某抽蓄電站SF6型GCB改造為真空型GCB電氣設(shè)計(jì)

楊 滔 葉笑莉 黃 璜 吳 勝

（中國電建集團(tuán)中南勘測設(shè)計(jì)研究院有限公司）

0 引言

近些年，隨著真空斷路器技術(shù)的快速發(fā)展，真空發(fā)電機(jī)出口斷路器的性能得到了長足的進(jìn)步，并越來越多地應(yīng)用于國內(nèi)新建或改造的中小型常規(guī)水電站中；但對于抽水蓄能電站而言，因電網(wǎng)要求其具備靈活的運(yùn)行方式，且需積極地參與電網(wǎng)的調(diào)峰、調(diào)頻，造成抽蓄電站的啟停機(jī)非常頻繁，要求發(fā)電機(jī)出口斷路器的性能比常規(guī)水電站的更高，故目前中小型抽水蓄能電站采用真空發(fā)電機(jī)出口斷路器的情況還比較少見。

本文以國內(nèi)某中小型抽水蓄能電站發(fā)電機(jī)出口斷路器由SF6型改造為真空型為例，對該項(xiàng)目發(fā)電機(jī)出口斷路器及相關(guān)改造設(shè)備的選型設(shè)計(jì)、重難點(diǎn)、布置等進(jìn)行了分析和總結(jié)，為其他類似項(xiàng)目提供參考。

1 基本參數(shù)

1.1 發(fā)變組接線

電站裝有2臺可逆混流式水泵水輪機(jī)發(fā)電電動機(jī)組，單機(jī)容量35MW，額定電壓10.5kV，額定功率因數(shù)0.875／0.97（發(fā)電／抽水）。發(fā)電電動機(jī)與主變壓器采用單元接線方式，發(fā)電電動機(jī)出口設(shè)置發(fā)電機(jī)出口斷路器（GCB），GCB與主變之間采用兩臺隔離開關(guān)柜實(shí)現(xiàn)主回路電流的換相，電制動開關(guān)也采用隔離開關(guān)。機(jī)組抽水工況啟動方式采用變頻裝置啟動為主，背靠背同步啟動為輔的方式，啟動回路、SFC分支回路均采用隔離開關(guān)。電站原發(fā)變組接線見下圖。

圖 電站原發(fā)變組接線圖

1.2 短路電流

根據(jù)電站原設(shè)計(jì)資料，在當(dāng)時(shí)的電網(wǎng)條件下發(fā)電電動機(jī)出口短路電流計(jì)算值為15.7kA，但考慮到近些年電力系統(tǒng)發(fā)展較快，原來的系統(tǒng)參數(shù)發(fā)生了變化，因此有必要對該短路電流值進(jìn)行重新復(fù)核。

根據(jù)系統(tǒng)提供的資料，2017年電站220kV側(cè)三相短路電流值為4.37kA，由此推算系統(tǒng)歸算至電站220kV母線的正序短路阻抗為0.07126（標(biāo)幺值）。

依據(jù)NB／T 35043—2014《水電工程三相交流系統(tǒng)短路電流計(jì)算導(dǎo)則》，計(jì)算發(fā)電電動機(jī)出口短路電流為：

根據(jù)上述計(jì)算結(jié)果分析，額定電壓≥10.5kV、額定電流≥3000A、額定開斷電流≥16.031kA的發(fā)電機(jī)出口斷路器可滿足設(shè)計(jì)要求。

1.3 電站原GCB基本技術(shù)參數(shù)

電站原GCB生產(chǎn)廠家為ABB，型號為HGI2（敞開式SF6發(fā)電機(jī)斷路器，后由開關(guān)柜廠家配套制作提供柜體），三相機(jī)械聯(lián)動液壓彈簧操作，主要技術(shù)參數(shù)見表1。

