水电厂发电机非全相停机故障分析及对策

周少兵

(安康水力发电厂，陕西 安康 725000)

水电厂发电机非全相停机故障分析及对策

周少兵

(安康水力发电厂，陕西 安康 725000)

分析了发-变组开关非全相运行故障的原因，指出开关断路器分闸时振动大是造成开关非全相运行的主要原因，并给出了从二次回路改进、开关更新、修改操作流程、加强设备管理等方面应采取的防范措施，提高了水电厂开关设备运行的可靠性。

水电厂；发电机；停机故障；非全相运行

1 概述

某水电厂总装机容量为4×200 MW+1×5.25 MW。1990年12月该水电厂首台机组发电，1992年12月全部机组投产发电，是陕西省境内最大的水电厂，担负着系统的调峰、调频和事故备用任务。发-变组采用单元接线方式，主接线采用双母加母联接线方式，其中330 kV 3回出线分别与陕西省主网相连。

水电厂的电气一次主接线如图1所示。

图1 电气一次主接线示意

2 330 kV GIS 发-变组断路器存在的问题

该电厂由于担任了电网的调峰、调频任务，发电机组开、停次数较多，发-变组出口开关操作频繁。因330 kV开关分、合闸时振动大，造成开关机构连接件松动，给主设备带来了重大安全隐患。

2011-01-18，运行人员巡回发现3302开关、3303开关SF6压力监视表与底座脱焊，所幸未造成SF6气体泄露事故。2011-01-24，运行人员巡回发现3302，3303，3304等开关机构紧固件连接螺栓松动，因发现及时并立即紧固，未造成设备故障。2011-05-05，检修人员定检3305开关，发现A相开关机构控制挚子轴杆即将脱落，B相控制阀3个M12螺栓松动等重大设备缺陷。因发现及时并进行处理，未造成开关非全相故障。

2012-05-17，3号发电机停机过程中开关解列后机组发出“嗡嗡”的异音，持续约2 s。查故障记录知断路器跳闸时间：B相20:47:56:666，A相20:47:56:676，C相20:47:58:974，C相延迟了约2.3 s。“电调主阀动作”和“3303合位送机组状态监测”及“机组跳发-变组断路器”时间均为20:47:56:280，并报出“转子灭磁过电压”光字。故障期间转子电流最高1 750 A，“机组导叶大于全关”及“CB三相不同期报警”信息时间为20:47:57:690。对开关站3303间隔、风洞检查无异常，测量发电机转子绝缘合格。经检查分析，认为是3303开关断路器C相跳闸回路辅助接点因分闸时开关巨大的振动而抖动，引起开关跳闸时间延迟；又因开关非全相运行时间很短，所以未对3号发-变组造成损害。

3 水轮发电机停机时非全相运行的危害

（1）目前水轮发电机停机操作步骤是：先将发电机有功、无功功率降为0，然后再发停机指令。如果这时发-变组开关发生一相或者二相未断开，停机程序仍继续执行发电机逆变灭磁和全关水轮机导叶流程，这时发电机进入非全相运行状态。开关本体的三相不一致保护及发电机负序保护动作，以跳开本身开关；但因开关拒动，由负序保护启动开关失灵保护，跳开同一母线上相邻运行开关元件，造成停电范围扩大，甚至会发生全厂对外停电的重大事故。

（2）水轮发电机在开关非全相又遇到导叶全关并灭磁时，非全相运行对机组造成的危害更严重。

（3）开关非全相运行，如一相或二相开关在合位，主变压器中性点直接接地，这时主变压器中的零序电流3I0约为正常相电流的2倍；如负荷电流较大时发生非全相运行，处理不及时将会烧坏变压器绕组。

4 开关振动原因分析

该水电厂330 kV SF6全封闭组合电气(GIS)由西安高压开关厂与日本三菱公司合作生产，断路器型号为LW13-33(300-SFMT-50B)，自1990年投产已运行近20年，设备老化严重，运行中多次发生开关非全相运行故障，威胁主设备的安全。

为消除设备隐患，该水电厂和西安高压开关厂于2010-03-06开始对330 kV GIS断路器进行更换。新的GIS 330 kV断路器型号为LWG23-363。1号发电机接在110 kV侧，更改后的发-变组断路器采用弹簧操动机构，不存在操作振动大的问题。330 kV新、旧断路器结构特点对照情况如表1所示。由表1可以分析出：

