一起機組異常甩負荷事故的分析與處理

（四川華電木里河水電開發有限公司，四川 西昌 615000）

0 引言

甩負荷是指發電機組突然卸掉部分或全部負荷的現象，甩負荷對發電機組的安全穩定運行影響很大。具體表現為：

（1）當機組高負荷運行時甩負荷，機組機端電壓的升高會對機組的絕緣性能產生不利影響。

（2）甩負荷時，在短時間內機組轉速迅速升高，強大的離心作用會使機組及廠房發生強烈振動，還可能會對機組轉動部分及靜止部分造成破壞。

（3）甩負荷時，調速器動作將導葉由運行開度關至空載開度，這會在蝸殼內產生正水錘，造成壓力上升；另一方面，如果是事故停機，導葉全關，會在轉輪室內產生真空，如果向轉輪室補氣不足，尾水水流會倒灌進轉輪室產生負水錘[1-2]。

1 事故概況

上通壩電站裝有3 臺80 MW 立式機組，發電機機端電壓13.8 kV。接線方式為：1F 機組采用發電機-變壓器單元接線，2F 和3F 機組采用發電機-變壓器擴大單元接線，然后經220 kV上卡線與卡基娃電站220 kV GIS 相連，再經由卡基娃電站500 kV 送出線路與電網相連。上通壩電站主接線如圖1 所示。

2018 年5 月22 日，上通壩電站1F 和2F 機組熱備用，3F 機組運行。9:00 開始與調度做AGC（自動發電控制）聯調試驗。10:00 左右，監盤人員發現水機廊道照明消失，隨即中控室照明消失，緊接著3F 機組轉速迅速升高，幾秒后中控室照明恢復，有功功率突變導致單機AGC 退出，試驗中止。當即檢查事故記錄，發現最早2 條報文為：開關站220 kV 母線保護B 屏運行異常、開關站220 kV 故障錄波啟動動作。在分析事故記錄判斷事故情況的過程中，3F 機組出口斷路器跳閘。

2 事故原因分析

2.1 檢查情況

事故記錄顯示3F 機組跳閘是因空冷器冷風溫度過高所致，根據事故記錄和保護動作情況，一方面組織人員對設備進行檢查，另一方面聯系卡基娃電站了解情況?，F場檢查設備沒有發現明顯異常。聯系卡基娃電站得知，當時卡基娃電站1F 機組與大壩生態機組運行，10:15:57 卡基娃電站500 kV GISⅠ母保護動作，卡里線跳閘，卡基娃電站1 號、4 號主變跳閘；10:16:06 卡基娃電站生態機組跳閘。

2.2 事故原因分析

這次事故中有2 點異常：3F 機組在甩負荷后繼續運行發電，但廠用電消失；廠用電消失僅幾分鐘空冷器冷風溫度就達到事故停機值。

2.2.1 廠用電消失原因分析

電力系統在正常穩態運行點受到擾動后，如果負荷節點能夠穩定在系統運行范圍內，則系統電壓穩定；如果故障發生后平衡點超出系統運行限制范圍，則將發生電壓崩潰。

圖1 電站主接線

引起電壓不穩定的擾動大致分為兩類：由負荷連續增長引起的維持靜態電壓的系統能力的喪失；由發電機跳閘、輸電線路短路等大擾動引起的電壓不穩定現象[3-5]。從此次事故前后的情況來看，可以確定是卡基娃電站500 kV GIS 發生了短路或接地故障，卡里線跳閘造成上通壩電站3F 機組甩負荷。卡基娃電站事故所造成的擾動，破壞了無功平衡，使得系統的無功功率出現了較大缺額，由于是區外故障，所以上卡線線路保護并未動作跳開上通壩電站出線斷路器。從圖2—圖5 中可以看出，3F 機組增加勵磁電流后，3F 機組無功功率迅速升高，之后由于3F 機組甩負荷，轉速迅速升高，與此同時勵磁電流、電壓維持不變。正常情況下，機組甩負荷后，機組轉速上升，機組機端電壓會瞬時升高，此時勵磁調節器應該迅速動作減小勵磁，以維持機端電壓在原值或額定值。但實際情況是3F 機組轉速迅速升高的同時，勵磁電流、電壓卻維持不變?？ɑ揠娬?00 kV GIS 發生故障后，雖然保護動作切除了故障，但造成上卡線、上通壩電站的無功功率出現較大缺額。為了維持上通壩電站3F 機組機端電壓，3F 機組過勵，增發無功。但3F 機組機端電壓并沒有升高，而是在繼續下降。系統電壓的高低與無功功率有關。從圖2—圖5 可以看出，3F 機組提供的無功已經達到極限，無力提供更多的無功以穩定電壓，于是出現3F 機組在轉速上升的同時，勵磁維持不變的情況。

