摘 要 真空包损坏会导致发电机组事故停运 ，产生很多的无谓损失 ，不仅浪费了大量的资源 ，降低了效率 ，
也对发电机的寿命与安全运行带来了较大的影响。本文从笔者所在单位近 2 个月时间里 ，机组在发电工况下多次发
生差动保护动作停机现象 ，经过系统的分析、试验 ，最后确定为真空包损坏 ，这起真空包引发的故障持续时间长 ，
分析处理过程曲折 ，有必要对这一起因的故障进行分析总结。
关 键 词 故障 ；原因 ；分析
中图分类号 TM31 文献标识码 A 文章编号 1674-6708（2014）113-0225-02
1 概述
响洪甸抽水蓄能电站 5# 机定子线圈为 F 级绝缘 ，双 Y、
三段式绕组结构 ，段间采用变极开关进行切换 ，以适应机组
在水泵工况下双转速运转的需要（原理图见附图）。定子变极
开关由两组共四台真空开关组成 ，其中在发电工况与低转速
水泵工况Ⅱ时投入 5-5DL 及 5-6DL，高转速水泵工况Ⅰ时投入
5DL~3DL 及 5DL~4DL。自 2012 年 5 月 10 日起机组在发电工况
下发生了差动保护动作停机现象 ，并在陆续近两个月的时间
内多次出现此类情况。经过一连串的分析、试验。最后确定为
5-3DL 的 A 相真空包损坏 ，导致了差动保护动作。
2 故障过程简介
2012 年 5 月 10 日 8 时 24 分 5# 机在并网发电 27min 后差
动保护动作停机 ，保护装置显示为 A、B 相相间短路。在做好
安全措施后 ，立即安排人员进入发电机内部对机组定子线圈上
下端部、铜环进行了仔细的检查 ，并对发电机从中性点到换向
开关之间的所有差动保护范围内的电气连接部分进行了周密的
检查 ，未发现任何异常情况。经多方研究决定做开机递升加压
试验 ，直至并网发电带负荷都未见异常。6 月 27 日 5# 机开机
发电约 3h 后又发生了差动保护动作停机现象 ，进行与第一次
相同程度的检查并做定子线圈的直流泄漏及耐压试验都未发现
异常问题。在对一次设备进行检查的同时也对保护装置进行了
全面的检查 ，并请来厂方人员对保护的各个环节做了细致的检
查试验。随着开机试验次数的增加 ，差动保护动作频度最后发
展到每次开机差动保护都动作 ，直至 7 月 15 日的开机试验过
程中出现两次明显的机组振动 ，证明机组确已发生了短路 ，接
着进行递升加压试验 ，布置人员在各处监视 ，又出现了两次明
显振动声响 ，并随着出口电压的升高 ，振动明显增强 ，同时
有人看见在 5DL~3DL 处有闪光发出。从发生的一切现象分析 ，
确定变极开关内部出现了问题。逐个拆开 5DL~3DL、5DL~4DL
的上下口连接母线 ，重点对 5-3DL 的 A 相 ，5-4DL 的 C 相的真
空包进行了交流耐压试验 ，结果发现 5-3DL 的 A 相及 C 相真空
包耐压值严重不合格。拆除不合格真空包 ，使上下口悬空 ，再
次做开机试验 ，故障现象消除。备品到货后安装了合格的真空
包 ，开机试验正常。至此 ，困扰机组多日的缺陷得到彻底解决。
3 原因分析
伴随着相同故障的多次重复出现 ，一直未停止对故障原因
的分析与查找。差动保护动作所存在的原因大致有两个方面。
一是保护问题。电流互感器、保护回路及保护装置的故障都可
能引起保护装置误动。二是设备存在短路点 ，导致了差动保护
动作。出现短路的部位有以下几处可能 ，一是定子线圈的线棒
或端部、铜环发生了相间短路 ，而短路电流在线圈内部产生的
热量一定会造成明显的破坏 ，从检查结果以及保护显示的短路
电流值来看 ，可以排除定子线圈本身的因素。第二种可能是变
极开关某个真空包发生了短路。从现象上分析 ，5DL ～ 3DL 的
A 相 ，5DL~4DL 的 C 相真空包都有出现短路可能。从理论上来
讲 ，当真空包因真空度破坏或触头开距减小引起触头间绝缘击
穿时 ，应出现持续的放电现象 ，并在以后的相同状态下会必然
出现。实际上在 6 月 27 日短路启动了线路保护录波装置的波
形分析 ，短路保护在动作后 22ms 自行复归 ，89ms 后开关断开 ，
