一起发电机出口隔离开关合闸故障分析及思考

王 强，王德军，李长泉

(中国长江电力股份有限公司溪洛渡水力发电厂，云南 永善 657300)

隔离开关是电力系统中常见的电气设备。其主要作用主要在分闸后，建立可靠的绝缘间隙，将检修设备与电源以一个明显的断开点隔开，以保证检修人员和设备的安全。隔离开关分闸不到位，若此时合上相应地刀将会导致严重的安全事故，同时也会对人员设备安全造成危害。隔离开关合闸不到位，则会造成刀闸触头发热，影响载流性能，或者造成设备缺相运行，严重时甚至会引起刀闸间隙放电，导致弧光接地短路等严重事故，损害设备，影响电力系统的稳定运行[1]。隔离开关动作后，确定其是否分合闸到位，是保证隔离开关安全运行的重要保障。

1 故障经过

1.1 事故前发电机运行工况

某电站电气主接线为4/3接线和3/2接线，11号发电机采用20 kV单元接线，发电机出口开关使用瑞士ABB公司生产的HEC8型GCB成套装置，包括出口开关211、隔离刀闸2111、接地刀闸2117和21117。11号发电机通过11号主变11B将电压由20 kV升至500 kV接入4/3电气主接线系统；10 kV厂用电系统电源取自主变低压侧，通过厂用变压器将电压降至10 kV，然后经过开关接入10 kV母线。11号发电机单元接线如图1。

图1 11号机组单元接线图

1.2 事故经过

2019-02-20T08:10:26，运行值班人员在监控系统远方合上11F机组GCB出口刀闸2111，于08时11分31秒发令11F机组开机至并网。08时15分40秒，11号机发电机出口开关211合闸，机组并网。监控系统显示发电机定子三相电流基本平衡；8时16分09秒，监控系统报警栏报“11F：B套发电机定子接地保护跳闸动作”、“11F：B套发电机保护动作停机动作”、“11F：电气事故停机动作”等信号，检查11号机发电机出口开关211分闸，11号机紧急停机流程启动。现场检查11F定子接地保护范围一次设备，发现2111刀闸B相处有灼烧痕迹，BC相间操作连杆脱落。

1.3 保护动作情况

该电站配置2套发电机保护，分别采用不同原理的定子一点接地保护。A套为低频注入式定子一点接地保护，B套为基波零序电压和三次谐波零序电压定子一点接地保护。机组跳闸后检查11F发电机B套保护装置报“定子零序电压”、“TJ3-跳闸出口3～TJ6-跳闸出口6”信号，柜面“跳闸”指示灯点亮；11F发电机A套保护装置报“定子接地启动”信号，无跳闸信号。初步断定发电机定子至GCB外侧CT间一次回路有接地故障。经分析，3次故障启动时刻的定子接地电阻测量值最低达到2 kΩ，仅小于装置报警定值5 kΩ，未达到A套保护跳闸定值1 kΩ，且结合录波分析，电压实际有5次突变，但最长持续时间为0.3 s，未达到跳闸时间延时定值0.5s，故A套保护装置仅报警，未发出跳闸。检查B套发电机保护装置动作情况，基波零序电压定子接地保护动作出口，跳发电机出口211开关、灭磁、停机。B套发电机保护零序电压定值为14.8 V，时间定值为0.3 s。故障时刻机端零序电压达到95 V左右(录波数据)，最后1次闪络接地持续时间达到0.3 s，随即跳闸出口。

1.4 一次设备检查情况

检查11F风洞内无明显异常，封闭母线及机端YH、中性点设备、励磁变设备无明显异常；检查11F发电机出口2111刀闸C、B相间操作传动机构脱落，2111刀闸B相观察窗有放电痕迹。

2 故障原因分析

2.1 GCB及隔离开关结构

该电站发电机断路器(GCB)布置在封闭母线(IPB)设备的中段，主要部件有断路器、隔离开关、接地开关、冲击保护电容、风机、现地控制柜等，其结构如图2所示。GCB一般采用远方操作，现地不允许带电操作。

图2 GCB结构图

隔离开关采用卧式、管状设计型空气绝缘开关。在合闸位置时，动触头管与两端的触指啮合。触指在外壳周围呈环形布置。驱动机构通过灭弧室底座下方的操作连杆及外罩内的齿轮驱动触头管动作。隔离开关只有一套操作机构，和C相直接相连，三相机械联动，驱动机构如图3所示。

