水电厂发电机出口断路器解体故障分析_欧亮.pdf

33电力安全技术第25卷(2023年第2期)水电厂发电机出口断路器解体故障分析欧 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)Analysis on a Breakdown Failure of Generator Circuit Breaker in a Hydropower PlantOU Liang,LIU Shoubao,WEI Changwei,SHI Guixue(Datang Hydropower Science&Technology Research Institute Co.,Ltd.,Nanning 530007)摘 要 发电机出口断路器起着控制机组与电力系统并列或解列的作用，广泛应用于电厂。以某700 MW发电机出口断路器解体故障为例，通过现场检查和分析，查明出口断路器解体根本原因为触头传动机构机械故障，并提出具体处置及维护建议以避免同类故障再次发生。关键词 发电机出口断路器；机械故障；解体故障Abstract:Generator circuit breaker(GCB)is in charge of the paralleling and splitting control of units and electric power systems,which is widely applied in power plants.Taking a 700 MW GCB breakdown failure as example,by the field inspection and analysis,the root cause of the GCB failure is identified as that of the main drive mechanism of the GCB contact,and specific settlement and maintenance recommendations are put forward so as to avoid the recurrence of similar accidents.Key words:generator circuit breaker;mechanical failure;breakdown failure中图分类号:TM561 文献标识码:A 文章编号:1008-6226(2023)02-0033-031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。第25卷(2023年第2期)电力安全技术34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 10 000 次以上，而拆解的 4 号发电机同型号 GCB 实际只操作了 3 045 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 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 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。3.3熔融金属导致 GCB 无法实际分断GCB 高低电位的隔离通过旋转绝缘子实现，该处为 GCB 的绝缘薄弱点。在分闸后，主回路靠近 GCB 底部的部分被金属熔液及散落的动静触头导电部件桥接，使得发电机和主变低压侧 C 相无法实际分断，电弧持续在 GCB 内部燃烧、持续放电，因此下侧气室有电弧灼烧痕迹。4处置措施(1)加装测温装置和 SF6气体压力在线监测装置，以便提前发现 GCB 内部异常并及时采取正确应对措施，避免缺陷发展为故障。(2)安装压力释放装置，杜绝 GCB 因压力无法有效释放导致解体造成人身伤亡、设备损坏故障。(3)重新考虑发电机定子单相接地保护设置，确保 GCB 内部故障引起的单相接地故障不扩大。5结束语通过对该发电厂 700 MW 机组 GCB 解体故障的检查和分析，找出了故障根本原因，并在采取上35第25卷(2023年第2期)电力安全技术述处置措施的基础上，提出了后续的改进方向。(1)尽快对全部机组 GCB 触头系统操作部件进行检查，立即更换缺陷联动部件，确保在一定的操作次数内不发生故障。(2)对动主触头连杆臂销轴以及相关部件进行改进及完善，选择升级换代产品，适时进行替换，确保 GCB 机械性能满足技术规范要求。参考文献：1 张立中，王 方惠州蓄能水电厂发电机出口断路器操 作机构故障分析 J水电站机电技术，2015(Z1):48-50.2 张亮杰发电机出口断路器合闸故障分析和预防措施 J.电力安全技术，2018，20(7):60-62.3 杨兴富硕中水电站发电机出口断路器故障分析 J小 水电，2020(6):79-81.4 王华卫某水电厂发电机出口断路器 C 相拒动故障分析 J电工技术，2021(15):167-169，173.5 黄世超，朱恩飞某电厂机组出口断路器合闸失败原因 分析及处理 J上海大中型电机，2021(3):48-50.收稿日期：2022-09-17。作者简介：欧 亮(1994)，男，工程师，主要从事设备故障诊断与分析研究工作，email:jack_。刘守豹(1983)，男，高级工程师，主要从事电力系统电磁暂态分析和工程电磁场数值计算相关研究工作。韦昌伟(1980)，男，高级工程师，主要从事变电站及发电站电气试验工作。石桂学(1982)，男，高级工程师，主要从事继电保护及励磁系统现场试验技术研究工作。筑牢安全根基 保障电网安全稳定运行国家电网有限公司全面贯彻落实 2023 年“两会”工作部署，持续深化安全保障能力建设，构建了“五级五控”(至级作业风险，总部、省、市、县、班组五级管控)风险防控体系，进一步明晰分级管控责任与精准防控要求。细化原有作业风险分级，形成作业风险分级表，提炼现场检修关键工序，形成检修工序风险库，建立“一表一库”，对各类风险、各项作业工序逐一匹配风险防范及工艺管控措施，解决了作业现场风险辨识不全、措施制订不准、管控落地不实的问题。积极推动现场作业模式转变和生产管控体系优化，推广主设备工厂化检修，减少现场检修时长，提升检修质效；推进数字化应用落地，实现作业风险自动辨识、管控措施智能匹配、执行情况强制关联；依托生产管控中心加大远程督查落地，全面掌握作业现场风险情况，利用高清视频监控等督查手段督导作业“前中后”关键环节风险管控措施落到实处。聚焦设备风险，坚持“全面评估、先降后控”的原则，差异化开展典型设备风险量化评估工作。在总结以往设备隐患治理经验的基础上，创新建立分级排查、闭环治理、风险预警、遏制增量和评估考核的设备隐患排查治理长效机制，为防范重特大设备事故提供了有效手段。组织制订隐患排查大纲，健全“一患一档”管理，分层级制订重点隐患清单，逐年发布重点隐患治理任务清单，逐项明确责任人和整改期限，确保各类设备风险隐患在控、能控、可控。同时，积极发挥技术监督平台作用，制订反事故措施，反馈至设备设计、生产制造、安装调试等前端环节，强化隐患治理成效应用，“从根本上消除事故隐患、从根本上解决设备问题”。对照生产管理实际需求，出台了电力气象管理提升三年工作方案，明确 16 项重点举措及各方职责分工，强化统一规范管理，加快核心技术攻关，推动国网覆冰、山火、雷电、舞动、台风、地质灾害监(预)测预警中心及数值预报中心纳入生产管控体系，打造数据管理统一化、服务能力专业化、场景应用定制化、预报信息精准化的电力气象服务体系，进一步提升电网抵御自然灾害的能力。(来源：国家电网有限公司网站 2023-02-11)