金溪水电站阻容保护装置故障原因调查分析

刘荣明

(中国水电顾问集团成都勘测设计研究院，四川 成都 610072)

1 前 言

金溪水电站位于四川省嘉陵江中游河段南充市蓬安县境内，电站以航运、发电为主，是一航电结合的综合利用枢纽工程。电站共装设4台灯泡贯流式水轮发电机组，单机容量37.5MW，总装机容量150MW。4台发电机与2台主变压器连成二组扩大单元接线;220kV侧采用母线线路组接线，出线一回。

根据本电站设计水平年短路电流计算成果进行电气设备选择，发电机出口断路器选用原装进口的西屋发电机专用真空断路器，型号为150VCPWRG型，装于XGN2－10Q(改)型户内箱型固定式高压开关柜内。在发电机出口回路真空断路器两侧配置有阻容保护装置，高压开关柜生产厂家为北海银河高科技产业股份有限公司。

本工程于2003年10月1日正式开工，首台机组于2006年4月发电运行，4台机组于2008年8月全部发电运行。

2 阻容保护装置故障情况

(1)1号机组10.5kV阻容保护装置的A相于2006年10月18日20:43分突然发生爆炸故障，并将阻容保护装置柜门炸飞，柜内装设的阻容保护装置为ZR5－10DF/0.1μf型。当时机组处于正常运行状态(负荷为6MW)，并未进行发电机断路器的操作，发电机出口电压为10.21kV，220kV线路电压为233kV，厂房的温度15℃左右。至发生故障时，1号机组累计运行353.82h，约14.74天，而阻容保护装置的动作计数器记录动作次数为197次。

(2)2号机组10.5kV阻容保护装置的A、B相于2008年1月27日18:10分突然发生爆炸，并将阻容保护装置柜门炸飞，柜内的阻容保护装置为ZR5－10DF/0.1μf型。当时机组处于正常运行状态(机组负荷为7MW)，并未进行发电机断路器的操作，发电机出口电压为10.16kV，220kV线路电压为232kV，厂房的温度8℃左右。至发生故障时，2号机组累计运行917.11h，约38.22天，阻容保护装置的动作计数器记录动作次数为2次。

3 故障原因分析

业主对此故障十分重视，邀请了相关专家组成故障调查组到现场进行了故障调查分析，主要分析结果如下:

(1)发电机至主变压器回路配置阻容保护装置的主要目的是保护发电机和主变压器的绝缘不因真空断路器的操作过电压而受损害。从两次事故记录来看，阻容保护器爆炸时，机组、变压器等参数均在正常范围内，真空断路器未进行任何操作，且阻容保护装置平时动作过多。认定本次故障为阻容保护装置的设备故障。

(2)阻容保护装置故障不应该把开关柜的门炸离几米远，开关柜制造厂家应重新提供开关柜内的内部故障电弧试验及机械试验型式试验报告。

(3)根据10kV开关柜采购技术协议要求，阻容保护装置的参数选择，由开关柜制造厂家，根据本电站的实际电气参数，进行过电压的详细分析计算，根据计算及分析结果选择合理的阻容保护装置参数值，但到故障发生前为止，厂家未提供相关的资料。因此，阻容保护装置参数值的配置是否合理有待分析。

4 故障处理

为了保证电站安全稳定运行，经复核计算并参照嘉陵江梯级电站其他工程的阻容保护装置的配置方案，先后于2008年8月底前将发电机组的阻容保护装置设备全部更换为西安旭阳产品，设备产品型号为 ZRN21－12－0.16/100型，额定电压 Ue=12kV，电容值 C=0.16μf，电阻值 R=100Ω，绝缘电阻值100000兆Ω，直流耐压值50kV。至今已安全运行2年多时间，电站运行也一切正常。

5 阻容保护装置配置的必要性

(1)配置阻容保护装置主要是保护发电机和变压器绝缘不因发电机出口回路真空断路器的操作过电压上升陡度而受损害。阻容保护装置的电容有足够容量吸收截流产生的操作过电压的能量，从而降低过电压的陡度，使发电机和变压器的绝缘免受危害。装设避雷器只能降低过电压的幅值，而阻容保护装置利用电容器吸收能量，降低因真空断路器的操作过电压的陡度，且利用电阻的阻尼作用使振荡迅速衰减。

(2)当发电机出口回路开关(真空断路器型)不加阻容保护时，在所有避雷器全投入情况下，经研究发现:当发电机回路开关切短路故障或切空载变压器，发电机回路开关操作产生的最高过电压(截流过电压)为:开关断口间最高电压为发电机出口额定电压的3.5Ue(Ue=10.5kV);断路器的发电机一侧对地最高电压约为3.11Ue;断路器的变压器一侧对地最高电压为2.55Ue。

(3)断路器端对地电压高、陡度大的主要原因是由于真空环境的强大的灭弧能力，在开关开断后电流未过零时截断电弧电流，以致产生很高的过电压，使得断路器两端对地电压中含有高次谐波电压，频率主要在2800～6900Hz范围内。高次谐波电压的频率随故障点位置不同而不同。高次谐振电压分量的幅值较大，由于回路中电阻较小，因而开关开断之后高次谐波电压分量衰减较慢。高次谐振电压叠加在工频电压上，使得在发电机回路开关开断之后，开关两端对地、开关断口之间就会产生幅值很高、陡度很大的操作过电压。陡度很大的过电压将会对发电机或变压器的匝间绝缘造成损坏。要限制开关断口间及两侧对地过电压幅值及陡度，就必须加阻容保护，限制过电压陡度，而避雷器只能限制其幅值不能限制陡度。

(4)如果只在发电机回路真空断路器某一侧加阻容保护，那么加阻容的这一侧端点对地过电压中的陡度受到了很好的抑制，而未加阻容保护的那一侧端点对地电压陡度没有变化。若在真空断路器两侧都增加阻容保护，则两侧端点对地电压中的过电压陡度都会得到很好抑制，过电压陡度都明显降低。

6 小 结

(1)通过对金溪水电站阻容保护装置故障原因的调查分析表明，阻容保护装置参数的选择必须委托有资质的单位进行分析计算后确定。

(2)真空断路器作为发电机出口时，在断路器开关两侧配置阻容保护装置，保护发电机和主变压器绝缘不因发电机回路真空断路器的操作过电压而受损害是必要的。

(3)阻容保护装置的质量必须达到技术要求。并应落实阻容保护装置的生产厂家、选用的材料等。

(4)阻容保护装置应配置动作计数器，并安装在开关柜的面板上，以便运行人员能随时观察阻容保护装置的运行及记录动作次数情况，便于及时发现问题提前处理，避免给电站安全运行带来危害及不必要的经济损失。