。導(dǎo)致開關(guān)經(jīng)常無法儲能，甚至燒壞渦輪機(jī)構(gòu)，從現(xiàn)場的故障現(xiàn)象看，主要原因應(yīng)該是跳閘時(shí)儲能機(jī)構(gòu)釋放的動能過大或者緩沖墊強(qiáng)度不夠，導(dǎo)致常常出現(xiàn)凸輪緩沖墊沖裂損壞現(xiàn)象，從而出現(xiàn)機(jī)構(gòu)變位而無法儲能；其次是系統(tǒng)設(shè)計(jì)不夠合理，僅僅依靠橡膠片作為機(jī)構(gòu)緩沖限位，難以做到準(zhǔn)確復(fù)位。

3）輔助接點(diǎn)轉(zhuǎn)換機(jī)構(gòu)故障頻發(fā)。A電廠3F機(jī)組連續(xù)出現(xiàn)兩次、B電廠出現(xiàn)一次，均為輔助接點(diǎn)轉(zhuǎn)換連桿變形或主連桿變形引起，其主要原因還是因緩沖墊被沖壞后，緩沖輪與機(jī)構(gòu)剛性或接近剛性沖擊引發(fā)主、輔連桿機(jī)構(gòu)變形，導(dǎo)致該合閘時(shí)合不上、應(yīng)該跳閘時(shí)跳不動。尤其是A電廠2014年8月28日和2015年7月21日兩次輔助接點(diǎn)，因開關(guān)跳閘后主機(jī)機(jī)構(gòu)變位引發(fā)輔助接點(diǎn)轉(zhuǎn)換連桿越限（驅(qū)動桿與轉(zhuǎn)換接點(diǎn)連接桿角度超過180度，見圖2），導(dǎo)致合閘時(shí)輔助接點(diǎn)連桿帶動轉(zhuǎn)換接點(diǎn)反方向轉(zhuǎn)動，使得跳閘輔助接點(diǎn)無法接通，若此時(shí)出現(xiàn)系統(tǒng)故障或需緊急停機(jī)時(shí)，將造成機(jī)組開關(guān)拒動而越級跳閘。

圖2 跳閘故障原因示意圖

4）通過渦輪驅(qū)動的連桿太細(xì)。直徑約5mm，而且成弧狀型，當(dāng)機(jī)構(gòu)頻繁動作或渦輪緩沖墊受損變位時(shí)，比較容易因巨大沖擊而變形，導(dǎo)致間歇性合閘位置轉(zhuǎn)換不到位或跳閘位置轉(zhuǎn)換不到位，從而也影響開關(guān)正常跳合閘。

5）手車式斷路器體積大、笨重，在停電檢查或試驗(yàn)時(shí)，經(jīng)常性需用大力撬動，才能將其拉出、推進(jìn)柜體，易出現(xiàn)操作困難甚至機(jī)械變形。

1.2.2 機(jī)組失穩(wěn)故障原因分析

從兩電廠機(jī)組開關(guān)故障情況來看，兩個(gè)水電廠共計(jì)有7臺開關(guān)運(yùn)行中存在轉(zhuǎn)換開關(guān)連桿變形錯(cuò)位、儲能機(jī)構(gòu)與閉鎖機(jī)構(gòu)不可靠等問題，嚴(yán)重影響安全運(yùn)行特別是輔助接點(diǎn)轉(zhuǎn)換機(jī)構(gòu)變位，引發(fā)機(jī)組一鍵停機(jī)或事故停機(jī)過程中失去穩(wěn)定。

以2014年8月28日A電廠3F機(jī)組失穩(wěn)故障為例分析如下：失穩(wěn)之前機(jī)組正常運(yùn)行，但在機(jī)組并網(wǎng)合閘后，跳閘輔助接點(diǎn)因機(jī)構(gòu)變形未接通；機(jī)組運(yùn)行一段時(shí)間后，受調(diào)度令要求停機(jī)；值班人員受令后，先手動減負(fù)荷，但因減負(fù)荷節(jié)點(diǎn)不通，回路在斷開狀態(tài)，負(fù)荷減不下；值班人員為了盡快把機(jī)組停下來，未考慮后果、分析不充分，直接點(diǎn)按“緊急停機(jī)按鈕”，由此產(chǎn)生連鎖反應(yīng)如下：——由于跳閘節(jié)點(diǎn)不通，開關(guān)拒絕跳閘；接受“緊急停機(jī)令”后，導(dǎo)葉緊急關(guān)閉——機(jī)組從暫態(tài)過程轉(zhuǎn)入異步——失磁保護(hù)動作卻無法跳開關(guān)——為了阻止突變暫態(tài)進(jìn)相，轉(zhuǎn)子和阻尼環(huán)被迫產(chǎn)生較大感生電勢——轉(zhuǎn)子暫態(tài)高電壓持續(xù)作用下導(dǎo)致滅磁電阻過流、擊穿、發(fā)熱燒壞、存在接觸不良情況下的局部阻尼環(huán)接口因暫態(tài)負(fù)序產(chǎn)生巨大感生電流而過熱燒壞[1]。

