水电厂发电机出口断路器解体故障分析

2023-04-15刘守豹韦昌伟石桂学

电力安全技术 2023年2期

欧亮，刘守豹，韦昌伟，石桂学

(大唐水电科学技术研究院有限公司，广西南宁 530007)

0 引言

发电机出口断路器(generator circuit breaker，GCB)具有增强发电机、变压器安全保护水平，提高电气设备可靠性，简化厂用电切换操作，缩减故障处理时间，及时恢复厂用电运行等功能，广泛应用于电厂。GCB一般由触头系统、灭弧系统、操作机构、脱扣器、外壳等构成。发电机正常运行时，出口断路器能接通和断开工作电流，控制机组与电力系统并列或解列。

GCB主要故障原因包括液压油杂质过高导致弹簧不能正常储能、触头传动机构(如垫圈、弹簧、销轴等)失效、二次插头松脱、分闸监视回路中存在寄生回路等机械或电气故障。

以某发电厂700 MW机组GCB解体故障为例，通过对故障现象和短路解体过程的分析，找出导致故障发生的根本原因并给出维护建议。

1 故障概况

该厂发生故障的3号发电机GCB额定电压为24 kV，额定电流为27 kA。故障发生前，3号发电机带493.6 MW并网运行(负荷电流16 kA)。当天16：53：10监控报发电机保护动作停机；16：53：12发电机电气保护B套动作；16：53：14主变A套低压侧零序保护跳闸，高压侧500 kV断路器Ⅱ跳闸。

监控系统监视3号发电机停机流程正常执行；GCB仅配置SF6气体压力表，压力表仅具备欠压报警和低压闭锁功能，无实时压力监测功能。

2 检查分析

2.1 发电机C相GCB解体检查

3号发电机C相GCB本体炸裂，附件散落。动主触头连杆臂销轴邻近的基座有严重的陈旧性机械损伤痕迹，基座与动主触头连杆臂销轴分合闸运动轨迹距离很近，该痕迹为此前动作过程中多次碰撞造成，故判断在故障发生前动主触头传动系统已存在机械故障。GCB操作主触头系统连杆臂的销轴丢失，固定销轴的连接螺钉断裂成两截，断口裂痕表明螺钉受到剪切力而折断。

动触头大部分熔化，仅剩部分触指残体；动弧触头前端已经完全熔化，其材质为铜钨合金，熔化长度约60 mm；静触头烧蚀部分位于GCB下部，受损区域约占整个静触头主要导电区域的40 %，熔化区域约占整个静触头的20 %；动触头传动机构和旋转绝缘子有过流痕迹。

GCB下侧气室有电弧灼烧痕迹，气室与支柱绝缘子之间的不锈钢防尘板因金属熔液汇聚表面而烧穿，在传动机构底部凝结成结晶体。使用手持式光谱仪检测结晶体、防尘板烧蚀部分的金属元素，均检测到铜、钨元素，故判断防尘板穿孔由弧触头熔化后金属液体滴溅在防尘板上所致。

2.2 发电机GCB连杆衬套检查

对3号发电机GCB进行拆解观察部件磨损情况。GCB操作主触头系统的连杆臂衬套受断路器分合操作中振动、摩擦等的外力影响出现了破损。从不同相的GCB拆解情况来看，相同位置衬套C相损坏最严重，B相次之，A相最轻。

2.3 故障录波检查

调取故障期间的故障录波，对比发电机侧电压波形和主变低压侧电压波形可知，发电机和主变低压侧的A， B相在GCB跳闸时刻即实现了电气分离，而跳闸后两侧C相电压波形相同并持续了大约702 ms，表明该时段内发电机和主变低压侧C相仍存在电气连接。由于主变低压侧为三角形接线，发电机采用高阻接地方式，在A， B两相分断后发电机已经停止向主变提供负载电流(即发电机已经停止向电网供能)，发电机C相电流实际上是单相接地电容电流。GCB跳闸702 ms后，主变低压侧、发电机侧C相电压相位同步消失，此刻C相电气连接断开，GCB解体。

3 故障原因剖析

3.1 动主触头销轴及连杆系统存在设计缺陷

动主触头连杆臂衬套磨损严重，远低于出厂技术文件规定的使用寿命。合同规定GCB机械稳定性操作次数应达10000次以上，而拆解的4号发电机同型号GCB实际只操作了3045次，且衬套出现严重磨损。在分合闸时，衬套磨损将引起动主触头销轴轴向窜动，与两侧基座发生碰撞进而造成销轴脱落。

3.2 接触电阻过大导致GCB内部严重发热

从C相GCB动静触头的烧蚀、熔化情况可知，GCB内部导电部件大量发热。由焦耳定律Q=I2Rt可知，电流通过导体的热量与电阻成正比。使用回路电阻测试仪进行现场测试，结果显示在GCB正常合闸情况下，回路电阻为2.1 μΩ左右；当动主触头不与静主导电环接触，仅动弧触头与静弧触头接触情况下，回路电阻达270 μΩ左右。

由于C相GCB在其倒数第二次分闸时，动主触头连杆臂的销轴螺钉断裂，使得最后一次合闸并网时动主触头合闸不成功，仅动弧触头合闸。GCB在16 kA负载电流下，持续导通53 min，动静弧触头间产生大量的焦耳热，温度急剧上升，最终烧蚀、熔化。