宋均琪 李力偉

萬家寨水電站4#機增設(shè)發(fā)電機斷路器改造設(shè)計

宋均琪 李力偉

論述了萬家寨水電站4#機增設(shè)發(fā)電機斷路器改造設(shè)計，解決了多年來山西電網(wǎng)側(cè)中性點運行不靈活，機組低負荷運行時水利用效率較低的問題，并有效緩解了調(diào)峰運行時高壓斷路器操作過于頻繁的問題，消除了安全隱患，提高了電站在系統(tǒng)中的安全運行水平。

發(fā)電機斷路器 選型 萬家寨水電站

萬家寨水電站位于黃河北干流上段托克托至龍口峽谷河段內(nèi)，是黃河中游開發(fā)的第一級，其主要任務(wù)是供水結(jié)合發(fā)電調(diào)峰、防洪、防凌。萬家寨水電站裝機6臺，單機額定容量為180 MW，最大出力為200 MW，總?cè)萘繛? 080 MW，發(fā)電機電壓為15.75 kV，功率因數(shù)為0.9，年發(fā)電量27.5億kW·h。電站建成后主要向內(nèi)蒙和山西電網(wǎng)送電，1#～3#機并入內(nèi)蒙電網(wǎng)，4#～6#并入山西電網(wǎng)。1998年第1臺機組發(fā)電，2000年6臺機全部發(fā)電，是兩個電網(wǎng)的大型調(diào)峰及事故備用電源。

發(fā)電機變壓器采用單元接線方式，220 kV采用雙母線四分段接線方式，6回進線，6回出線，3回出線接入內(nèi)蒙電力系統(tǒng)，3回出線接入山西電力系統(tǒng)。

1 增加發(fā)電機斷路器的原因

電站廠用電引自1#、2#和5#發(fā)電機機端，為保證機組停機時，廠用電源不發(fā)生中斷，分別在1#、2#和 5#發(fā)電機機端安裝發(fā)電機斷路器，選用ABB公司生產(chǎn)的HEC3產(chǎn)品。電站建設(shè)時為減少進口設(shè)備數(shù)量、降低工程造價，2#、4#和6#發(fā)電機機端僅設(shè)置了隔離開關(guān)。在實際運行中主要有以下問題：

（1）山西電網(wǎng)側(cè)接地點運行不靈活，倒閘操作存在安全隱患。5#發(fā)電機出口裝有發(fā)電機出口斷路器，因此，電網(wǎng)指定5#主變?yōu)橄到y(tǒng)接地點。5#主變檢修時，必須將系統(tǒng)接地點倒至4#主變或6#主變上，由于沒有裝設(shè)發(fā)電機斷路器，機組與主變只能同時投入或退出運行。操作起來有先退出5#主變中性點接地，然后倒換至4#主變或6#主變中性點接地；或先倒換至4#主變或6#主變中性點接地后，退出5#主變中性點接地點兩種方式，兩種方式都有不足且存在不安全性。

例如：因5#主變停電檢修，6#主變充電專項接地系統(tǒng)接地點操作，引起4#發(fā)變組縱差保護動作事故。保護動作原因是由于4#主變、6#主變中性點均接地，6#主變充電后，6#主變高壓側(cè)勵磁涌流使4#主變高壓側(cè)產(chǎn)生和應(yīng)涌流，導(dǎo)致4#發(fā)變組縱差保護動作。

（2）枯水期，電站經(jīng)常早、晚間帶峰荷運行，利用高壓側(cè)斷路器進行開停機，操作過于頻繁。高壓側(cè)斷路器的機械壽命較短，無故障操作次數(shù)為3 000~5 000次，無故障持續(xù)運行年限較短，僅為4~7年。發(fā)電機斷路器機械壽命較長，無故障操作次數(shù)為10 000~20 000次。

（3）受制于水庫來水特性、流域調(diào)度特點，在5#主變停電檢修時，因要考慮山西電網(wǎng)系統(tǒng)接地點的需要，只能開啟4#或6#發(fā)電機全天運行。在枯水期，影響庫水位的保持，機組帶低負荷運行，發(fā)電耗水率增加，經(jīng)濟效益較差。

基于上述原因，萬家寨水電站在2011年7月對4#發(fā)電機出口增設(shè)發(fā)電機斷路器，并于2012年3月完成。

2 發(fā)電機斷路器及附屬設(shè)備選型

2.1 依據(jù)的標(biāo)準(zhǔn)

根據(jù)目前發(fā)電機斷路器的發(fā)展情況及萬家寨水電站的裝機容量，應(yīng)選用SF6發(fā)電機斷路器。SF6發(fā)電機斷路器主要生產(chǎn)企業(yè)有ABB、Areva、Alstom和沈高等。目前國內(nèi)采用的SF6發(fā)電機斷路器以進口為主。

進口的SF6發(fā)電機斷路器設(shè)備參數(shù)選擇主要是依據(jù)IEEE Std C37.013-1997《以對稱電流為基礎(chǔ)的交流電壓發(fā)電機斷路器標(biāo)準(zhǔn)》和IEC62271-100-2006《高壓開關(guān)設(shè)備和控制設(shè)備 第100部分：高壓交流斷路器》。國內(nèi)的發(fā)電機斷路器的規(guī)范有GB/T 14824—2008《高壓交流發(fā)電機斷路器》，GB 1984—2008《高壓交流斷路器》，DL 427—1991《戶內(nèi)發(fā)電機出口斷路器訂貨規(guī)范》。

