抽水蓄能机组出口开关短路故障原因浅析

董翰宁，董锦川

（1.国网新源控股有限公司电力检修分公司，北京 100053；2.国网新源控制有限公司潘家口蓄能电厂，河北 唐山 064300）

1 电厂概况

某抽水蓄能电站接近电网负荷中心。电站装机安装6台30万kW立轴可逆混流式水泵水轮机/发电电动机组、机组总容量180万kW。电站枢纽主要建筑物有上库、引水道、地下厂房、尾水道及下库等。上水库总库容1 059.89万m3，下水库总库容1 094.48万m3，上水库正常蓄水位959.50 m；下水库正常蓄水位339.30 m，机组额定水头599 m，电站年平均发电量40.20亿kW·h,年发电利用小时2 233 h,接入华东电力电网联网运行;减少火电频繁调整出力和开启，改善运行条件，降低煤耗，同时兼有填谷、调频和调相等功能，承担系统峰谷差360万kW任务。

2 事件经过

2021年06月04日16：02，某抽水蓄能电站 1号机组由停机工况转为发电工况运行；16：02：42中控室值班人员执行1号机组发电操作；16：05：32 1号机组到达空载态；16：05：42监控显示1号机组 GCB01合位，1号机到达发电态；16：06：22监控显示1号机组有功调节完成，机组发电出力增至150 MW；16：06：30中控室值班人员在监控系统内执行1号机组有功从150MW升至225 MW操作；16：06：44 监控显示发电机A/B套保护总跳闸信号输出，保护盘柜显示定子接地保护动作（此时机组功率约为 219.2 MW,导叶开度约为 56%）；16：06：44 监控显示1号机电气事故停机流程启动，1号机组GCB01跳开、灭磁开关跳开；16：06：45监控显示1号机GCB SF6压力低报警；16：07：44 1 号机导叶全关；16：07：51 1号机球阀全关；16：08：19 1号机 PRD 全分位；16：09：08中控室人员启动备用机组，执行6号机发电操作，满足系统负荷需求；16：11：59 GCB06 合位，6号机发电态；16：14：19 6号机有功调节完成，发电带300 MW负荷运行；16：20：06监控显示1号机停机态。

3 处理过程

3.1 值守人员

中控室值班人员立即汇报当班运维负责人和ONCALL主任，同时监视故障机组停机流程，并启动备用的6号机组发电，同时，立即向调度说明现场情况。

3.2 ON-CALL人员

现场监盘人员发现发电机保护A/B柜跳闸信号，查看保护柜显示定子接地保护动作，机组电气事故停机流程启动，1号机GCB分闸后SF6压力低报警，立即汇报当班运维负责人。

（1）运维负责人立即汇报ONCALL主任，并通知检修人员进场；同时安排人员监视故障机组停机和备用机组发电；

（2）运维负责人通知公司消防队伍进厂，安排运维人员与消防人员一同佩戴正压式呼吸器进入1号母线洞检查；

（3）在确认1号机GCB和PRD分位后，运行人员拉开1号机母线洞设备（PRD01）控制柜电源，做好一次的隔离；

（4）经查现场无明火现象，运维人员采取通风措施后检测现场气体含量正常；

（5）进一步检查时发现GCB A相底座有破损、地面有碎屑，运行人员立即执行1号GCB检修隔离操作；

（6）1号机电气事故停机流程启动后，在无其他异常和故障扩大情况下，电站运维人员立即启动备用机组发电，未影响当日负荷计划；判断故障点为1号机GCB区域，立即采取有效通风措施并检测气体含量正常后，组织人员将1号机GCB隔离，过程中未见其他异常。

3.3 维护人员

（1）情况梳理：2021年06月 04日16：06：44，1号机组发电并网升负荷过程中因发电机定子接地保护动作电气事故停机，经分析保护正确动作；初步判断为发电机出口开关GCB01设备内部存在接地故障。

（2）问题排查：通过观察窗发现1号机GCB A相灭弧室软连接处有烟熏痕迹，打开1号发电机出口开关GCB01外壳顶部盖板，发现A相灭弧室底部存在破损，B、C两相检查未见异常；初步判断1号发电机出口开关GCB01 A相故障导致定子接地保护动作。

图1 灭弧室底座破损

图2 灭弧室回装后

（3）经检查，1号机组保护A柜95%定子接地保护动作，1号机组保护B柜定子接地零序电流保护动作，保护配置及动作信息如下：

1）机组定子接地保护配置：1号机组保护A柜配置95%定子接地保护和三次谐波定子接地保护，95%定子接地保护动作于机组跳闸，三次谐波定子接地保护动作于报警。1号机组保护B柜配置注入式100%定子接地保护和零序电流保护，两者均动作于跳闸。

