1000 MW超超临界发电机组故障分析及处理

黄裕中，张棋

(1.华电江苏能源有限公司句容发电厂，江苏 句容 212413;2.国电南京自动化股份有限公司，南京 210032)

0 引言

随着大容量机组的大量投运，发电机继电保护功能的配置越来越齐全，对于300 MW以上的火力发电机组，大型机组发电机变压器组(以下简称发变组)微机保护装置一般均进行双重化配置，根据五大发电集团故障情况统计，微机保护装置拒动的情况近年来已很少发生，但误动的情况仍时有发生。究其原因，有微机保护装置本身异常引起的，也有校验工作时安全措施不完善引起的，也有二次回路接线寄生回路、直流接地等引起的。由于目前微机保护日渐成熟，保护装置的可靠性越来越高，随着智能电厂的推广，发电机作为发电厂最重要的电气设备，其许多参数、指标及保护动作情况均通过分散控制系统(DCS)或网络监控系统(NCS)、厂用电气自动化系统(EFCS)、自动装置及故障录波装置等收集齐全，利用事件顺序记录(SOE)功能实时记录，为故障分析提供便利，并为设备生产制造提供可靠数据，以减少问题的发生。

本文针对新机组并网调试发生的一次故障进行分析，根据所记录的数据及处理情况对问题进行总结，为其他机组的调试和分析提供参考实例，以避免发生类似问题，减少故障的发生。

1 故障情况

2013-10-07 T19:00:00，华东某电厂试运行期间，1台1000MW机组正在满负荷运行，突然一声闷响，亮光从发电机励端下部发出，随后烟气冒出，电网500 kV 3/2接线2台500 kV气体绝缘金属封闭开关设备(GIS)断路器跳闸，灭磁开关跳闸，机组全停。

发生故障后，值班运行人员、调试人员对现场按事故紧急停机处理:(1)机组平稳停机，油系统、盘车正确投入;(2)切断故障区电源，防止发生火灾;(3)机组及时排氢，对故障现场进行漏氢测量，确保人身及设备安全，防止次生灾害发生;(4)值班人员排查各系统设备状况，确保平稳停机;(5)对电气系统相关设备转检修方式，及时查找设备故障原因。

检查一次设备发现:发电机出口机端三相TV柜的连接仓均发生了燃弧故障，并有不同程度的位移，出口机端B相TV与离相封闭母线连接软套管处有明火;发电机中性点联箱鼓胀变形且阳角处存在裂口，联箱与中性点接地变柜间连接的中性点封闭母线也发生鼓胀变形，出现多处裂口，橡皮伸缩套管断裂，中性点接地变柜板全部张口变形严重。

检查二次系统发现:1 000 MW机组的发变组双套保护A/B/C/D柜相继动作，跳开500 kV 5021/5022开关、6 kV2A1/2A2/2B1/2B2四段进线开关及发电机灭磁开关，使发电机机组全停，6 kV备用电源自动投入正常。A柜的发电机低压记忆过流保护动作，突加电压启动(机组并网后该保护为退出状态)，定子接地3W保护发信;B柜的发电机低压记忆过流保护动作，突加电压启动(机组并网后该保护为退出状态);C柜的主变压器(以下简称主变)差动速断动作，主变差动动作;D柜的主变差动速断动作，主变差动动作;发变组故障录波器定子电压Ua突变量最先启动，故障波形如图1～4所示。

2 故障情况分析

2.1 电气量原因分析

图1 故障录波器录波图

图2 A相出口与中心点单相短路故障转AB相接地(约16 ms)

1 000 MW机组发变组保护系统(配置国电南自生产DGT801系列)发电机保护(A，B为双重化保护)动作及发电机变压器保护(C，D柜为双重化保护)故障时，发电机保护A柜依次启动突加电压保护(动作时间19:35:47.992)、定子接地3W保护(动作时间19:35:48.077)、发电机低压记忆过流保护(动作时间19:35:50.100);发电机保护B柜依次启动了突加电压保护(动作时间19:35:48.780)、发电机低压记忆过流保护(动作时间19:35:50.935);变压器保护C柜依次启动了主变差动速断保护(动作时间19:35:47.354)、主变差动保护(动作时间19:35:48.129);变压器保护D柜依次启动了主变差动速断保护(动作时间19:35:47.880)、主变差动保护(动作时间19:35:47.919)。同时，故障录波器因发电机A相电压突变启动，根据故障时刻的录波图分析得知:故障发生时发电机定子电压A相首先开始跌落，A相电流迅速增大，大约16ms后，B相电压开始跌落，又经 20 ms后，C相电压也开始跌落，最后TV互感器三相电压均为零。由此可见:A相故障时短路电流是故障前(一次值21 600 A，二次值为3.6 A)的7倍左右(一次值为151 200 A)，远大于单相接地的电容电流;发展到A，B相接地短路时，短路电流最大达到故障前的10倍左右(一次值为210000 A);发展到A，B，C三相短路时，三相短路电流最大达到故障前的6倍左右(一次值为129600 A)。由故障录波图可见:主变差动保护出口时间约为48 ms，500 kV断路器断弧时间为106 ms;故障发生后，发电机定子电流在励磁开关跳开后逐渐衰减。根据故障电流发展情况及现场检查得出如下结论:发变组保护的动作行为正确，故障的初期原因为发电机出口A相与中心点单相短路故障，因故障点在发电机出口CT外侧，故发电机主保护不动作，变压器差动保护动作，发全停命令，跳500 kV两侧开关及灭磁开关，期间故障由发电机出口A相单相短路故障转为A，B相接地短路，然后由A，B相接地短路转为A，B，C三相短路故障。