图3 隔离开关驱动机构图

在正常工作状态下，隔离开关一般采用监控远方操作，在设备检修时,采用现地电动操作。

2.2 事故原因分析

2111隔刀合闸过程中，C相与B相之间的传动连杆由于卡簧失效而脱落，如图4。

图4 隔刀连杆拐臂结构图

BC相间操作连杆脱离使A、B相操作机构失去动力，造成A、B相隔刀动静触头未完全合闸到位。A相隔刀部分动静触头接触较好，正常载流。B相隔刀动静触头间存在毫米级的小间隙，当机端电流升至2 kA时，电弧引起触头局部烧蚀。触头燃弧导致铝制导体气化，形成闪络，导体对外壳5次间歇性电弧闪络。在第5次闪络过程中，机端零序电压达到95V左右，持续时间0.3 s，基波零序电压定子接地保护正常动作出口。

本次事故中，GCB闭锁条件并未起到作用。虽然2111刀闸未完全合闸到位，但其电气指示，机械指示均显示合闸，满足GCB合闸闭锁条件，GCB合闸正常动作。

3 隔离开关位置确认方法分析

1)检查隔离刀闸操作机构箱分合闸位置指示在“ON”位置。

2)检查GCB现地控制柜上2111刀闸合闸指示灯点亮(红色)，如图5所示。

3)监控人员检查监控系统画面2111刀闸在合闸位置，检查隔离开关“分/合位复位”“合/分位动作”信号正确动作，如图6所示。

4)检查GCB合闸后检查定子三相电流、电压基本平衡。从故障录波图7可以看出，并网后，三相电压基本平衡，闪络过程中，B相电压降低，但持续时间短。并网后，机组带负荷20 MW，定子电流较小。

图7 故障录波图

5)该隔离开关本体位置可通过观察窗查看，如图8所示。观察窗及连杆位于GCB下方，鉴于工作人员安全考虑，未要求检查。本次事故来看，A、B相触头只有毫米级的小间隙，人员也不能有效鉴别[2-4]。

图8 隔离开关本体位置图

方法1，通过操作机构机械指示，若机械传动机构异常，则指示不正确。方法2、3均是来源于装设在操作机构中的辅助接点。它只是实际位置一个间接反映，若辅助接点出现异常，反映出来也会是一个错误位置信号。方法4通过对电流、电压等电气量变化可以有效判断隔离开关未动作或分合闸位置差距较大等情况，但也存在很大的局限性。对于此次只有较小间隙未合闸到位的情况，效果不明显。方法5是最直观的方法，但是也存在观察位置不安全，距离较远，且肉眼判断标准不一致等缺点。

4 改进措施及建议

为有效杜绝隔离开关在运行过程中出现问题，可从以下几个方面入手[5]。

4.1 加强设备技术改造

为解决发电机出口隔离开关动作位置异常风险，必须加强技术改造，从源头控制。

1)因隔离开关动作时，其操作结构动作角度，行程基本为定量(由厂家提供或自己测算)，在A、B相传动轴动作起止位置添加位置接点，可有效判断三相机构动作情况和刀闸分合位置。三相位置接点串联后输出，以实现远程监控操作机构的三相分合状态，并实现电气联锁，保证三相位置联动一致。根据该电站GIS刀闸三相位置微动开关改造方案，此种方法切实可行。

2)分析卡簧失效原因，改进结构，从根本上防止传动机构故障。

3)在隔离开关本体位置观察窗处，加装高清摄像头，接入现有图像监控系统。开关操作后能及时检查动作情况，缩短操作时间，提高工作效率，同时减少人员进出不安全位置时间。

4.2 加强设备维护管理

设备检修时，检查机械结构无松动、裂纹，保障其结构正常；检查电气回路继电器、接触器等电气元件和电气联锁回路正常，保证设备动作正确性。

4.3 加强设备运行管理

通过本次事故总结，在发电机开机过程及日常巡检时，加强发电机出口隔离开关机械连杆、卡簧检查[6]，现场值守人员检查刀闸本体实际位置动作情况后，再发令开机并网。此种方法虽能有效减少分合闸不到位时继续操作的风险事故发生，但是工作效率较低。水电机组又承担电网调峰任务而频繁快速启停，若调度紧急下令开机时，可能因时间延误被考核。在现场少人值守或无人值班以及电站智能化发展趋势下，无法作为长效机制进行。在设备技术改造完成前，可临时采用此方法，保证设备安全运行。

5 结 语

判断刀闸的位置状态成为运行人员后续操作的关键，一旦分合闸不到位继续操作，很容易造成停电事件，影响电网的稳定性。将以上各种方法综合起来，相互补充，克服单一方法存在的缺点和不足，多方面准确判断刀闸的位置状态，这样才能在增强自动化水平，减轻人员劳动强度，提高工作效率的同时，保证运行人员判断隔离开关位置的正确性，减少操作风险，保证设备的安全可靠运行。