水電廠發電機出口斷路器解體故障分析

歐 亮，劉守豹，韋昌偉，石桂學

(大唐水電科學技術研究院有限公司，廣西 南寧 530007)

0 引言

發電機出口斷路器(generator circuit breaker，GCB)具有增強發電機、變壓器安全保護水平，提高電氣設備可靠性，簡化廠用電切換操作，縮減故障處理時間，及時恢復廠用電運行等功能，廣泛應用于電廠。GCB一般由觸頭系統、滅弧系統、操作機構、脫扣器、外殼等構成。發電機正常運行時，出口斷路器能接通和斷開工作電流，控制機組與電力系統并列或解列。

GCB主要故障原因包括液壓油雜質過高導致彈簧不能正常儲能、觸頭傳動機構(如墊圈、彈簧、銷軸等)失效、二次插頭松脫、分閘監視回路中存在寄生回路等機械或電氣故障。

以某發電廠700 MW機組GCB解體故障為例，通過對故障現象和短路解體過程的分析，找出導致故障發生的根本原因并給出維護建議。

1 故障概況

該廠發生故障的3號發電機GCB額定電壓為24 kV，額定電流為27 kA。故障發生前，3號發電機帶493.6 MW并網運行(負荷電流16 kA)。當天16：53：10監控報發電機保護動作停機；16：53：12發電機電氣保護B套動作；16：53：14主變A套低壓側零序保護跳閘，高壓側500 kV斷路器Ⅱ跳閘。

監控系統監視3號發電機停機流程正常執行；GCB僅配置SF6氣體壓力表，壓力表僅具備欠壓報警和低壓閉鎖功能，無實時壓力監測功能。

2 檢查分析

2.1 發電機C相GCB解體檢查

3號發電機C相GCB本體炸裂，附件散落。動主觸頭連桿臂銷軸鄰近的基座有嚴重的陳舊性機械損傷痕跡，基座與動主觸頭連桿臂銷軸分合閘運動軌跡距離很近，該痕跡為此前動作過程中多次碰撞造成，故判斷在故障發生前動主觸頭傳動系統已存在機械故障。GCB操作主觸頭系統連桿臂的銷軸丟失，固定銷軸的連接螺釘斷裂成兩截，斷口裂痕表明螺釘受到剪切力而折斷。

動觸頭大部分熔化，僅剩部分觸指殘體；動弧觸頭前端已經完全熔化，其材質為銅鎢合金，熔化長度約60 mm；靜觸頭燒蝕部分位于GCB下部，受損區域約占整個靜觸頭主要導電區域的40 %，熔化區域約占整個靜觸頭的20 %；動觸頭傳動機構和旋轉絕緣子有過流痕跡。

GCB下側氣室有電弧灼燒痕跡，氣室與支柱絕緣子之間的不銹鋼防塵板因金屬熔液匯聚表面而燒穿，在傳動機構底部凝結成結晶體。使用手持式光譜儀檢測結晶體、防塵板燒蝕部分的金屬元素，均檢測到銅、鎢元素，故判斷防塵板穿孔由弧觸頭熔化后金屬液體滴濺在防塵板上所致。

2.2 發電機GCB連桿襯套檢查

對3號發電機GCB進行拆解觀察部件磨損情況。GCB操作主觸頭系統的連桿臂襯套受斷路器分合操作中振動、摩擦等的外力影響出現了破損。從不同相的GCB拆解情況來看，相同位置襯套C相損壞最嚴重，B相次之，A相最輕。

2.3 故障錄波檢查

調取故障期間的故障錄波，對比發電機側電壓波形和主變低壓側電壓波形可知，發電機和主變低壓側的A， B相在GCB跳閘時刻即實現了電氣分離，而跳閘后兩側C相電壓波形相同并持續了大約702 ms，表明該時段內發電機和主變低壓側C相仍存在電氣連接。由于主變低壓側為三角形接線，發電機采用高阻接地方式，在A， B兩相分斷后發電機已經停止向主變提供負載電流(即發電機已經停止向電網供能)，發電機C相電流實際上是單相接地電容電流。GCB跳閘702 ms后，主變低壓側、發電機側C相電壓相位同步消失，此刻C相電氣連接斷開，GCB解體。

3 故障原因剖析

3.1 動主觸頭銷軸及連桿系統存在設計缺陷

動主觸頭連桿臂襯套磨損嚴重，遠低于出廠技術文件規定的使用壽命。合同規定GCB機械穩定性操作次數應達10000次以上，而拆解的4號發電機同型號GCB實際只操作了3045次，且襯套出現嚴重磨損。在分合閘時，襯套磨損將引起動主觸頭銷軸軸向竄動，與兩側基座發生碰撞進而造成銷軸脫落。

3.2 接觸電阻過大導致GCB內部嚴重發熱

從C相GCB動靜觸頭的燒蝕、熔化情況可知，GCB內部導電部件大量發熱。由焦耳定律Q=I2Rt可知，電流通過導體的熱量與電阻成正比。使用回路電阻測試儀進行現場測試，結果顯示在GCB正常合閘情況下，回路電阻為2.1 μΩ左右；當動主觸頭不與靜主導電環接觸，僅動弧觸頭與靜弧觸頭接觸情況下，回路電阻達270 μΩ左右。

由于C相GCB在其倒數第二次分閘時，動主觸頭連桿臂的銷軸螺釘斷裂，使得最后一次合閘并網時動主觸頭合閘不成功，僅動弧觸頭合閘。GCB在16 kA負載電流下，持續導通53 min，動靜弧觸頭間產生大量的焦耳熱，溫度急劇上升，最終燒蝕、熔化。

3.3 熔融金屬導致GCB無法實際分斷

GCB高低電位的隔離通過旋轉絕緣子實現，該處為GCB的絕緣薄弱點。在分閘后，主回路靠近GCB底部的部分被金屬熔液及散落的動靜觸頭導電部件橋接，使得發電機和主變低壓側C相無法實際分斷，電弧持續在GCB內部燃燒、持續放電，因此下側氣室有電弧灼燒痕跡。

4 處置措施

(1) 加裝測溫裝置和SF6氣體壓力在線監測裝置，以便提前發現GCB內部異常并及時采取正確應對措施，避免缺陷發展為故障。

(2) 安裝壓力釋放裝置，杜絕GCB因壓力無法有效釋放導致解體造成人身傷亡、設備損壞故障。

(3) 重新考慮發電機定子單相接地保護設置，確保GCB內部故障引起的單相接地故障不擴大。

5 結束語

通過對該發電廠700 MW機組GCB解體故障的檢查和分析，找出了故障根本原因，并在采取上述處置措施的基礎上，提出了后續的改進方向。

(1) 盡快對全部機組GCB觸頭系統操作部件進行檢查，立即更換缺陷聯動部件，確保在一定的操作次數內不發生故障。

(2) 對動主觸頭連桿臂銷軸以及相關部件進行改進及完善，選擇升級換代產品，適時進行替換，確保GCB機械性能滿足技術規范要求。