電壓降低會對電站低壓電氣設備造成影響，具體表現為：

（1）400 V 進線斷路器會因為失壓保護動作而跳閘。

（2）交流接觸器在額定電壓80%時能保證可靠吸合，其釋放電壓為額定電壓的20%～70%，當電壓低于設備交流接觸器可靠吸合電壓時，設備控制回路交流接觸器便會跳閘，導致設備停運。

（3）軟啟裝置失壓保護動作，導致電機停運[6-8]。根據事故記錄10:15:58 3F 機組電壓低于額定電壓的85%，10:16:00 廠用電消失，10:16:06 3F 機組電壓降至額定電壓的10%。

10 kVⅡ母電壓降低導致廠變低壓側電壓降低，影響低壓側運行。低壓側電壓隨著10 kVⅡ母電壓的降低而持續降低，直至降低到廠用400 V進線斷路器因失壓保護動作跳閘，致使廠用電消失。

圖2 事故后機組及出線電壓

圖3 3F 機組轉子電流與勵磁電壓

圖4 3F 機組轉速

2.2.2 3F 機組空冷器冷風溫度過高原因分析

圖5 3F 機組功率

發電機組運轉時冷卻水中斷，一般都會出現因軸瓦溫度過高而報警的情況。但這次事故中，直到3F 機組停機都沒有出現各導軸承軸瓦溫度過高的情況，3F 機組在廠用電消失2 min 左右空冷器冷風溫度就達到報警值（45 ℃），在之后的1 min 內達到事故停機值（50 ℃）。

查詢機組運行記錄后發現電站各機組風洞內溫度都存在偏高的情況，在氣溫較高或負荷較重時，曾多次出現空冷器熱風溫度達到報警值的情況。查閱相關資料后發現，風洞內溫度高與機組空冷器冷卻水管路未全開以及電站的技術供水系統有關。

該電站各機組空冷器冷卻水管路閥門僅開了1/3，原因是當初機組調試時發現：機組空冷器冷卻水管路全開時，機組空冷器冷卻水流量、壓力滿足要求，但各導軸承的冷卻水流量、壓力不達標。經過調整將機組空冷器冷卻水管路閥門僅開啟1/3，機組空冷器以及各導軸承冷卻水流量、壓力達標。

技術供水方式可大致分為一次供水與循環供水2 種方式。一次供水方式適用于河水水質較好的電站，其直接從壓力鋼管、頂蓋、尾水等處取水，結構簡單，效率高。在水質較差的地區，尤其是在汛期，泥沙、樹葉等雜物進入管道，會造成技術供水系統供水量減少，水壓降低，嚴重影響機組冷卻效果，這種情況下就適合采用循環供水方式，這種供水方式常見于燈泡貫流式機組和一些河道原水水質較差的立式機組[9]。

上通壩電站技術供水系統設有2 種取水方式，主用為循環供水方式，備用為頂蓋取水方式，2 種方式通過電動三通閥進行切換。相較于一次供水，循環供水方式冷卻水密閉循環，重復利用，不受河水水質影響，保證了空冷器不易結垢，方便運行維護[10-12]。由于河水與二次冷卻水存在溫度梯度，而且熱交換效率不可能達到100%，所以循環供水方式相較于一次供水，冷卻水水溫略高[13-14]。上通壩電站所處位置，夏季河水最高月（6 月）平均水溫在15 ℃左右。技術供水數據（8 月測量數據）如表1、表2 所示。

