淺析發電機出口斷路器機構損壞導致的事故

喬洪偉，李勛東，吳勇慶，毛小付

（1.深能水電投資管理有限公司，四川 成都 610041；2.浙江省景寧英川水電開發有限責任公司，浙江 景寧 323500； 3.龍泉瑞垟二級水電站有限公司，浙江 龍泉 323700）

0 引言

五里亭電站地處浙江省麗水市甌江干流上，建成發電于2006年。電站布置有3臺單機容量14 MW的燈泡貫流式水輪發電機組，升壓站設置兩臺主變，一條110 kV線路。電站設計年均發電量1.21億kW·h，設備利用小時數為2 889 h。

該電站電氣主接線如圖1所示。

圖1 電站電氣主接線圖

1 事故概況

2018年4月25日值班員在對機組正常巡視過程中，發現3號機組出口斷路器柜內發出異常聲響，但運行數據皆為正常。為排查原因，當值值長向調度申請將3號機組停機解列，當值值班員根據停機操作流程將3號機組負荷減至空載，斷路器分閘，再停機。在機組轉速下降，正擬進行后續操作時，突然發生發電機出口斷路器強行合閘事故，機組可明顯聽到沖擊聲，警鈴響起，事故跳閘，計算機監控報：“電氣事故”、“發電機過電壓事故”、“失勵事故”等。事故跳閘后，間隔約30 s，再次發生斷路器強行合閘，值班員現地手動脫扣分斷路器，未成功。后立即拉開2號主變110 kV斷路器，再手動現地分3號機組斷路器，機組停機。

2 事故處理

事故發生后，該電站立即組織檢修技術骨干對機組進行全面檢查，發現事故造成勵磁系統滅磁電阻燒毀、定子A相線圈絕緣擊穿、機組6.3 kV斷路器合閘支架組損壞。

發電機絕緣檢查情況：發現定子絕緣為0 MΩ （2 500 V搖表），轉子絕緣0.2 MΩ(500 V搖表)。為準確測量定子三相絕緣電阻，拆除定子出線電纜、中性點互感器短接銅排及中性點電流互感器，測得發電機定子絕緣： B和C相為“∞”，A相為“0”。用數字萬用表測量A相絕緣電阻僅有280 Ω ，定、轉子部分檢查，未發現設備異常，也無異味產生。

經現場初步判斷，定子A相絕緣破損。通過采用低壓調壓[1]的檢查方式發現定子上游面靠底側部位定子線棒絕緣擊穿。通過搶修，該電站3號機組于5月2日19：11恢復了發電，將損失降到最低。

本次事故發生時由于值班人員沉著冷靜、應對處置得當，及時手動拉開了2號主變110 kV側開關，避免了再出現一次或者多次強行合閘可能對發電機線圈、主軸造成嚴重破壞所引起的更大的后果。

3 事故分析

電站組成了事故調查小組，通過與設計、廠家、電氣設備專家多次討論分析，最終確定了引起事故的直接原因是斷路器合閘機構半軸、鎖扣磨損所致。該裝置安裝在機構中間，平時不易檢查和發現問題,但就是機構上一個小小部件的損壞卻導致了如此嚴重的事故。本文從以下幾個方面的分析，找出問題所在并提出解決措施，與同行共同商榷。

（1）當初，油斷路器對應的模擬控制電路，由于監控系統技術尚未得到應用，所以設計思路基本上是手動控制。每次斷路器合閘前操作機構需進行儲能；合閘后通過能量的轉換，將合閘前儲存的能量瞬間轉換成分閘能量，以備正常分閘或事故分閘時可靠跳開斷路器；由于模擬控制電路接線原理，一般分閘后斷路器不再儲能，如需再次合閘應手動予以儲能。

（2）隨著真空斷路器、六氟化硫斷路器代替了油斷路器和計算機監控系統的廣泛應用，使得真空斷路器、六氟化硫斷路器在滿足電網快速反應及線路重合閘方面發揮了重要作用，線路重合閘是電力輸電線路運行中常采用的自恢復運行方法之一。