2）保护动作分析：

首先，从图3录波情况看，2021年06月04日16：06：44.192，1号机端零序电压瞬间增大至39.1 V,达到95%定子接地保护高定值（15 V,0.3 s），保护正确启动；150 ms后，机端零序电压下降至10 V以下，保护重新计时，458 ms后，接地高定值保护动作跳闸。保护启动499 ms后，95%定子接地保护低定值（5 V,0.5 s）动作；95%定子接地保护高定值、低定值均正确动作。

图3 故障录波采样

图4 保护盘柜动作信息

其次，2021年 06月 04日 16：06：44.216,1号机组保护B柜定子接地零序电流保护启动，定子接地零序电流达到2.43 A,定子接地零序电流保护定值为 0.55 A，0.5 s，499 ms后，保护动作跳闸，定子接地零序电流保护正确动作。

3）确定故障点：

从一次设备故障情况和保护动作情况分析，判断1号机GCB A相灭弧室内部故障造成定子接地保护动作。

4）处理步骤：

①检查检修历史记录及试验记录，检修项目齐全、试验结果合格；GCB出厂报告、日常运维记录及各项试验数据均无异常；

②对1号机母线洞进行通风，并检测气体含量正常后，设备主人现场确认GCB01故障情况，并安排人员对GCB备品备件情况检查、排查，准备好工器具，做好消缺准备；

③通知ABB厂家人员进厂配合检查消缺；严格执行工作票，班组人员组织人员力量，与ABB厂家一起配合拆除1号发电机出口开关GCB01 A、B、C三相灭弧室，按照工艺要求进行备件更换；

④甩负荷后对发电机定子、转子部件及导水机构检查未见异常，盘车及定子摇绝缘均正常；1号机GCB灭弧室回装完毕后进行GCB开关机械特性、回路电阻、耐压及摇绝缘等试验，各项数据均正常。

4 原因分析

（1）经分析判断评估，在1号机GCB合闸后，A相主触头未充分接触，负载电流大部分通过灭弧触头导流；灭弧触头急剧发热熔融；造成灭弧室内部绝缘击穿、对地放电，导致机组发电启动过程中机定子接地保护动作跳机。

（2）在GCB合闸后，A相主回路触头没有完全合到位，在机组升负荷时，负载电流大部分通过灭弧触头导流；由于灭弧触头材质为铜钨合金，接触电阻较大，在机组升负荷时，弧触头急剧发热，温度升高，灭弧触头及其附近部件熔融；在重力作用下，熔融物向下滴落，形成放电通道，造成灭弧室内部绝缘击穿、对地放电，引发定子接地保护动作跳机。

（3）熔融物堆积到灭弧室底部，对底部金属部件进行加热，金属部件机械应力降低，在定子接地保护动作后，GCB分闸动作瞬间灭弧室内部气压短暂升高波动，受热后的灭弧室底部薄弱部分在气压和电弧综合作用下被冲开，SF6气体释放。

5 暴露问题

（1）灭弧室机械传动部件故障无有效的监测手段。

（2）对于类似缺陷缺乏有效检测方法，且国内缺乏相应标准和规范的技术支撑。

（3）设备管理不到位，相关人员专业培训、设备健康状况分析不到位。

6 防止对策

为预防和控制同类缺陷再次发生，而采取的技术措施、管理措施，以及举一反三的排查和防控措施等如下：

（1）做好GCB设备故障的事故预想并定期针对不同工况开展应急演练；

（2）加强相关专业培训，提升类似故障处置能力；

（3）定期对灭弧室底部连杆及传动杆进行检查；

（4）在机组分合闸或升负荷至稳定后的15 min内避免人员靠近GCB设备部件。

7 结束语

本文针对某抽水蓄能电站水泵水轮发电机组在发电工况运行过程中，由于1号机组GCB合闸后，A相主回路触头没有完全合到位，在机组升负荷时，负载电流大部分通过灭弧触头导流；由于灭弧触头材质为铜钨合金，接触电阻较大，在机组升负荷时，弧触头急剧发热，温度升高，灭弧触头及其附近部件熔融；在重力作用下，熔融物向下滴落，形成放电通道，造成灭弧室内部绝缘击穿、对地放电，导致机组发电启动过程中机定子接地保护动作跳机故障。经修复后，通过近一段时间设备的运行情况看，取得了比较理想的效果。同时也为抽水蓄能电厂今后的运行和设备维护提供了借鉴。