(1) 330 kV GIS开关由双断口更换为单断口立式结构后，为提高开关分闸速度，将操作气压由1.5 MPa提高到1.6 MPa，开关分闸时振动较大，且分闸声过大，人员不敢靠近；

(2) 该水电厂为坝后式厂房，330 kV GIS设备安装在楼板上，断路器正常操作的剩余能量不能像直接安装在地基上那样被有效吸收，引起开关振动幅值异常增加。

5 防范及整改措施

5.1 停机流程三相全部跳开判据的改进

5.1.1   原停机流程存在的问题

经查看图纸发现，原停机流程中的开关辅助接点(常开)，是三相串联后接入发电机停机回路的。此接法的本意是停机令加上开关三相全部跳开后再执行发电机逆变灭磁和全关导叶指令；但串联接法无法区分一相、二相还是三相跳开，无法确保三相全跳开后停机，埋下了非全相故障隐患。

5.1.2   回路改进

如果将上述辅助接点由三相串联改为三相并联接入停机回路(见图2)，当开关发生一相或二相未跳开时，继电器Y1或者Y2常闭接点始终打开，机组停机回路M1，T1不会作用于发电机逆变灭磁及导叶全关，机组维持空载额定转速运行，为运行人员倒闸隔离故障开关提供了时机。

图2 发电机停机控制回路

表1 断路器操动结构的特点对照

2012年6月，该厂将2～4号发-变组断路器辅助接点由串联改为并联接入发电机停机控制回路(1号发-变组为三相操动机构，停机控制回路原来只用1对常开接点，无需改进)，从判断三相全断开原理层面上防止了断路器非全相停机故障的发生。

5.2 修改停机流程

(1) 修改现场操作规定，将水轮发电机从电网解列停机的流程改为：运行人员先将发电机有功、无功功率降至0，再断开发-变组断路器，经现场确认断路器三相均已分开后，再下发“停机”指令停机。

(2) 水轮发电机开机并网操作也重新规定：发电机并网后，运行人员先确认发-变组断路器三相均已合上，再增加有功、无功功率。

5.3 断路器更新

为了彻底消除设备隐患，从2014年3月起，该电厂相继将2～4号发-变组断路器更换为西安高压开关厂生产的LWG-363/Y3150-50G型液压弹簧操动机构断路器。陕西省电科院现场测试表明，该型号断路器动作3 000次无异常，具有分闸速度快、振动小、易维护等优点，非常适用于该水电厂现场运行。

5.4 加强对断路器的管理维护

目前，该水电厂还有330 kV线路、母联、5号联变高压侧GIS开关暂未更新，它们存在与原1～3号发-变组开关相同的缺陷。因此，必须加强对此类开关的管理维护。

(1) 断路器每次分闸操作后，运行值班人员应对断路器操作机构箱内的设备外观状况进行全面检查，发现异常情况应及时采取措施并通知检修部门检查、处理。

(2) 加强对断路器操作机构箱的检查、紧固处理。运行经验表明，尚未更新的断路器分、合闸动作累计超过30次，断路器机构紧固螺栓就会有松动现象。因此，检修部门应在断路器分、合闸动作累计30次时，对断路器操作机构箱进行检查、紧固工作。

(3) 加强对断路器辅助接点的检查和调整，确保辅助接点转换、接触可靠。对于发-变组停机回路中三相并联接点，还必须进行回路完好性检查和试验。

6 结束语

(1) 将水电厂发-变组断路器更换为液压弹簧操动，是消除振动、提高开关设备安全可靠性的根本性措施。

(2) 开关辅助接点并联接入机组停机回路，是防止非全相故障的有效技术安全措施。该水电厂3台发-变组开关换型改造时即采用了此改进措施。

（3）该水电厂3台发-变组开关换型改造完成后，采用修改后的运行操作管理规定，为防止发电机非全相停机故障又增加了一层防护。

（4）断路器更新选型时，应充分考虑断路器安装位置对其操作性能的影响；须经充分论证，在可行性、可靠性得到确认的前提下立项施工，避免因选型不当、匆忙上马而造成损失。

1 周廷虎．安康水电厂计算机监控系统改造[J]．水电厂自动化，2005(3).

2 高春如．大型发电机组继电保护整定计算与运行技术[M].北京：中国电力出版社，2010.

2014-11-13；

2015-02-13。

周少兵(1972-)，男，工程师，主要从事水电厂运行工作，email：guangming09577@163.com。