沙河抽水蓄能電站2號機電氣制動開關國產化改造

黃 艷，李馳駿

（江蘇沙河抽水蓄能發電有限公司，江蘇 溧陽 213333）

0 引言

抽水蓄能電站在電力系統中主要承擔調峰、填谷任務，必要時還要承擔電網的調頻及緊急事故備用任務，因此機組每日啟停機次數非常頻繁。為保障機組的安全運行，機組停機制動就顯得十分重要，抽水蓄能機組通常采用機械制動與電氣制動結合的雙重制動方式，以縮短停機時間，提高機組的自動化水平。機組停機過程中當轉速下降到額定值50%時，將發電機出口三相短路即合上電氣制動開關，然后再在轉子回路加勵磁，此時定子電流產生純去磁電樞反應，定子磁動勢與轉子磁動勢相反，達到制動的目的；當轉速下降到額定值5%時，機械制動系統自動投入運行，使機組減速停機。沙河抽水蓄能電站裝有2套電氣制動開關，隨主機合同捆綁進口，采用法國某公司生產的中壓電動隔離開關，于2002年6月投入運行。

1 改造必要性及可行性分析

1.1 設備選型問題

采用帶有弧觸頭的電動三相隔離開關，雖然布置簡單，操作容易，但是存在著滅弧能力差，分合閘時間較長、三相同期性不良等缺點。

1.2 設備健康狀況下降

自投入使用以來，已累計動作超2萬次，動靜觸頭存在不同程度的磨損，操動機構也存在劣化、損壞風險，整體設備健康狀況逐步下降：投產初期發生動觸頭絕緣拉桿斷裂；2009年3月發現1號機電氣制動開關C相有機材料傳動提升桿開口銷震落（見圖1）；2017年5月檢修期間發現1號機電氣制動開關柜內B相動觸頭的輔助觸頭向左偏移；2018年發生三相弧觸頭有多處軟連接斷裂；2019年5月發現2號機電氣制動開關柜內B相支撐瓷瓶有破損（見圖2）。

圖1 2009年/C相機構開口銷震落

圖2 2019年/B相支撐瓷瓶有破損

1.3 本體結構無“五防”功能

柜體和操作箱設計上未充分考慮國內“五防”需求[1]：柜體上無帶電顯示裝置，在設備帶電狀態下使用鑰匙可打開柜門，有誤入帶電間隔的風險；操作機構箱無門鎖，箱門可任意打開，同時無操作機構選擇位置明示窗，使用專用工具可任意切換“現地/遠方/手動/退出”位置，有帶負荷分、合隔離開關的風險（見圖3）。

圖3 法國某公司生產的電氣制動開關柜外觀(改造前)

1.4 電氣回路控制不完善

操作機構切換開關為機械結構，無電氣接點引出，故“現地/遠方/手動/退出”實際切換位置僅靠現場目視判斷，遠方無法判斷操作機構實際的工作狀態，有可能出現操作機構未切換至“遠方”狀態，在停機時無法正常投電氣制動的情況。

電機操作采用交流電源，且與回路控制電源、加熱器電源共用一個空氣開關，跳開關的風險增大；操作電源無信號監視回路，遠方無法判斷電源是否正常供電。

1.5 維護服務成本高

電站2018年組織開展了1號機電氣制動開關大修工作，更換了整套動靜觸頭和操作機構，僅技術服務費近8萬元。國外公司在國內售后技術服務人員配置有限，技術服務上易出現溝通渠道不暢、服務不及時的情況，而購置一套備件費用高達55萬元，維護服務成本高。

