某電廠機組出口斷路器合閘失敗原因分析及處理

黃世超，朱恩飛

(雅礱江流域水電開發(fā)有限公司，四川成都 610051)

0 引言

某大型水力發(fā)電廠發(fā)電機組采用發(fā)變組一體化接線方式。其中，發(fā)電機出口至主變壓器的低壓側(cè)連接段為封閉母線及GCB一體化形式，減小了維護工作量[1]。封閉母線電壓等級為20 kV，生產(chǎn)廠家為江蘇大全；發(fā)電機斷路器系統(tǒng)(Generator Circuit Breaker，以下簡稱GCB)。GCB型號為HEC 7S，生產(chǎn)廠家為ABB。

如圖1所示，201為GCB的斷路器，2011為GCB的隔離開關(guān)，2017為GCB的發(fā)電機出口端地刀，20117為GCB的主變低壓端地刀。GCB內(nèi)在斷路器兩側(cè)裝有電容器以穩(wěn)定電壓。

圖1 主接線圖

1 異常現(xiàn)象

該機組停運備用3天后，在開機并網(wǎng)時，機組開機至空載態(tài)正常，轉(zhuǎn)入并網(wǎng)過程中，報“并網(wǎng)失敗、流程退出”故障。

2 檢查及分析

為減小機組并網(wǎng)時對電網(wǎng)的沖擊和設(shè)備的損傷，延長設(shè)備的使用壽命，機組出口斷路器合閘動作均為三相同期合閘方式。需要滿足的條件為：發(fā)電機已達到額定轉(zhuǎn)速，即發(fā)電機側(cè)電壓頻率與電網(wǎng)電壓頻率一致；發(fā)電機機端各相電壓幅度上升至與電網(wǎng)對應(yīng)相的電壓幅度接近；發(fā)電機機端電壓相位調(diào)整至與電網(wǎng)電壓相位接近。

由于異?，F(xiàn)象出現(xiàn)在機組空載態(tài)至并網(wǎng)發(fā)電態(tài)的過程中，結(jié)合設(shè)備結(jié)構(gòu)和并網(wǎng)流程，判斷“并網(wǎng)失敗”的原因可能有：GCB故障，信號缺失導致GCB無動作，設(shè)備故障導致并網(wǎng)條件不滿足引起流程退出。具體分析如下：

2.1 GCB故障

通過查看設(shè)備故障記錄，未發(fā)現(xiàn)GCB合閘拒動故障報警信號；現(xiàn)場檢查GCB操作機構(gòu)的三相聯(lián)動桿，未發(fā)現(xiàn)聯(lián)動桿斷裂等異常現(xiàn)象；依據(jù)歷史檢修記錄，未發(fā)現(xiàn)GCB拒動等故障；現(xiàn)場檢查GCB的斷路器氣室SF6壓力正常，檢查GCB的操作機構(gòu)彈簧壓力正常，初步排除了GCB內(nèi)部故障可能性[2]。

2.2 信號缺失導致GCB無動作

查看機組各流程信號并對比以往開機并網(wǎng)的信號記錄，發(fā)現(xiàn)本次開機過程的信號中，未發(fā)現(xiàn)監(jiān)控發(fā)送給GCB的合閘動作信號。信號缺失分為兩類：

(1) 信號未發(fā)出。

查看監(jiān)控記錄，發(fā)現(xiàn)機組自空載態(tài)開始，發(fā)電機機端電壓逐漸升高直到流程超時，機端電壓與主變低壓側(cè)電壓未能達到并網(wǎng)條件，并網(wǎng)合閘信號未發(fā)出。

(2) 信號中途丟失。

信號丟失主要是回路斷線導致，由上述分析可知，信號并非中途丟失[3]。

2.3 設(shè)備故障導致并網(wǎng)條件不滿足引起流程退出

機組達到了空載態(tài)，則發(fā)電機已經(jīng)穩(wěn)定運行，轉(zhuǎn)速達到了額定轉(zhuǎn)速，開始準備勵磁升壓。由空載態(tài)到并網(wǎng)態(tài)，主要的變化為勵磁系統(tǒng)開始升壓，發(fā)電機機端電壓隨之升高；當機端電壓與電網(wǎng)電壓基本一致且相位差接近于零時，斷路器合閘實現(xiàn)機組并網(wǎng)發(fā)電。

結(jié)合設(shè)備運行狀態(tài)分析，并網(wǎng)條件不滿足主要是在額定時間內(nèi)，發(fā)電機機端電壓與電網(wǎng)電壓相差過大導致斷路器無法合閘或者電壓調(diào)整時間偏長引起相位差不滿足并網(wǎng)條件。

3 故障根源排查

由上述分析可知，斷路器本體無明顯故障。本次斷路器合閘失敗的原因為：在系統(tǒng)設(shè)定的時間內(nèi)，控制系統(tǒng)檢測到的發(fā)電機機端電壓與主變低壓側(cè)電壓未能達到并網(wǎng)條件，并網(wǎng)合閘信號未發(fā)出，未能成功啟動斷路器合閘動作命令。進一步分析流程，并網(wǎng)條件不滿足的原因如下：

(1) 斷路器兩端電壓實際值異常。主要有：發(fā)電機勵磁系統(tǒng)異常導致發(fā)電機機端電壓上升過慢，在規(guī)定時間內(nèi)發(fā)電機機端電壓與主變低壓側(cè)電壓實際偏差值過大，無法實現(xiàn)正常并網(wǎng)；主變低壓側(cè)三相電壓值不平衡，差值過大導致發(fā)電機機端三相電壓值與主變低壓側(cè)電壓值不一致，無法實現(xiàn)正常并網(wǎng)。