導(dǎo)致以上結(jié)果，關(guān)鍵是暫態(tài)過程持續(xù)作用的結(jié)果，值班人員發(fā)現(xiàn)勵磁柜冒煙后，通過現(xiàn)場手動機(jī)械操作斷開機(jī)組斷路器，才有效阻止故障擴(kuò)散。

1.2.3 機(jī)組狀態(tài)研判

基于上述兩電廠運(yùn)行多年來的故障情況，A、B兩電廠組織相關(guān)技術(shù)人員及專家，對兩廠機(jī)組出口高壓開關(guān)近年運(yùn)行情況，進(jìn)行了綜合分析研究，認(rèn)為兩廠機(jī)組開關(guān)存在共同故障隱患，存在明顯的安全隱患，必須采取有效防范措施、應(yīng)急處理與技術(shù)改造。

2 防范措施、應(yīng)急處理和技術(shù)改造

2.1 防范措施

由于兩電廠機(jī)組開關(guān)運(yùn)行故障比較頻繁，短時(shí)因資金和技術(shù)條件所限，只能針對出現(xiàn)的問題，采取臨時(shí)防范措施，以確保設(shè)備正常運(yùn)行：

1）機(jī)組備用狀態(tài)，必須到現(xiàn)場檢查開關(guān)電氣指示與機(jī)械指示與上位機(jī)顯示是否一致，若不一致必須檢查處理正常后才能開機(jī)。

2）機(jī)組并網(wǎng)狀態(tài)，發(fā)現(xiàn)開關(guān)電氣指示與機(jī)械指示不一致時(shí)，必須先手動減負(fù)荷至零，在開關(guān)柜現(xiàn)地實(shí)施手動機(jī)械跳閘，檢查開關(guān)柜本體機(jī)械顯示分位（置“0”）再允許上位機(jī)發(fā)停機(jī)令。

3）機(jī)組開停機(jī)操作：開、停機(jī)采用分步操作，嚴(yán)密監(jiān)視開、停機(jī)流程執(zhí)行情況，正常情況下禁止中斷流程、逾越程序投切相關(guān)設(shè)備。

4）出現(xiàn)并網(wǎng)失?。喝魏吻闆r下出現(xiàn)并網(wǎng)失敗，應(yīng)在出口開關(guān)柜本體核實(shí)開關(guān)機(jī)械位置顯示分位（置“0”）的情況下才能讓上位機(jī)發(fā)并網(wǎng)令[2]。

2.2 應(yīng)急處理

正常停機(jī)過程中，如果出現(xiàn)機(jī)組出口開關(guān)拒動時(shí)，應(yīng)設(shè)法在開關(guān)柜現(xiàn)地跳機(jī)組出口開關(guān)，出口開關(guān)真實(shí)斷開后，機(jī)組才可停機(jī)。

若出口開關(guān)不能斷開，應(yīng)先使同一母線上其他機(jī)組解列，并對廠用電進(jìn)行倒換，確保其他設(shè)備的可靠運(yùn)行，接著采取跳上一級開關(guān)。（即3F出現(xiàn)此問題，解列2F后跳902DL開關(guān)；2F出現(xiàn)此問題，解列3F后跳902DL開關(guān)；1F出現(xiàn)此問題，倒換廠用電后，跳101DL開關(guān)）。

出口開關(guān)拒動時(shí)，禁止按下PLC現(xiàn)地控制系統(tǒng)“緊急停機(jī)按鈕”。必須到開關(guān)柜現(xiàn)地使用絕緣棒直接斷開開關(guān)柜本體“紅色緊急分閘按鈕”。

2.3 技術(shù)改造

雖然制訂了防范措施和應(yīng)急技術(shù)處理方法，但從長周期安全穩(wěn)定運(yùn)行出發(fā)，經(jīng)研究還是必須進(jìn)行機(jī)組開關(guān)等系統(tǒng)的更新改造，以徹底杜絕隱患與事故。

開關(guān)改造選型。改造思路主要四個(gè)方面：考慮到機(jī)組開關(guān)平時(shí)運(yùn)行的特殊性，改造時(shí)不再考慮活動式手車，而選擇固定式斷路器操作機(jī)構(gòu)；一是為便于隔離操作，在斷路器兩端增設(shè)隔離刀閘操作機(jī)構(gòu)；二開關(guān)本體主體及其基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)加固，提高開關(guān)柜體的加工精度，防止震動變形；三是操作機(jī)構(gòu)必須動作可靠，與柜體配合科學(xué)合理，杜絕卡阻現(xiàn)象。