1.6 國內有替代產品

經調研，以國產真空開關代替電動隔離開關作為抽水蓄能機組電氣制動開關，在回龍抽水蓄能電站已得到成功應用，運行情況良好。

鑒于上述分析，沙河抽水蓄能電站展開機組電氣制動開關國產化工作的必要性已日益突出，改造的可行性已具備條件。

2 國產化改造

2.1 設備選型

改造采用手車式真空開關，不僅具有真空開關觸頭開距小、燃弧時間短、滅弧能力強、分合閘迅速、三相同期性好等特點，還具有體積小、重量輕、運行操作維護方便等優勢。

2.2 參數選擇

綜合考慮設計要求和實際短路電流計算情況[2]，經綜合比較，最終選擇廈門ABB公司提供的、應用比較成熟的ZS1型鎧裝式金屬封閉開關柜[3]（見表1），柜內部配置額定電流4 000 A的手車式斷路器（見圖4、圖5）。根據柜內電氣設備的功能，柜體用隔板分為4個不同的功能單元：母線室、斷路器室、電纜室、低壓儀表室。3個高壓隔室的頂部均裝有壓力釋放板，當發生內部故障電弧，開關柜內部 氣壓升高時，頂部裝設的壓力釋放金屬板將被自動 打開，釋放壓力和排泄氣體。裝設在門上的特殊密封圈把柜前面封閉起來，以確保操作人員和開關柜的安全。斷路器手車可以在運行、試驗/隔離2個不同位置之間移動。

表1 2號機電氣制動開關柜參數選擇表

圖4 廈門ABB公司生產的ZS1型金屬開關柜（改造后）

圖5 手車式VD4斷路器

2.3 改造實施

2020年4月沙河抽水蓄能電站結合2號機組B級檢修先行展開2號機電氣制動開關國產化改造工作，在原進口電氣制動開關柜位置上安裝國產ZS1型金屬鎧裝開關柜。按規程規范[4]要求進行電氣設備交接預防性試驗工作，各項試驗數據合格；對柜體各電源和控制回路、閉鎖功能和信號核對等進行靜態調試均無異常。4月28日動態調試顯示空載停機時電氣制動開關正常投入合分操作，各信號反饋正確，運行時無異響、無異味；對比改造前后機組停機電氣制動過程，制動效果相似，定子電流、勵磁電壓、電流等電氣量的衰減基本上保持一致，均在停止電氣制動，勵磁系統逆變滅磁后的1～2 s內衰減到零。

2.4 改造效果

2.4.1 增設“五防”功能

柜體結構上充分考慮了“防止誤操作的聯鎖保護”：柜體上設有帶電顯示裝置；手車開關在運行位置時，控制線插頭被鎖定，無法拔出；斷路器在分閘位置時，手車方能在運行、試驗/隔離2個不同位置之間移動，活門會自動蓋住或打開裝在母線室和電纜室內的漏斗形絕緣套筒內的靜觸頭；手車完全咬合在試驗或運行位置時，斷路器才能合閘；手車在試驗或運行位置而沒有控制電壓時，斷路器不能合閘，僅能手動分閘。

2.4.2 完善電氣控制回路

電源控制上，將加熱器回路和控制、電機回路分開；加熱器仍用交流電源供電，而儲能電機和控制回路則采用更加穩定可靠的直流電源供電；增設電源開關輔助接點、電機儲能情況送至監控，實時掌握設備情況。

控制回路上（見圖6），將“現地/遠方”接點引出至監控系統作為開機條件之一，保證了電氣制動開關處于遠方自動狀態，以便正常停機；現地電動分合開關采用鑰匙解鎖，鑰匙由運行人員保管，有效地防止誤分合開關。

圖6 電氣制動開關操作控制開關

3 結語

電氣制動開關是抽水蓄能電站重要的電氣設備，在加速機組快速停機，實現工況靈活轉換等方面發揮著積極的作用。沙河抽水蓄能電站2號機電氣制動開關國產化改造后，已運行20多個月，停機時均能正確動作，運行穩定、可靠，未發生異常情況。改造后的經濟效益明顯：一方面備件費用僅為進口隔離開關的五分之一，同時因VD4手車開關的選型與電站換相開關相同，間接節省了庫存備件成本；另一方面技術服務響應及時、維護成本也大大下降。廈門ABB開關柜在沙河抽水蓄能電站的成功投用，將會推進1號機電氣制動國產化改造的進程，同時也為相近容量機組發電機電氣制動開關設備選型提供了新的方向。