表1 電站原GCB主要技術(shù)參數(shù)表

2 改造原因及范圍

（1）改造原因

電站機(jī)組從投入商業(yè)運(yùn)行至今已接近18年，GCB內(nèi)部動觸頭絕緣已出現(xiàn)老化，操作次數(shù)已接近其機(jī)械壽命，也已超出廠家規(guī)定的檢修周期（15年），同時(shí)由于設(shè)備型號較老，且為進(jìn)口設(shè)備，零部件的檢修更換較為麻煩；其他10.5kV開關(guān)柜存在機(jī)械聯(lián)鎖機(jī)構(gòu)卡澀、軌道易變形、開關(guān)操作困難、五防閉鎖不完善等問題，同時(shí)啟動回路兩組隔離開關(guān)安裝在同一個(gè)柜子內(nèi)，中間缺乏有效的隔離防護(hù)設(shè)施，存在較大安全隱患。

此外，電站不久前在變頻啟動裝置設(shè)備改造調(diào)試過程中，發(fā)生一起啟動回路10kV隔離刀閘帶負(fù)載誤操作事故，造成一臺機(jī)組啟動回路隔離開關(guān)柜燒毀，GCB等其他相鄰配電柜有不同程度損壞，封閉母線燒損嚴(yán)重。

（2）改造范圍

對電站兩臺機(jī)組的發(fā)電機(jī)出口電壓回路設(shè)備全部進(jìn)行更換，包括GCB、啟動換相回路開關(guān)柜、啟動回路開關(guān)柜、SFC分支回路開關(guān)柜、共箱封閉母線等。

3 改造技術(shù)方案

3.1 GCB選型設(shè)計(jì)

根據(jù)目前GCB的發(fā)展?fàn)顩r及國內(nèi)近些年的工程設(shè)計(jì)和運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，考慮中壓等級產(chǎn)品本身性能，一般機(jī)組容量大于80MW，發(fā)電機(jī)出口額定電流在5000A及以上，短路電流在50kA及以上時(shí)，選用SF6型式；機(jī)組容量小于80MW，發(fā)電機(jī)出口額定電流在5000A以下，短路電流在50kA以下，選用真空型式。本電站單機(jī)容量35MW／10.5kV，發(fā)電機(jī)出口電流約為2200A，短路電流16.031kA，GCB選用真空型斷路器是完全滿足需要的。

因抽水蓄能電站GCB性能要求比常規(guī)水電站的更高，為此，某司根據(jù)本電站GCB的參數(shù)要求對ABB、Schneider和Siemens中壓產(chǎn)品系列中的發(fā)電機(jī)出口斷路器技術(shù)性能進(jìn)行了調(diào)研，各廠家均推薦項(xiàng)目采用真空型GCB，推薦的具體設(shè)備型號及參數(shù)詳見表2。

表2 各廠家推薦的真空發(fā)電機(jī)出口斷路器參數(shù)

（1）技術(shù)分析

電站投運(yùn)時(shí)間為2000年，受制于當(dāng)時(shí)真空型斷路器的技術(shù)限制，GCB采用SF6型，但從表2可以看出，目前三大廠家生產(chǎn)的真空型GCB的額定電壓、額定電流、額定短路開斷電流、直流分量等技術(shù)參數(shù)已完全滿足本電站的要求，其中分合額定開斷電流次數(shù)、分合額定負(fù)荷電流次數(shù)甚至已超過電站原GCB的參數(shù)。因此，電站本次改造采用真空型GCB在技術(shù)上是完全可行的。

（2）經(jīng)濟(jì)分析

根據(jù)表2中三大主流廠家的初步報(bào)價(jià)，在滿足本電站技術(shù)參數(shù)要求的前提下，SF6型式GCB的價(jià)格約為真空型GCB價(jià)格的2～3倍，也就是說，電站2臺機(jī)組采用真空型GCB將可節(jié)省投資上百萬元，經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢非常明顯。

（3）布置分析

電站GCB布置于發(fā)電電動層下游側(cè)的配電室內(nèi)，受配電室房間尺寸限制，設(shè)備布置非常緊湊，若采用真空型GCB，因其體積比SF6型GCB要小，組柜后盤柜尺寸也相應(yīng)減小，從而更有利于現(xiàn)場設(shè)備的布置。

（4）運(yùn)行維護(hù)性分析

SF6斷路器滅弧能力較強(qiáng)，但存在SF6氣體泄漏風(fēng)險(xiǎn)；相比SF6型式，真空斷路器整體結(jié)構(gòu)簡單、維護(hù)工作量小，且真空型GCB目前已基本實(shí)現(xiàn)國產(chǎn)，后續(xù)的技術(shù)服務(wù)和零配件的檢修更換更為便利，同時(shí)也無需擔(dān)心SF6氣體泄漏問題，滿足目前國家日益嚴(yán)峻的環(huán)保要求。

