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俄羅斯薩楊-舒申斯克水電站事故原因的分析
2009/9/18 10:17:53    新聞來源:中國水力發電工程學會

    據俄羅斯媒體報道,俄羅斯西伯利亞地區哈卡斯共和國境內的薩楊-舒申斯克水電站于8月17日在維修過程中變壓器發生爆炸,水電站墻體損毀,機房進水,并造成大量人員傷亡。

    薩楊-舒申斯克水電站位于葉尼塞河上游,混凝土重力拱壩最大壩高245米,水庫庫容313億立方米,壩后式廠房內安裝10臺單機64萬千瓦的水輪發電機組,總裝機640萬千瓦,多年平均發電量235億千瓦時。該工程于1968年開工,首臺機組于1978年投運,為提前收到效益,當時采用60米低水頭的臨時機組,出力僅為15.5萬千瓦,邊澆筑大壩邊發電。1987年全部機組投入正常運行,成為當時僅次于伊泰普電站(總裝機20×70萬)的世界第二大水電站。

    水電站壓力鋼管為壩后背管式,直徑7.5米。額定水頭194米,額定流量358立方米/秒。轉輪直徑6.77米,額定轉速142.8轉/min。最大水頭212米,最大出力73.5萬千瓦。發電機額定電壓15.75KV,最大容量736MVA,定子采用水內冷,發電機轉子重935噸。

    主接線采用擴大單元接線,每2臺64萬千瓦機組與1組160萬KVA的單相變壓器組相聯,每臺單相變壓器的容量為53.3萬kVA,位于廠壩間,升壓至500kV送出。

    俄羅斯薩楊-舒申斯克水電站事故受到世界廣泛關注,影響重大。中國大壩協會在事故發生后,陸續收到了來自各方的質疑和不同的信息。為澄清事實,以正視聽,中國大壩協會收集整理了有關資料,但由于至今未見到俄羅斯方面對事故正式的、官方的報告,也未能找到權威的俄羅斯專家就事故進行探討,所以本文的分析仍是初步的。

事故發生前的廠房

事故發生后的廠房

    一般認為,薩楊-舒申斯克水電站事故是變壓器維修時爆炸引起的。變壓器發生爆炸通常是內部絕緣破壞,其原因大致有以下幾方面:
    1、變壓器近端發生短路故障,短路電流所產生的電動力使變壓器受到破壞,故障進一步發展形成爆炸。類似事故在變壓器型式試驗的短時電流試驗中屢見不鮮。薩楊-舒申斯克水電站采用三個單相變壓器組的結構,減小了內部短路的幾率,但一旦發生對地短路將會產生很大的電動力。
    2、變壓器本身存在絕緣老化,在日常運行中沒有及時處理,積累到一定程度導致變壓器絕緣損壞;另水電站的環境條件比較差,變壓器的絕緣油容易受潮,致使擊穿強度降低,當遇到過電壓故障時發生絕緣擊穿,可以使變壓器線圈損壞、燒毀并引起爆炸。電力設備設計壽命通常是30年,薩楊-舒申斯克水電站從首臺機組1978年投運至今已運行40余年,如變壓器一直未更換過,則運行時間早已超過其設計壽命,發生此類故障的幾率較高。
    3、變壓器的故障一般不會造成變壓器的爆炸,變壓器通常具有差動保護和瓦斯保護。差動保護是在變壓器輸入容量和輸出容量發生變化時的保護動作,開關跳閘;瓦斯保護是在變壓器內部壓力超標時的動作,切斷變壓器電源。早期設計的變壓器有防暴筒,變壓器絕緣擊穿短路后防暴筒動作,變壓器內部壓力釋放,外殼可能扭曲,但不應爆炸。變壓器爆炸,說明變壓器故障時間過長,可能是變壓器保護沒有及時動作,開關沒有及時斷開,變壓器內部因絕緣擊穿而短路,短路電流引起變壓器內部壓力驟升,防暴筒來不及釋放,引起爆炸。
    當變壓器爆炸后,機組失去負荷,轉速快速上升。為保護機組不至因為飛逸而破壞,水輪機調速器會自動關閉導葉。如導葉關閉太快,會使導葉前壓力快速上升。根據電站基本參數估算,其壓力鋼管長度約為450m,壓力波在水中傳遞速度約為900m/s,壓力波由機組傳至水庫需0.5s。當機組在滿負荷運行時,導葉內流速在25m/s左右。如導葉全關閉時間為5s,水擊壓力約為230m水頭,如在額定水頭194m工作,總壓力超過400m水頭,作用在導葉前圓環上的壓力可能高達5000~8000噸,這種水壓作用完全可能沖破水輪機頂蓋,進而掀翻機組。
    然而,在水電站設計中,發電機組甩負荷應該是設計時必須考慮到的運行工況之一,不應該因甩負荷而造成如此大的損失。事故發生可能是調速器導葉關閉規律設置不合理,也可能是調速器或油壓裝置出現故障。此外,也不排除變壓器爆炸損壞了空壓機和油壓裝置,導葉在自關閉水力矩作用下自動關閉。
    我國近十幾年對水電站進行大規模的技術改造,大中型水電站基本上都采用了自動化水平更高也更安全的調速器。只要高度重視安全問題,注意保持設備的完好率,特別是對一些關鍵設備定期進行檢查維修,應該完全可以避免類似事故的發生。
    當前,國際上報導對于事故原因還有如下猜測:(1)因異物進入水輪機組,導致導葉緊急關閉,從而發生水錘;(2)變壓器爆炸傷及壓力鋼管或蝸殼,導致高壓水涌出;(3)水錘發生導致變壓器爆炸。

信息來源:中國水科院 中國大壩協會

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