調(diào)取保護裝置記錄的各電壓互感器電壓值，發(fā)現(xiàn)在額定時間內(nèi)，發(fā)電機機端電壓A、B、C三相已達到20 kV，與系統(tǒng)額定電壓一致，初步排除了勵磁系統(tǒng)異常故障可能性。電壓值數(shù)據(jù)顯示：主變低壓側(cè)的1BYH測量的電網(wǎng)電壓AB相及BC相的相間電壓值均為18.4 kV，遠低于1BYH測量的電網(wǎng)電壓AC相相間電壓值20 kV，初步判斷本次合閘失敗是主變低壓側(cè)電壓三相不平衡引起。

進一步分析，引起B(yǎng)相電壓值實際值偏低的原因可能有：電網(wǎng)電壓B相偏低或主變壓器異?；驒n位錯誤導致低壓側(cè)B相電壓偏低?？紤]電網(wǎng)電壓相對穩(wěn)定，排除該可能性；查閱主變壓器檢修記錄及現(xiàn)場設(shè)備狀態(tài)，發(fā)現(xiàn)主變壓器無故障，B相檔位與A、C相一致，排除此可能性。

(2) 電壓監(jiān)測值異常。由上分析可知，B相電壓實際值正常，數(shù)據(jù)偏低為監(jiān)測系統(tǒng)故障導致。由圖1可知，斷路器兩端的電壓監(jiān)測設(shè)備為電壓互感器，其中電網(wǎng)側(cè)共一組，為1BYH，發(fā)電機側(cè)共三組，分別為11YH、12YH、13YH，實際使用的為11YH。因電壓互感器異常導致測量的電壓值與實際值不一致，而機端電壓調(diào)整按測量值進行，即使機端電壓與電網(wǎng)電壓滿足并網(wǎng)條件也會造成系統(tǒng)誤判為并網(wǎng)條件不滿足。

進一步分析，引起電壓互感器測量值偏低的原因可能有：電壓互感器高壓繞組異?；蛘叩蛪簜?cè)繞組回路異常。依據(jù)現(xiàn)場設(shè)備實際情況，電壓互感器共3個低壓繞組，其中第一、二個低壓繞組電壓均送至保護故障錄波裝置。分析保護裝置的記錄，發(fā)現(xiàn)B相電壓互感器記錄的兩個低壓繞組電壓完全一致，均低于A、C相對應(yīng)低壓繞組電壓，經(jīng)變比計算，與實際測量值一致，初步排除了低壓繞組回路故障可能性，判斷故障根源為主變低壓側(cè)B相電壓互感器高壓繞組異常。

4 故障處理及分析

因主變壓器屬于國調(diào)管轄設(shè)備，且發(fā)電機至主變壓器采用的是封閉母線接線形式，主變停電需要經(jīng)過繁瑣的審批流程。電壓互感器的高壓繞組額定電流為5 A，帶電分斷時產(chǎn)生的電弧小，對系統(tǒng)沖擊較小。經(jīng)討論，決定采用帶電作業(yè)形式檢查、處理該電壓互感器。

將主變壓器低壓側(cè)B相電壓互感器低壓繞組接線插頭拆除，使用萬用表測量電壓互感器本體側(cè)的低壓繞組電壓，測量值與故障時保護裝置記錄的數(shù)值一致，確認電壓互感器高壓繞組異常。

將電壓互感器拉至檢修位置，對電壓互感器進行預(yù)防性試驗，試驗合格。對電壓互感器高壓側(cè)熔斷器進行導通測試，發(fā)現(xiàn)熔斷器已熔斷，電阻值顯示為無窮大。更換同型號熔斷器并將電壓互感器推至工作位置后，檢查電壓互感器測量的電壓值已恢復正常，約20 kV，故障消除。重新啟動機組開機并網(wǎng)流程，斷路器合閘正常，機組順利實現(xiàn)了并網(wǎng)發(fā)電。

電壓互感器高壓側(cè)熔斷器熔芯熔斷后會形成距離較小的斷口，斷口的電壓為母線對地電壓，約11 kV，高電壓會在斷口處形成電弧連接并出現(xiàn)電壓降，造成電壓互感器高壓繞組兩端電壓下降，導致電壓互感器低壓繞組測量的電壓值偏低。引發(fā)斷路器無法在額定時間內(nèi)達到合閘并網(wǎng)條件，觸發(fā)了“并網(wǎng)失敗、流程退出”故障。

5 結(jié)論

本次斷路器合閘失敗故障原因為：安裝于斷路器兩側(cè)用于判斷并網(wǎng)條件的電壓互感器高壓側(cè)熔斷器熔斷導致電壓測量值偏低，引起系統(tǒng)誤判為并網(wǎng)條件不滿足，消耗了大量時間來調(diào)整機端電壓，最終造成系統(tǒng)超時退出。

電壓互感器高壓側(cè)的熔斷器是高壓設(shè)備中的易損件，壽命比其它設(shè)備偏短，一旦熔斷可能造成發(fā)電機并網(wǎng)失敗、停運等故障。平時應(yīng)加強觀察，發(fā)現(xiàn)異常及時更換。檢修過程中應(yīng)定期更換，避免造成不可控的停機事故[4]。

本次通過帶電作業(yè)方式更換損壞的熔斷器，及時消除了故障，最大限度的減小了經(jīng)濟損失。為同類型設(shè)備故障處理提供了參考。