輸電線路正常供電時斷路器處于“合”狀態，此時斷路器合閘彈簧也已儲能，輸電線路出現瞬時故障，繼電保護動作斷路器分閘，隨后自動重合閘裝置利用已經儲能的合閘彈簧進行合閘，恢復線路運行。如輸電線路為永久性故障，重新合閘后繼電保護動作再次分閘，通過合閘回路設計中加入事故繼電器常開接點和延時繼電器接點，則不再啟動重合閘。

因為大部分情況線路故障都是短暫的，只有少數線路情況屬永久性故障，通過一次重合閘后，配合微機保護裝置的功能自恢復供電的成功率較高，可大大提高供電的可靠性。根據線路特點和保護回路的配合，發展出“前加速”、“后加速”兩種重合閘裝置，各有優缺點，在此不再展開贅述。

（3）目前使用的斷路器控制回路一般都設計有遠方控制和現地控制轉換開關，以滿足計算機監控系統自動化需求，斷路器廠家的典型操控接線也得到了較多的應用。當轉換開關在遠方控制位置時，分閘結束的時候，儲能電機就開始自動完成儲能，為下次合閘動作做好準備，中間過程無須人為干預操作；而當轉換開關在現地控制位置時，分閘結束時斷路器不會自動儲能[2]。

因此，在計算機監控系統接線中，當轉換開關在遠方控制位置時，斷路器儲能以后其合閘閉鎖的脫扣機構就顯得尤為重要，一旦損壞或磨損，就會導致分閘后又儲能的斷路器自動合閘。而此時的自動合閘將會產生非同期沖擊，對發電機組和電氣設備造成極具破壞的作用。

（4）本次事故中，值班員在上位機根據正常停機流程的操作均不存在問題。根據上面的分析，由于操作斷路器的轉換開關處在遠方位置，分閘后儲能電機自動儲能，因合閘機構半軸、鎖扣磨損，使得斷路器自動合閘造成非同期沖擊引起保護裝置動作，跳開后還是因為脫扣機構的原因再次發生斷路器強行合閘。

而值班員在現地手動分斷路器不成功的原因可能是兩次非同期合閘造成情緒緊張，未將操作斷路器的轉換開關打回到現地控制位置所致。如手動操作程序正常，將不至于現地手動分閘失敗。

而尤為嚴重是，繼電保護動作是正常的，在非同期合閘造成沖擊時，本級繼電保護每一次都能正常動作，卻不能夠切除斷路器機構故障和合閘儲能回路，每當合閘彈簧儲能結束，因為機構合閘鎖扣損壞，就會自動合閘。并且，因為本級繼電保護正常，后備保護沒有達到動作時限，沒法通過后備保護動作上級斷路器切除事故點，將會重復“事故分閘、非同期合閘”的循環，多次沖擊相關設備，造成嚴重后果。而在自動保護裝置不能夠發揮正常作用時，依靠值班員判斷反應，切除故障，存在一定的客觀困難。在多次循環沖擊情況下，必然出現發電機出口斷路器爆炸或發電機定子線圈燒毀等嚴重事故。