说明在启动保护约一个周波后短路电流已消失 ，由于在保护复
归前已启动了出口继电器 ，故仍然跳闸。也就是说开关断开的
是负荷电流而不是故障电流。由次说明 ，真空包在真空度下降
后仍然可以在短路后自动熄弧。在开机试验时机组振动现象也
表明 ：真空包在升压过程中出现了短暂的拉弧、熄弧过程。由
于是首次使用高压真空开关 ，对真空包的特性不熟悉 ，向有关
使用真空开关的单位咨询 ，都未遇到过这种情况 ，也无法给予
合理解释 ，这样使我们放弃了进一步对变极开关引发短路因素
的深究。第三种可能性是机组出口母线间绝缘子击穿引起了相
间短路 ，短路后可能没有明显痕迹。鉴于母线相间短路时必然
接地 ，且绝缘子绝缘等级为 20KV，高于 10KV，也可以排除。第
四个可能是出口开关本身相间短路。由于出口开关为进口设备
全封闭式结构 ，且电压等级为 15KV，我们认为发生故障的可能
性很小。
然而 ，除真空包本身具有的这种自动熄弧且不确定性的特
性至今未得到合理解释外 ，从 5-3DL 的 A 相真空包损坏造成的
外观现象来看 ，结果都是合情合理的。
1）5-3DL 在电动工况Ⅰ时处于“合”位置 ，上下口导通 ，
不存在击穿问题 ，故在电动工况Ⅰ状态时从未发生过保护动作
现象 ；
2）5-3DL 在发电工况时处于“分”位置 ，上下口分别属于 A、
B 相 ，真空包断口间电压 Un。当真空度下降 ，触头间隙瞬间击
穿 ，形成 A、B 相间短路 ，引起差动保护动作停机。当试验时
保护压板切除后 ，短路造成机组出口电压降低 ，励磁装置为维
持给定电流不断增加励磁电压 ，使原本有缺陷的转子绕组对地
绝缘击穿 ，并出现了两点接地 ；
3）由于短路出现在真空包内部 ，且真空包为不透明瓷质
结构 ，难以发现故障点 ，只有在真空包故障恶化到一定程度后 ，
或在交流耐压试验时 ，才能见到真空包的放电发光现象 ；
4）真空包真空度破坏 ，在多次燃弧、熄弧后触头极面及
屏蔽罩烧伤使击穿条件存在着不确定性。
也对发电机的寿命与安全运行带来了较大的影响。本文从笔者所在单位近 2 个月时间里 ，机组在发电工况下多次发
生差动保护动作停机现象 ，经过系统的分析、试验 ，最后确定为真空包损坏 ，这起真空包引发的故障持续时间长 ，
分析处理过程曲折 ，有必要对这一起因的故障进行分析总结。
关 键 词 故障 ；原因 ；分析
中图分类号 TM31 文献标识码 A 文章编号 1674-6708（2014）113-0225-02
1 概述
响洪甸抽水蓄能电站 5# 机定子线圈为 F 级绝缘 ，双 Y、
三段式绕组结构 ，段间采用变极开关进行切换 ，以适应机组
在水泵工况下双转速运转的需要（原理图见附图）。定子变极
开关由两组共四台真空开关组成 ，其中在发电工况与低转速
水泵工况Ⅱ时投入 5-5DL 及 5-6DL，高转速水泵工况Ⅰ时投入
5DL~3DL 及 5DL~4DL。自 2012 年 5 月 10 日起机组在发电工况
下发生了差动保护动作停机现象 ，并在陆续近两个月的时间
内多次出现此类情况。经过一连串的分析、试验。最后确定为
5-3DL 的 A 相真空包损坏 ，导致了差动保护动作。
2 故障过程简介
2012 年 5 月 10 日 8 时 24 分 5# 机在并网发电 27min 后差
动保护动作停机 ，保护装置显示为 A、B 相相间短路。在做好
安全措施后 ，立即安排人员进入发电机内部对机组定子线圈上
下端部、铜环进行了仔细的检查 ，并对发电机从中性点到换向
开关之间的所有差动保护范围内的电气连接部分进行了周密的
检查 ，未发现任何异常情况。经多方研究决定做开机递升加压
试验 ，直至并网发电带负荷都未见异常。6 月 27 日 5# 机开机
发电约 3h 后又发生了差动保护动作停机现象 ，进行与第一次
相同程度的检查并做定子线圈的直流泄漏及耐压试验都未发现
异常问题。在对一次设备进行检查的同时也对保护装置进行了
全面的检查 ，并请来厂方人员对保护的各个环节做了细致的检