通過技術(shù)論證選型招標(biāo)，選擇KGN7-12/4000-63型開關(guān)柜配EVH4-12/T4000-63F型發(fā)電機(jī)出口真空斷路器固定安裝于柜內(nèi)；其余高壓開關(guān)柜選用KYN28A-12型開關(guān)柜配EVH1-12固封極柱式真空斷路器以中置手車式配柜。

KGN7-12/4000-63發(fā)電機(jī)出口開關(guān)：該柜為大電流、高開斷的高壓開關(guān)設(shè)備，額定電流為4000A，額定短路開斷電流為63kA；柜體結(jié)構(gòu)完全鎧裝，關(guān)鍵部件采用非導(dǎo)磁材料，解決大電流產(chǎn)生磁場而引起的鋼件發(fā)熱問題；風(fēng)道設(shè)計(jì)在自然風(fēng)冷卻條件下，可滿足1.1倍溫升的要求；“機(jī)械五防”聯(lián)鎖裝置完善加裝微機(jī)或電氣閉鎖，設(shè)備操作人員有可靠的安全保護(hù)。

EVH4發(fā)電機(jī)出口開關(guān)：全系列規(guī)格均使用GLS系列“集成化整體式的彈簧操動機(jī)構(gòu)”；擺動式壓縮合閘彈簧設(shè)計(jì)，提高了合閘彈簧的有效安全系數(shù)；斷路器主傳動通過pro/Motion機(jī)構(gòu)動力學(xué)分析和優(yōu)化設(shè)計(jì)，傳動效率、機(jī)械特性好、采用加強(qiáng)型底盤車設(shè)計(jì)增加剛性。配合使用該操作機(jī)構(gòu)的EVH系列斷路器，具有極高的可靠性；EVH4斷路器額定電流3150～6300A，額定短路開斷電流50～80 kA，短路關(guān)合電流最高達(dá)220kA，具有大電流、高開斷、技術(shù)性能穩(wěn)定、工藝要求高等特點(diǎn)，該系列發(fā)電機(jī)斷路器符合國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T14824—2008《高壓交流發(fā)電機(jī)斷路器》，通過了全套型式試驗(yàn)。

2.4 改造效果

2018年，通過分別對A、B兩電站共6臺機(jī)組出口開關(guān)及與其聯(lián)絡(luò)的6.3kV開關(guān)柜的全面改造，同時(shí)經(jīng)過近一年的運(yùn)行實(shí)踐，兩個(gè)水電站改造后其機(jī)組和開關(guān)均運(yùn)行穩(wěn)定可靠，無論遠(yuǎn)方集控中心操作還是現(xiàn)地手動操作以及各項(xiàng)試驗(yàn)指標(biāo)，均滿足或高于國家標(biāo)準(zhǔn)。

3 對系統(tǒng)設(shè)計(jì)的幾點(diǎn)思考與建議

3.1 對繼電保護(hù)設(shè)計(jì)的思考

電廠在失磁保護(hù)范圍設(shè)計(jì)時(shí)，不僅要考慮到作用于機(jī)組出口開關(guān)，為了防止機(jī)組在任何情況下拒動，造成故障范圍擴(kuò)大或減少故障損失，還需考慮將失磁保護(hù)和后備保護(hù)作用于主變開關(guān)延時(shí)跳閘，使故障范圍限制在最小范圍和最短承受故障時(shí)間，從而最大限度減少故障損失。

3.2 對監(jiān)控動作流程的思考

目前兩電廠監(jiān)控系統(tǒng)在設(shè)計(jì)一鍵停機(jī)和事故停機(jī)流程時(shí)，開關(guān)斷開和蝶閥關(guān)閉指令均采用并行出口，這種方式雖然能夠縮短作用時(shí)間、提高單方面同時(shí)作用控制對象的可靠性，但是卻無法躲避開關(guān)失靈后，導(dǎo)葉緊急關(guān)閉，引發(fā)機(jī)組異步震蕩。能否將開關(guān)斷開和蝶閥關(guān)閉指令控制，均采用串行出口，這樣以來任何情況下，開關(guān)即使拒動，原則上也不容易導(dǎo)致機(jī)組失穩(wěn)。

3.3 對開關(guān)位置判斷的思考

考慮能否在關(guān)閉導(dǎo)葉前，增設(shè)對機(jī)組開關(guān)位置的判斷程序，增加對開關(guān)位置判斷，以增加正確動作指數(shù)。

4 結(jié)束語

A、B兩廠機(jī)組及6.3kV系統(tǒng)開關(guān)的成功改造，得到了有關(guān)領(lǐng)導(dǎo)、專家和開關(guān)廠家的大力支持，在相關(guān)工作人員的共同努力下，本次改造取得圓滿成功，為今后進(jìn)一步加強(qiáng)機(jī)組及系統(tǒng)開關(guān)的運(yùn)行、維護(hù)和管理，積累了成功經(jīng)驗(yàn)。