（5）斷路器造成事故的可能因素還有：

1）脫扣器的材料性能或可靠性指標沒有達到相關制造標準和要求，以至于機構磨損；

2）設計與斷路器制造廠家之間未就斷路器的應用場合進行及時有效的溝通，以至于遠方操控接線設計時未考慮機械磨損可能造成的危害；

3）斷路器操作機構的某些部件易磨損，但機構部分在例行維護中沒有引起足夠的重視，造成機構動作不可靠或出現問題。

4 斷路器的分合閘控制

4.1 斷路器的合閘儲能原理

根據斷路器的分合閘原理，當原理圖[3]中3SA開關閉合時［S2位置開關（當合閘彈簧儲能后切換）、S3位置開關（合閘按鈕按下時為開）］，K2得電動作，K2的常開輔助接點K2（2 3）、K2（6 7）動作閉合，儲能電機開始運行，合閘彈簧拉長，蓄備合閘能量，等儲能完成后，儲能輔助接點S2（1 2）動作斷開，同時儲能輔助接點S6（+COM N0)動作閉合，1KM（合閘彈簧儲能切換繼電器）得電動作，1KM的常開輔助接點（9 7；10 8）動作閉合，HY（儲能指示燈）點亮。鎖扣完好的情況下，當真空斷路器接收到合閘指令后，Y1（合閘線圈）得電動作，脫開鎖扣，合閘彈簧能量釋放，完成斷路器的合閘動作。合閘后，斷路器的儲能回路位置開關接點S2、S3動作導通，K2得電動作，儲能電機運行合閘彈簧開始自動儲能。

圖2 真空斷路器控制原理接線圖

4.2 斷路器的合閘控制

根據斷路器的分合閘原理圖，當原理圖中3SA開關閉合時[S8-3位置開關（當真空開關在試驗位置時切換）、LK1隔離手車位置開關、S9-3手車工作位置、S5位置開關（當真空開關在試驗位置與工作位置時閉合）、S4位置開關（當合閘彈簧儲能后動作）、S1真空斷路器合分閘輔助開關]，斷路器彈簧儲能后輔助接點S4(1 3)閉合。若此時合閘按鈕HA動作導通，Y1（合閘線圈）得電動作，斷路器合閘。合閘完成后，斷路器輔助接點S1（50 51）斷開，同時斷路器輔助接點S1（6 6’）閉合，為分閘做準備，斷路器輔助接點S1（22 23）閉合，HR（合閘指示燈）點亮。

4.3 斷路器的分閘控制

根據斷路器的分合閘原理圖，斷路器合閘后，其輔助接點S1（6 6’）閉合，當TA開關閉合、保護動作或LK1隔離手車位置開關觸點閉合時，Y2（跳閘線圈）得電斷路器分閘，斷路器輔助接點S1（34 35）閉合，HG（分閘指示燈）點亮；同時，斷路器輔助接點S1（50 51）閉合，為下一次合閘做準備。

5 解決方案和預防措施

發電機出口斷路器作為發電機主回路具有閉合、開斷功能的重要設備，其安全運行，對發電機正常運行十分重要。為了杜絕和減少今后運行過程中出現類似情況，建議進行以下處理：

解決方案1：

（1）將合閘線圈儲能回路改為分閘儲能

按照原理圖，目前斷路器設計為合閘儲能，分閘時已經具備合閘條件。在機構磨損情況下，等同于給予斷路器合閘指令，因此產生多次誤動合閘。根據以上分析，建議改為分閘儲能，在斷路器儲能電機控制回路中串入斷路器輔助常閉接點，當斷路器在合位時，斷開其儲能電機控制回路以避免斷路器因事故動作跳閘后，彈簧儲能馬上出現誤動合閘的情況。

改為分閘儲能后，斷路器在跳閘時，儲能電機動作，開始對合閘彈簧進行儲能，此過程約需要30 s時間。如鎖扣損壞，儲能完成后，仍然將出現自動合閘情況，因此，還沒有徹底解決誤動合閘的問題。

在斷路器“分”的狀態時，分閘彈簧并未儲能，合閘彈簧已儲能。斷路器接到“合閘”命令動作，合閘彈簧釋放了能量，合閘過程中將部分能量傳遞給分閘彈簧，分閘彈簧儲能。采用這種方式進行能量轉換，確保斷路器在“合”的狀態下能跳開。斷路器剛分閘時，儲能電機動作為斷路器合閘彈簧進行儲能，這個過程估計10 s左右，為下次合閘準備[3]。但若斷路器在“合”的狀態，分閘彈簧在“已儲能”，保護動作時，分閘線圈得電，分閘彈簧釋放能量，斷路器分閘。而在斷路器分閘結束的時候，合閘彈簧在儲能電機運行下才開始儲能，但儲能未完成的情況下，斷路器是不具備合閘條件的。如果這次合閘于故障發電機（或設備、線路），由于分閘彈簧已在合閘瞬間完成儲能，所以斷路器在分閘線圈動作下能馬上跳開。但分閘之后就不能再次立即合閘了，需等到合閘彈簧儲能結束后才具備合閘條件。