綜合上述分析，并與業(yè)主充分溝通，業(yè)主同意采用真空型GCB，后經(jīng)過招投標(biāo)，最終選擇Schneider的HVX17-40-31型手車式發(fā)電機(jī)出口斷路器，并安裝于Schneider配套的PIX型金屬封閉中置式開關(guān)柜中。

3.2 10.5kV開關(guān)柜選型設(shè)計(jì)

受設(shè)備布置及成本的制約，電站最初設(shè)計(jì)換相開關(guān)、啟動回路、SFC分支回路開關(guān)均采用隔離開關(guān)，且換相開關(guān)兩兩背靠背布置于同一柜體內(nèi)，存在較大安全隱患（當(dāng)其中一組隔離開關(guān)發(fā)生事故時(shí)，勢必會影響同柜布置的另一組隔離開關(guān)，從而造成事故擴(kuò)大），同時(shí)吸取上次事故的經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn)，本次改造將上述隔離開關(guān)全部改為斷路器，單獨(dú)組柜布置，并設(shè)置可靠的機(jī)械閉鎖及電氣閉鎖系統(tǒng)，完善五防功能，從根本上提高設(shè)備運(yùn)行的可靠性。

4 改造重難點(diǎn)

電站主回路換相開關(guān)、啟動回路開關(guān)、電制動開關(guān)由隔離開關(guān)改為斷路器后，雖從根本上消除了誤操作隔離開關(guān)帶負(fù)荷分閘引發(fā)事故的問題，但GCB及相關(guān)斷路器的閉鎖設(shè)計(jì)變得非常復(fù)雜。

抽蓄電站的電氣閉鎖需要考慮機(jī)組在不同工況或運(yùn)行方式下設(shè)計(jì)不同的閉鎖邏輯，由于抽蓄機(jī)組工況轉(zhuǎn)換復(fù)雜，因此閉鎖邏輯需全面考慮，不能有任何差錯(cuò)。電站GCB的電氣閉鎖涉及遠(yuǎn)方合閘閉鎖和現(xiàn)地合閘閉鎖，其中遠(yuǎn)方合閘閉鎖針對發(fā)電、電動、背靠背工況均有不同的閉鎖邏輯；現(xiàn)地合閘僅針對現(xiàn)地試驗(yàn)情況。發(fā)電工況下，GCB遠(yuǎn)方合閘需要滿足以下條件：電制動斷路器分閘，相關(guān)地刀分閘，啟動回路斷路器分閘，發(fā)電換相斷路器合閘；電動工況下，GCB遠(yuǎn)方合閘需要滿足以下條件：電制動斷路器分閘，相關(guān)地刀分閘，啟動回路中拖動斷路器分閘，被拖動斷路器合閘，電動換相斷路器合閘；背靠背拖動工況下，GCB遠(yuǎn)方合閘需要滿足以下條件：電制動斷路器分閘，相關(guān)地刀分閘，啟動回路中拖動斷路器合閘，發(fā)電換相斷路器分閘，電動換相斷路器分閘。上述所有的閉鎖通過GCB合閘閉鎖回路及合閘回路實(shí)現(xiàn)。

5 結(jié)束語

與SF6型式相比，真空型GCB具有體積小、設(shè)備布置方便、維護(hù)工作量小、機(jī)電壽命長、整體結(jié)構(gòu)簡單、價(jià)格便宜等優(yōu)勢，因此本次電站改造最終將SF6型式GCB改為了真空型；同時(shí)將發(fā)電機(jī)出口主回路換相開關(guān)、啟動回路開關(guān)、電制動開關(guān)由隔離開關(guān)改為斷路器，以從根本上消除誤操作隔離開關(guān)帶負(fù)荷分閘引發(fā)事故的問題，但需高度注意GCB及相關(guān)斷路器的閉鎖設(shè)計(jì)。目前電站已完成GCB改造并投運(yùn)，設(shè)備運(yùn)行正常。