GB/T 14824和GB 1984均在2008年得到了全面的修訂，GB/T 14824—2008采用IEEE C37.013-1997進行全面修訂， GB 1984—2008是 以IEC62271-100-2006為藍本修改采用。DL/T 427—1991標(biāo)準(zhǔn)沒有更新，規(guī)定的斷路器參數(shù)選擇及試驗主要針對中小型機組及國產(chǎn)斷路器。在改造過程中，選擇進口發(fā)電機斷路器參數(shù)及試驗，以參照國際標(biāo)準(zhǔn)修改采用的國標(biāo)為參考。在本項目完成改造約2年后，于2014年12月，DL/T 427—1991由于很多技術(shù)內(nèi)容變化很大，被廢止。

2.2 主要技術(shù)參數(shù)

根據(jù)GB/T 12824—2008《高壓交流發(fā)電機斷路器》、發(fā)電機及電力系統(tǒng)參數(shù)、短路電流計算成果等，確定發(fā)電機斷路器基本參數(shù)為：

額定工作電壓/kV15.75

最高工作電壓/kV 17.5

額定電流/A 7 332

短路電流/kA52.06

直流分量/%≤75

峰值短路電流/kA140

設(shè)備通過招標(biāo)比選，最后選定ABB公司HECS-80M系列產(chǎn)品，設(shè)備主要技術(shù)參數(shù)如下：

額定電壓/kV23

額定電流/A 10 500

額定頻率/Hz50

工頻耐受電壓/kV80

雷電沖擊耐受電壓 （峰值）/kV150

額定短路開斷電流/kA80

直流分量/% 75

額定峰值耐受電流/kAP220

額定短路電流持續(xù)時間/s3

額定開斷時間/ms≤67

機械操作次數(shù) 20 000

HECS-80M發(fā)電機斷路器由三相聯(lián)動的3臺單相斷路器組成，三相斷路器具有共同的整體基座構(gòu)架。斷路器、隔離開關(guān)、接地開關(guān)以及電壓互感器做成一個離相封閉的、有共同外殼的整體單元。與斷路器串聯(lián)的隔離開關(guān)安裝在斷路器出線側(cè)，動觸頭位于主變壓器側(cè)，靜觸頭位于發(fā)電機側(cè)。其次，斷路器兩側(cè)各配置1組130 nF的吸收電容器，有助于斷路器內(nèi)SF6氣體暫態(tài)恢復(fù)電壓的改善，提高了斷路器的開斷能力。斷路器操作機構(gòu)為液壓彈簧操作機構(gòu)。

為滿足同期及過電壓保護的需要，發(fā)電機斷路器與主變之間增設(shè)一組PT避雷器裝置。HECS-80M產(chǎn)品可以提供PT避雷器模塊與斷路器組裝成一個整體，但由于價格較昂貴，PT避雷器與斷路器分開布置，PT避雷器柜由國內(nèi)廠商提供。

3 布置安裝情況

HECS-80M型斷路器具有體積小、重量輕、安裝簡便等特點，特別適用于有空間限制的改造工程。新增的配套電壓互感器和避雷器柜，布置在上層配電室內(nèi)。

安裝時，需要拆除原有的一組隔離開關(guān)，及其操作機構(gòu)和控制箱。為盡量減少改造范圍，斷路器中心高程距地面1.4 m，與原封閉母線中心在同一高程。斷路器尺寸較原有隔離開關(guān)尺寸要大，兩端需要各截去一段離相封閉母線。

斷路器和封閉母線之間通過20根銅辮子連接相連，軟連接之間安裝合金支撐環(huán)，每根的截面積為480 mm2，每根軟連接與導(dǎo)體的接觸面積為3 740 mm2，最大接觸面積為69 400 mm2，發(fā)電機額定工況下滿負荷運行時接觸面電流密度為0.11 A/mm2，導(dǎo)體橫截面電流密度為0.8 A/mm2。

4 結(jié)語

HECS-80M型斷路器投運兩年多，經(jīng)過多次開停機，開關(guān)動作情況良好。4#機增設(shè)發(fā)電機斷路器，簡化了運行操作程序，減少了山西電網(wǎng)側(cè)接地點倒閘操作的頻率，提高了系統(tǒng)的安全性和穩(wěn)定性；在枯水期，提高了水資源的利用率，取得了一定的經(jīng)濟效益，達到了預(yù)期效果。

由于發(fā)電機斷路器相比較220 kV斷路器具備更快速的保護特性，裝設(shè)發(fā)電機斷路器后能夠改善機組運行條件，縮小故障范圍，可以更加有效地保護發(fā)電機和變壓器，增加了設(shè)備運行的可靠性。

宋均琪 男 工程師 中水北方勘測設(shè)計研究有限責(zé)任公司 天津 300222

李力偉 男 高級工程師 中水北方勘測設(shè)計研究有限責(zé)任公司 天津 300222

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