（2）儲能控制回路接入計算機監控事故出口常閉接點

由于斷路器操作機構結構復雜，機械磨損不容易判斷，建議儲能電機控制回路改為分閘儲能之外，再接入計算機監控事故出口常閉接點，在斷路器因機組異?；蚴鹿蕜幼魈l后，保護未復歸前，斷路器儲能電機不能工作，斷路器無法進行儲能，斷路器就不會再次誤動合閘。在故障、事故排查處理完畢后，保護動作復歸，斷路器儲能電機才可進行合閘儲能。

（3）針對轉換開關在遠方位置時斷路器反復合閘的問題，完善電氣回路上的保護措施。即在合閘線圈上并接一只中間繼電器（該問題與合閘線圈沒有關系），當檢測到合閘線圈未得電時，斷路器狀態由“分”變“合”、或合閘儲能彈簧狀態發生改變時，切斷合閘儲能電機電源并跳閘，直到人工復位后，再次恢復合閘電機電源。此保護措施如采用繼電器邏輯比較復雜，由計算機系統完成則比較簡單。

解決方案2：

將儲能回路中3SA開關（圖3）安裝到中控室，手動對合閘彈簧進行儲能，當彈簧儲能結束，馬上手動把3SA開關斷開切斷電機儲能回路，避免如斷路器機構故障，導致跳閘后馬上進行誤動合閘，但在正常開機并網前需手動接通3SA開關，才能使合閘彈簧儲能，增加了操作步驟，影響了并網速度。并且，如忘記在合閘彈簧儲能結束后打開3SA的操作步驟，仍然會出現誤動合閘情況。并且，若彈簧儲能100%未完成斷開3SA會導致并網合閘不成功。

圖3 技改后的真空斷路器控制原理接線圖

方案比較和需要注意的相關事項：

方案1解決問題較為徹底，但改動的回路比較多，需要斷路器廠家，計算機監控單位的配合。方案2存在一定的缺點，但是改動較為方便。

盡管利用上述兩種方案能夠一定程度避免因為斷路器機構原因造成的事故，但是仍然需要加強對運行值班人員的應急處理能力培訓，對突發事件要有完善的應對措施。并加強對斷路器機構的基礎維護，在電站日常運行維護中，對斷路器操作機構進行必要的定期檢查維護，及時更換發現的磨損部件；特別是定期邀請廠家專業技術人員來現場進行指導維護保養工作，更能保障斷路器運行穩定、可靠。

6 結束語

該電站 3號機組發電機出口斷路器發生多次非同期自動合閘事故后，經處理檢驗合格又投入運行至今，一切正常。由此證明，事故處理方法是正確的。

此次事故對機組正常安全運行造成了影響，斷路器的日常維護對水電站的安全運行至關重要，年度例行檢修中更應引起足夠重視。電站也應按照國家電網公司的要求結合自身實際編制事故應急預案，并定期演練。

由于各方面的因素，使用中的設備在廠家的設計、材料、制造和使用單位的安裝過程中存在一些無法避免的缺陷和不足，而這些缺陷和不足又恰恰會給設備運行留下重大的安全隱患，甚至釀成事故，造成嚴重損失。因此，應根據設備的運行環境、方式和狀態的變化，分析、設想可能發生的異常和故障，提出并實施防范措施，同時在維護檢修過程中，對設計、制造、安裝方面發現的漏洞或缺陷，進行認真分析研究，找出徹底的解決辦法，只有這樣才能保證發電設備的安全運行。