抽水蓄能機組出口開關短路故障原因淺析

董翰寧，董錦川

（1.國網新源控股有限公司電力檢修分公司，北京 100053；2.國網新源控制有限公司潘家口蓄能電廠，河北 唐山 064300）

1 電廠概況

某抽水蓄能電站接近電網負荷中心。電站裝機安裝6臺30萬kW立軸可逆混流式水泵水輪機/發電電動機組、機組總容量180萬kW。電站樞紐主要建筑物有上庫、引水道、地下廠房、尾水道及下庫等。上水庫總庫容1 059.89萬m3，下水庫總庫容1 094.48萬m3，上水庫正常蓄水位959.50 m；下水庫正常蓄水位339.30 m，機組額定水頭599 m，電站年平均發電量40.20億kW·h,年發電利用小時2 233 h,接入華東電力電網聯網運行;減少火電頻繁調整出力和開啟，改善運行條件，降低煤耗，同時兼有填谷、調頻和調相等功能，承擔系統峰谷差360萬kW任務。

2 事件經過

2021年06月04日16：02，某抽水蓄能電站 1號機組由停機工況轉為發電工況運行；16：02：42中控室值班人員執行1號機組發電操作；16：05：32 1號機組到達空載態；16：05：42監控顯示1號機組 GCB01合位，1號機到達發電態；16：06：22監控顯示1號機組有功調節完成，機組發電出力增至150 MW；16：06：30中控室值班人員在監控系統內執行1號機組有功從150MW升至225 MW操作；16：06：44 監控顯示發電機A/B套保護總跳閘信號輸出，保護盤柜顯示定子接地保護動作（此時機組功率約為 219.2 MW,導葉開度約為 56%）；16：06：44 監控顯示1號機電氣事故停機流程啟動，1號機組GCB01跳開、滅磁開關跳開；16：06：45監控顯示1號機GCB SF6壓力低報警；16：07：44 1 號機導葉全關；16：07：51 1號機球閥全關；16：08：19 1號機 PRD 全分位；16：09：08中控室人員啟動備用機組，執行6號機發電操作，滿足系統負荷需求；16：11：59 GCB06 合位，6號機發電態；16：14：19 6號機有功調節完成，發電帶300 MW負荷運行；16：20：06監控顯示1號機停機態。

3 處理過程

3.1 值守人員

中控室值班人員立即匯報當班運維負責人和ONCALL主任，同時監視故障機組停機流程，并啟動備用的6號機組發電，同時，立即向調度說明現場情況。

3.2 ON-CALL人員

現場監盤人員發現發電機保護A/B柜跳閘信號，查看保護柜顯示定子接地保護動作，機組電氣事故停機流程啟動，1號機GCB分閘后SF6壓力低報警，立即匯報當班運維負責人。

（1）運維負責人立即匯報ONCALL主任，并通知檢修人員進場；同時安排人員監視故障機組停機和備用機組發電；

（2）運維負責人通知公司消防隊伍進廠，安排運維人員與消防人員一同佩戴正壓式呼吸器進入1號母線洞檢查；

（3）在確認1號機GCB和PRD分位后，運行人員拉開1號機母線洞設備（PRD01）控制柜電源，做好一次的隔離；

（4）經查現場無明火現象，運維人員采取通風措施后檢測現場氣體含量正常；

（5）進一步檢查時發現GCB A相底座有破損、地面有碎屑，運行人員立即執行1號GCB檢修隔離操作；

（6）1號機電氣事故停機流程啟動后，在無其他異常和故障擴大情況下，電站運維人員立即啟動備用機組發電，未影響當日負荷計劃；判斷故障點為1號機GCB區域，立即采取有效通風措施并檢測氣體含量正常后，組織人員將1號機GCB隔離，過程中未見其他異常。

3.3 維護人員

（1）情況梳理：2021年06月 04日16：06：44，1號機組發電并網升負荷過程中因發電機定子接地保護動作電氣事故停機，經分析保護正確動作；初步判斷為發電機出口開關GCB01設備內部存在接地故障。

（2）問題排查：通過觀察窗發現1號機GCB A相滅弧室軟連接處有煙熏痕跡，打開1號發電機出口開關GCB01外殼頂部蓋板，發現A相滅弧室底部存在破損，B、C兩相檢查未見異常；初步判斷1號發電機出口開關GCB01 A相故障導致定子接地保護動作。

圖1 滅弧室底座破損

圖2 滅弧室回裝后

（3）經檢查，1號機組保護A柜95%定子接地保護動作，1號機組保護B柜定子接地零序電流保護動作，保護配置及動作信息如下：

1）機組定子接地保護配置：1號機組保護A柜配置95%定子接地保護和三次諧波定子接地保護，95%定子接地保護動作于機組跳閘，三次諧波定子接地保護動作于報警。1號機組保護B柜配置注入式100%定子接地保護和零序電流保護，兩者均動作于跳閘。

