一起因真空包引發的機組故障的分析

摘 要 真空包損壞會導致發電機組事故停運 ，產生很多的無謂損失 ，不僅浪費了大量的資源 ，降低了效率 ，
也對發電機的壽命與安全運行帶來了較大的影響。本文從筆者所在單位近 2 個月時間里 ，機組在發電工況下多次發
生差動保護動作停機現象 ，經過系統的分析、試驗 ，最后確定為真空包損壞 ，這起真空包引發的故障持續時間長 ，
分析處理過程曲折 ，有必要對這一起因的故障進行分析總結。
關 鍵 詞 故障 ；原因 ；分析
中圖分類號 TM31 文獻標識碼 A 文章編號 1674-6708（2014）113-0225-02
1 概述
響洪甸抽水蓄能電站 5# 機定子線圈為 F 級絕緣 ，雙 Y、
三段式繞組結構 ，段間采用變極開關進行切換 ，以適應機組
在水泵工況下雙轉速運轉的需要（原理圖見附圖）。定子變極
開關由兩組共四臺真空開關組成 ，其中在發電工況與低轉速
水泵工況Ⅱ時投入 5-5DL 及 5-6DL，高轉速水泵工況Ⅰ時投入
5DL~3DL 及 5DL~4DL。自 2012 年 5 月 10 日起機組在發電工況
下發生了差動保護動作停機現象 ，并在陸續近兩個月的時間
內多次出現此類情況。經過一連串的分析、試驗。最后確定為
5-3DL 的 A 相真空包損壞 ，導致了差動保護動作。
2 故障過程簡介
2012 年 5 月 10 日 8 時 24 分 5# 機在并網發電 27min 后差
動保護動作停機 ，保護裝置顯示為 A、B 相相間短路。在做好
安全措施后 ，立即安排人員進入發電機內部對機組定子線圈上
下端部、銅環進行了仔細的檢查 ，并對發電機從中性點到換向
開關之間的所有差動保護范圍內的電氣連接部分進行了周密的
檢查 ，未發現任何異常情況。經多方研究決定做開機遞升加壓
試驗 ，直至并網發電帶負荷都未見異常。6 月 27 日 5# 機開機
發電約 3h 后又發生了差動保護動作停機現象 ，進行與第一次
相同程度的檢查并做定子線圈的直流泄漏及耐壓試驗都未發現
異常問題。在對一次設備進行檢查的同時也對保護裝置進行了
全面的檢查 ，并請來廠方人員對保護的各個環節做了細致的檢
查試驗。隨著開機試驗次數的增加 ，差動保護動作頻度最后發
展到每次開機差動保護都動作 ，直至 7 月 15 日的開機試驗過
程中出現兩次明顯的機組振動 ，證明機組確已發生了短路 ，接
著進行遞升加壓試驗 ，布置人員在各處監視 ，又出現了兩次明
顯振動聲響 ，并隨著出口電壓的升高 ，振動明顯增強 ，同時
有人看見在 5DL~3DL 處有閃光發出。從發生的一切現象分析 ，
確定變極開關內部出現了問題。逐個拆開 5DL~3DL、5DL~4DL
的上下口連接母線 ，重點對 5-3DL 的 A 相 ，5-4DL 的 C 相的真
空包進行了交流耐壓試驗 ，結果發現 5-3DL 的 A 相及 C 相真空
包耐壓值嚴重不合格。拆除不合格真空包 ，使上下口懸空 ，再
次做開機試驗 ，故障現象消除。備品到貨后安裝了合格的真空
包 ，開機試驗正常。至此 ，困擾機組多日的缺陷得到徹底解決。
3 原因分析
伴隨著相同故障的多次重復出現 ，一直未停止對故障原因
的分析與查找。差動保護動作所存在的原因大致有兩個方面。
一是保護問題。電流互感器、保護回路及保護裝置的故障都可
能引起保護裝置誤動。二是設備存在短路點 ，導致了差動保護
動作。出現短路的部位有以下幾處可能 ，一是定子線圈的線棒
或端部、銅環發生了相間短路 ，而短路電流在線圈內部產生的
熱量一定會造成明顯的破壞 ，從檢查結果以及保護顯示的短路
電流值來看 ，可以排除定子線圈本身的因素。第二種可能是變
極開關某個真空包發生了短路。從現象上分析 ，5DL ～ 3DL 的
A 相 ，5DL~4DL 的 C 相真空包都有出現短路可能。從理論上來
講 ，當真空包因真空度破壞或觸頭開距減小引起觸頭間絕緣擊
穿時 ，應出現持續的放電現象 ，并在以后的相同狀態下會必然
出現。實際上在 6 月 27 日短路啟動了線路保護錄波裝置的波
形分析 ，短路保護在動作后 22ms 自行復歸 ，89ms 后開關斷開 ，
說明在啟動保護約一個周波后短路電流已消失 ，由于在保護復
歸前已啟動了出口繼電器 ，故仍然跳閘。也就是說開關斷開的
是負荷電流而不是故障電流。由次說明 ，真空包在真空度下降
后仍然可以在短路后自動熄弧。在開機試驗時機組振動現象也
表明 ：真空包在升壓過程中出現了短暫的拉弧、熄弧過程。由
于是首次使用高壓真空開關 ，對真空包的特性不熟悉 ，向有關
使用真空開關的單位咨詢 ，都未遇到過這種情況 ，也無法給予
合理解釋 ，這樣使我們放棄了進一步對變極開關引發短路因素
的深究。第三種可能性是機組出口母線間絕緣子擊穿引起了相
間短路 ，短路后可能沒有明顯痕跡。鑒于母線相間短路時必然
接地 ，且絕緣子絕緣等級為 20KV，高于 10KV，也可以排除。第
四個可能是出口開關本身相間短路。由于出口開關為進口設備
全封閉式結構 ，且電壓等級為 15KV，我們認為發生故障的可能
性很小。
然而 ，除真空包本身具有的這種自動熄弧且不確定性的特
性至今未得到合理解釋外 ，從 5-3DL 的 A 相真空包損壞造成的
外觀現象來看 ，結果都是合情合理的。
1）5-3DL 在電動工況Ⅰ時處于“合”位置 ，上下口導通 ，
不存在擊穿問題 ，故在電動工況Ⅰ狀態時從未發生過保護動作
現象 ；
2）5-3DL 在發電工況時處于“分”位置 ，上下口分別屬于 A、
B 相 ，真空包斷口間電壓 Un。當真空度下降 ，觸頭間隙瞬間擊
穿 ，形成 A、B 相間短路 ，引起差動保護動作停機。當試驗時
保護壓板切除后 ，短路造成機組出口電壓降低 ，勵磁裝置為維
持給定電流不斷增加勵磁電壓 ，使原本有缺陷的轉子繞組對地
絕緣擊穿 ，并出現了兩點接地 ；
3）由于短路出現在真空包內部 ，且真空包為不透明瓷質
結構 ，難以發現故障點 ，只有在真空包故障惡化到一定程度后 ，
或在交流耐壓試驗時 ，才能見到真空包的放電發光現象 ；
4）真空包真空度破壞 ，在多次燃弧、熄弧后觸頭極面及
屏蔽罩燒傷使擊穿條件存在著不確定性。