查试验。随着开机试验次数的增加 ，差动保护动作频度最后发
展到每次开机差动保护都动作 ，直至 7 月 15 日的开机试验过
程中出现两次明显的机组振动 ，证明机组确已发生了短路 ，接
着进行递升加压试验 ，布置人员在各处监视 ，又出现了两次明
显振动声响 ，并随着出口电压的升高 ，振动明显增强 ，同时
有人看见在 5DL~3DL 处有闪光发出。从发生的一切现象分析 ，
确定变极开关内部出现了问题。逐个拆开 5DL~3DL、5DL~4DL
的上下口连接母线 ，重点对 5-3DL 的 A 相 ，5-4DL 的 C 相的真
空包进行了交流耐压试验 ，结果发现 5-3DL 的 A 相及 C 相真空
包耐压值严重不合格。拆除不合格真空包 ，使上下口悬空 ，再
次做开机试验 ，故障现象消除。备品到货后安装了合格的真空
包 ，开机试验正常。至此 ，困扰机组多日的缺陷得到彻底解决。
3 原因分析
伴随着相同故障的多次重复出现 ，一直未停止对故障原因
的分析与查找。差动保护动作所存在的原因大致有两个方面。
一是保护问题。电流互感器、保护回路及保护装置的故障都可
能引起保护装置误动。二是设备存在短路点 ，导致了差动保护
动作。出现短路的部位有以下几处可能 ，一是定子线圈的线棒
或端部、铜环发生了相间短路 ，而短路电流在线圈内部产生的
热量一定会造成明显的破坏 ，从检查结果以及保护显示的短路
电流值来看 ，可以排除定子线圈本身的因素。第二种可能是变
极开关某个真空包发生了短路。从现象上分析 ，5DL ～ 3DL 的
A 相 ，5DL~4DL 的 C 相真空包都有出现短路可能。从理论上来
讲 ，当真空包因真空度破坏或触头开距减小引起触头间绝缘击
穿时 ，应出现持续的放电现象 ，并在以后的相同状态下会必然
出现。实际上在 6 月 27 日短路启动了线路保护录波装置的波
形分析 ，短路保护在动作后 22ms 自行复归 ，89ms 后开关断开 ，
说明在启动保护约一个周波后短路电流已消失 ，由于在保护复
归前已启动了出口继电器 ，故仍然跳闸。也就是说开关断开的
是负荷电流而不是故障电流。由次说明 ，真空包在真空度下降
后仍然可以在短路后自动熄弧。在开机试验时机组振动现象也
表明 ：真空包在升压过程中出现了短暂的拉弧、熄弧过程。由
于是首次使用高压真空开关 ，对真空包的特性不熟悉 ，向有关
使用真空开关的单位咨询 ，都未遇到过这种情况 ，也无法给予
合理解释 ，这样使我们放弃了进一步对变极开关引发短路因素
的深究。第三种可能性是机组出口母线间绝缘子击穿引起了相
间短路 ，短路后可能没有明显痕迹。鉴于母线相间短路时必然
接地 ，且绝缘子绝缘等级为 20KV，高于 10KV，也可以排除。第
四个可能是出口开关本身相间短路。由于出口开关为进口设备
全封闭式结构 ，且电压等级为 15KV，我们认为发生故障的可能
性很小。
然而 ，除真空包本身具有的这种自动熄弧且不确定性的特
性至今未得到合理解释外 ，从 5-3DL 的 A 相真空包损坏造成的
外观现象来看 ，结果都是合情合理的。
1）5-3DL 在电动工况Ⅰ时处于“合”位置 ，上下口导通 ，
不存在击穿问题 ，故在电动工况Ⅰ状态时从未发生过保护动作
现象 ；
2）5-3DL 在发电工况时处于“分”位置 ，上下口分别属于 A、
B 相 ，真空包断口间电压 Un。当真空度下降 ，触头间隙瞬间击
穿 ，形成 A、B 相间短路 ，引起差动保护动作停机。当试验时
保护压板切除后 ，短路造成机组出口电压降低 ，励磁装置为维
持给定电流不断增加励磁电压 ，使原本有缺陷的转子绕组对地
绝缘击穿 ，并出现了两点接地 ；
3）由于短路出现在真空包内部 ，且真空包为不透明瓷质
结构 ，难以发现故障点 ，只有在真空包故障恶化到一定程度后 ，
或在交流耐压试验时 ，才能见到真空包的放电发光现象 ；
4）真空包真空度破坏 ，在多次燃弧、熄弧后触头极面及
屏蔽罩烧伤使击穿条件存在着不确定性。
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