表1 技術供水數據（15:25 時測量值，河水溫度13.1℃）

表2 技術供水數據（16:05 時測量值，河水溫度13.8℃）

按照設計要求，循環冷卻器應有足夠冷卻余量以保證機組冷卻水溫度低于25℃。夏季機組在正常出力范圍內帶高負荷時，各導軸承振擺均在正常范圍內，但各導軸承溫度均偏高。經計算證實，循環冷卻器的散熱面積不夠，河水溫度在14～15 ℃時無法達到設計要求，當河水溫度在12～13 ℃時才能保證達到設計要求，可見循環冷卻器冷卻能力不足是導致機組運行溫度偏高的根本原因。

頂蓋取水方式不消耗額外的水能，通過止漏環間隙的水，水質已經相當清潔，不需要再進行過濾。頂蓋取水方式的缺點就是在水頭較低時，機組空載或低負荷運行，技術供水流量及水壓較低，不一定能滿足機組運行要求；在高水頭情況下水壓較高，壓力變化較大[15]，而頂蓋水壓過高會增大主軸密封漏水量以及造成自然補氣失敗。所以頂蓋取水方式需在測得流量和壓力滿足要求后才可投入使用。由于并未對頂蓋取水方式進行過試驗，不清楚水壓及水量波動的具體情況，所以一直使用循環供水方式而沒有使用頂蓋取水方式。

機組空冷器冷卻水管路未全開和循環冷卻器冷卻能力不足共同造成了風洞內溫度偏高，加上這次事故中機組過勵導致轉子繞組溫度升高，而冷卻水中斷使得不斷增長的熱量積聚于風洞內無法被帶出，所以3F 機組空冷器冷風溫度在短短幾分鐘內就上升至事故停機值，造成3F 機組因空冷器冷風溫度過高而跳閘停機。

3 事故處理

先斷開上卡線斷路器以及2 號主變高壓側斷路器。為了確定甩負荷后，3F 機組與2 號主變是否存在問題，先對3F 機組定子、轉子部分以及2號主變進行檢查，經檢查一切正常；隨后對3F機組以及2 號主變做零起升壓試驗，經試驗檢查一切正常；最后由3F 機組帶廠用電，待卡基娃電站事故處理完畢后并網發電。

要解決機組運行溫度偏高的問題，最直接的辦法是采用備用的頂蓋取水方式對機組進行冷卻，但由于從未使用過此種方式，還需做頂蓋取水試驗，根據機組在各種情況下的運行數據來確定能否使用頂蓋取水方式。若頂蓋取水方式無法滿足機組運行要求，只能使用循環供水方式，則需要等到枯水期檢修時更換冷卻容量符合要求的循環冷卻器，或者在原有冷卻器基礎之上進行技術改造增設冷卻器。目前只有通過打開風洞門的方式加強散熱。

4 防范措施

此次事故中如果處置得當完全能夠避免事故的發生，但由于人員能力不足，加之設備原因致使留給運行、維護人員處置的時間不足，導致了事故的發生。為防范卡基娃電站再次出現類似事故，上通壩電站做了兩方面準備。一是人員方面，加強人員培訓，針對這次事故編寫事故預案，以供今后應對此類事故參考。二是設備方面，暫時通過打開風洞門的方式加強散熱，降低機組運行溫度。

5 結語

此次甩負荷事故是由于外部故障引起，最終因3F 機組空冷器冷風溫度過高造成事故停機。通過此次上通壩電站3F 機組甩負荷事故中廠用電消失過程的回顧和3F 機組空冷器冷風溫度過高原因的分析，給出相應處置方法和防范措施，可供其他電廠解決類似問題借鑒參考。