图3 AB相接地转ABC三相短路(约为20 ms)

图4 故障前三相电流、A相出口与中心点单相短路电流、AB相接地短路电流、ABC三相短路电流

2.2 氢气系统检查情况分析

由于发电机为水氢氢机组，发电机定子为水冷系统，转子和铁心为氢冷系统，为避免次生灾害的发生，对氢系统进行了全面检查分析。

2.2.1 故障前情况

(1)机组整套启动前，发电机氢压检测漏汽量为1.9 m3/d，合格。

(2)机组进入168 h满负荷试运行前，氢气严密性试验漏氢量为9.7 m3/d，符合规范要求。

(3)试运行过程中，发电机出线大罩及中性点连接箱内均无连续氢气泄漏。

2.2.2 故障后检查情况

(1)发电机故障后，运行人员及调试人员为防止次生灾害发生，检查密封油系统，工作正常，对故障现场进行连续测氢，均未发现氢气泄漏报警。

(2)发电机故障后，对发电机再次进行风压试验，试验结果合格。

(3)发电机故障后，风压试验的同时，机内加注氦气，利用肥皂水及氦气质谱仪对发电机出线套管、出线大罩、中性点连接箱进行连续监测，均未发现漏氢迹象。

(4)发电机故障后，检查大罩及中性点连接箱，无大面积超温现象。

根据上述检查情况，对照氢气爆燃的浓度，此次故障可以排除氢爆的可能。

2.3 故障原因分析

对照#2机组发变组保护动作报文以及故障录波器录波图，比对发电机出口TV柜和发电机中性点接地TA柜损毁情况，并对电气设备动稳定性、热稳定性进行分析。

对故障现场进行仔细查看，在发电机出口TV的匝间保护专用TV柜内，A相连接仓内发现1只烤焦的田鼠尸体;检查发电机出口TV柜，发现柜底支撑绝缘子槽板下有1个被遮盖的100 mm的圆孔没有进行封堵，老鼠可以进入;检查发电机出口匝间保护专用TV布置情况，发现其连接铜排裸露，在单相(2 7/)kV电压下，容易产生发电机出口TV引线与中心点引线间短路，发生大电流故障。

由于故障导致巨大的能量瞬时释放，使发电机出口TV柜A相连接仓在短路瞬间产生了巨大的电动力使TV柜发生扭曲变形，从而使A相出口与中心点单相故障转化为A，B相接地短路故障，并引发较强的弧光，至使故障最终发展为三相短路。

A相出口与中心点单相故障点的故障电流及电动力，使得匝间保护专用TV连接中性点接地变柜的高压电缆熔断，进而导致对中性点联箱外壳放电，产生的高温电弧导致中性点联箱内气体急剧膨胀，造成中性点联箱、中性点接地变柜的损毁，扩大了事故。

3 事故处理及防范措施

3.1 具体检查试验项目

3.1.1 外观检查

(1)对发电机进行抽转子，对发电机内、外部进行全面检查，未发现松动和异常情况。

(2)对封闭母线进行全面检查，未发现异常情况。

(3)对变压器及附件进行全面检查，未发现异常情况。

3.1.2 电气试验项目

(1)发电机电气试验项目:发电机漏氢处理/氢气气密试验;定子绕组的绝缘电阻、吸收比或极化指数;定子绕组的直流电阻;定子绕组泄漏电流和直流耐压试验;定子绕组交流耐压试验;定子绕组端部及引线的固有频率测试及端部模态分析。

(2)主变压器和高压厂用变压器电气试验项目:油中溶解气体分析(色谱);绕组频率响应分析;低电压短路阻抗试验;三相直流电阻测试;绝缘电阻;铁心(夹件)绝缘。

(3)中性点电流互感器电气试验项目:电流比校核;绕组电阻测量;励磁特性曲线测量。

(4)机端电压互感器试验项目:一、二次绝缘电阻测量;绕组绝缘介质损耗因数测量;一次绕组直流电阻测量;变比误差测量;励磁特性曲线测量;一次绕组及二次绕组工频耐压试验。

(5)封闭母线和中性点联箱交流耐压试验。

(6)励磁变试验项目:低电压短路阻抗试验;三相直流电阻测试(电气试验);绝缘电阻;直流电阻试验;铁心绝缘电阻测量。

通过全面检查试验，上述设备均正常。

3.2 具体防范措施

3.2.1 技术防范措施

(1)发电机引出线罩壳增加氢气排放点。

(2)检查厂房内氢气管道严密性，同时检查排污管道有无厂房内的不适当开口。

(3)增加发电机出线罩壳及中性点连接箱等部位人工氢气检测的手段。

(4)由于停机时发电机TV拉至检修位置，柜门打开，易导致小动物入内，开机前应认真检查确认无小动物在柜内。

(5)对TV柜基础格栅进行密封，并做好TV柜及连接仓、中性点接地变柜等的封闭工作，防止小动物进入。

(6)对TV柜裸露接线铜排进行绝缘防护处理，提高设备的绝缘防护效果。3.2.2组织措施

(1)组织项目部、设备厂(发电机、封闭母线、变压器厂)、调试单位、设计院、施工单位、监理单位、监督单位技术人员组织讨论制定方案。

(2)指定质量监督小组对质量进行全面检查。

4 结束语

综上所述，事故教训是深刻的，需要从中吸取教训。为保证设备能够安全、可靠运行，必须严格按照施工要求和质量大纲开展全面工作，不因事小而不为，例如防小动物的措施;必须在设计、施工、安装、调试时严格执行强制性条文规定，在质量上严格管控，杜绝隐蔽工作验收不到位，确保全过程质量合格，才能确保人身和设备安全。