2）保護動作分析：

首先，從圖3錄波情況看，2021年06月04日16：06：44.192，1號機端零序電壓瞬間增大至39.1 V,達到95%定子接地保護高定值（15 V,0.3 s），保護正確啟動；150 ms后，機端零序電壓下降至10 V以下，保護重新計時，458 ms后，接地高定值保護動作跳閘。保護啟動499 ms后，95%定子接地保護低定值（5 V,0.5 s）動作；95%定子接地保護高定值、低定值均正確動作。

圖3 故障錄波采樣

圖4 保護盤柜動作信息

其次，2021年 06月 04日 16：06：44.216,1號機組保護B柜定子接地零序電流保護啟動，定子接地零序電流達到2.43 A,定子接地零序電流保護定值為 0.55 A，0.5 s，499 ms后，保護動作跳閘，定子接地零序電流保護正確動作。

3）確定故障點：

從一次設備故障情況和保護動作情況分析，判斷1號機GCB A相滅弧室內部故障造成定子接地保護動作。

4）處理步驟：

①檢查檢修歷史記錄及試驗記錄，檢修項目齊全、試驗結果合格；GCB出廠報告、日常運維記錄及各項試驗數據均無異常；

②對1號機母線洞進行通風，并檢測氣體含量正常后，設備主人現場確認GCB01故障情況，并安排人員對GCB備品備件情況檢查、排查，準備好工器具，做好消缺準備；

③通知ABB廠家人員進廠配合檢查消缺；嚴格執行工作票，班組人員組織人員力量，與ABB廠家一起配合拆除1號發電機出口開關GCB01 A、B、C三相滅弧室，按照工藝要求進行備件更換；

④甩負荷后對發電機定子、轉子部件及導水機構檢查未見異常，盤車及定子搖絕緣均正常；1號機GCB滅弧室回裝完畢后進行GCB開關機械特性、回路電阻、耐壓及搖絕緣等試驗，各項數據均正常。

4 原因分析

（1）經分析判斷評估，在1號機GCB合閘后，A相主觸頭未充分接觸，負載電流大部分通過滅弧觸頭導流；滅弧觸頭急劇發熱熔融；造成滅弧室內部絕緣擊穿、對地放電，導致機組發電啟動過程中機定子接地保護動作跳機。

（2）在GCB合閘后，A相主回路觸頭沒有完全合到位，在機組升負荷時，負載電流大部分通過滅弧觸頭導流；由于滅弧觸頭材質為銅鎢合金，接觸電阻較大，在機組升負荷時，弧觸頭急劇發熱，溫度升高，滅弧觸頭及其附近部件熔融；在重力作用下，熔融物向下滴落，形成放電通道，造成滅弧室內部絕緣擊穿、對地放電，引發定子接地保護動作跳機。

（3）熔融物堆積到滅弧室底部，對底部金屬部件進行加熱，金屬部件機械應力降低，在定子接地保護動作后，GCB分閘動作瞬間滅弧室內部氣壓短暫升高波動，受熱后的滅弧室底部薄弱部分在氣壓和電弧綜合作用下被沖開，SF6氣體釋放。

5 暴露問題

（1）滅弧室機械傳動部件故障無有效的監測手段。

（2）對于類似缺陷缺乏有效檢測方法，且國內缺乏相應標準和規范的技術支撐。

（3）設備管理不到位，相關人員專業培訓、設備健康狀況分析不到位。

6 防止對策

為預防和控制同類缺陷再次發生，而采取的技術措施、管理措施，以及舉一反三的排查和防控措施等如下：

（1）做好GCB設備故障的事故預想并定期針對不同工況開展應急演練；

（2）加強相關專業培訓，提升類似故障處置能力；

（3）定期對滅弧室底部連桿及傳動桿進行檢查；

（4）在機組分合閘或升負荷至穩定后的15 min內避免人員靠近GCB設備部件。

7 結束語

本文針對某抽水蓄能電站水泵水輪發電機組在發電工況運行過程中，由于1號機組GCB合閘后，A相主回路觸頭沒有完全合到位，在機組升負荷時，負載電流大部分通過滅弧觸頭導流；由于滅弧觸頭材質為銅鎢合金，接觸電阻較大，在機組升負荷時，弧觸頭急劇發熱，溫度升高，滅弧觸頭及其附近部件熔融；在重力作用下，熔融物向下滴落，形成放電通道，造成滅弧室內部絕緣擊穿、對地放電，導致機組發電啟動過程中機定子接地保護動作跳機故障。經修復后，通過近一段時間設備的運行情況看，取得了比較理想的效果。同時也為抽水蓄能電廠今后的運行和設備維護提供了借鑒。