某抽蓄电站SF6型GCB改造为真空型GCB电气设计

杨 滔 叶笑莉 黄 璜 吴 胜

（中国电建集团中南勘测设计研究院有限公司）

0 引言

近些年，随着真空断路器技术的快速发展，真空发电机出口断路器的性能得到了长足的进步，并越来越多地应用于国内新建或改造的中小型常规水电站中；但对于抽水蓄能电站而言，因电网要求其具备灵活的运行方式，且需积极地参与电网的调峰、调频，造成抽蓄电站的启停机非常频繁，要求发电机出口断路器的性能比常规水电站的更高，故目前中小型抽水蓄能电站采用真空发电机出口断路器的情况还比较少见。

本文以国内某中小型抽水蓄能电站发电机出口断路器由SF6型改造为真空型为例，对该项目发电机出口断路器及相关改造设备的选型设计、重难点、布置等进行了分析和总结，为其他类似项目提供参考。

1 基本参数

1.1 发变组接线

电站装有2台可逆混流式水泵水轮机发电电动机组，单机容量35MW，额定电压10.5kV，额定功率因数0.875／0.97（发电／抽水）。发电电动机与主变压器采用单元接线方式，发电电动机出口设置发电机出口断路器（GCB），GCB与主变之间采用两台隔离开关柜实现主回路电流的换相，电制动开关也采用隔离开关。机组抽水工况启动方式采用变频装置启动为主，背靠背同步启动为辅的方式，启动回路、SFC分支回路均采用隔离开关。电站原发变组接线见下图。

图 电站原发变组接线图

1.2 短路电流

根据电站原设计资料，在当时的电网条件下发电电动机出口短路电流计算值为15.7kA，但考虑到近些年电力系统发展较快，原来的系统参数发生了变化，因此有必要对该短路电流值进行重新复核。

根据系统提供的资料，2017年电站220kV侧三相短路电流值为4.37kA，由此推算系统归算至电站220kV母线的正序短路阻抗为0.07126（标幺值）。

依据NB／T 35043—2014《水电工程三相交流系统短路电流计算导则》，计算发电电动机出口短路电流为：

根据上述计算结果分析，额定电压≥10.5kV、额定电流≥3000A、额定开断电流≥16.031kA的发电机出口断路器可满足设计要求。

1.3 电站原GCB基本技术参数

电站原GCB生产厂家为ABB，型号为HGI2（敞开式SF6发电机断路器，后由开关柜厂家配套制作提供柜体），三相机械联动液压弹簧操作，主要技术参数见表1。

表1 电站原GCB主要技术参数表

2 改造原因及范围

（1）改造原因

电站机组从投入商业运行至今已接近18年，GCB内部动触头绝缘已出现老化，操作次数已接近其机械寿命，也已超出厂家规定的检修周期（15年），同时由于设备型号较老，且为进口设备，零部件的检修更换较为麻烦；其他10.5kV开关柜存在机械联锁机构卡涩、轨道易变形、开关操作困难、五防闭锁不完善等问题，同时启动回路两组隔离开关安装在同一个柜子内，中间缺乏有效的隔离防护设施，存在较大安全隐患。

此外，电站不久前在变频启动装置设备改造调试过程中，发生一起启动回路10kV隔离刀闸带负载误操作事故，造成一台机组启动回路隔离开关柜烧毁，GCB等其他相邻配电柜有不同程度损坏，封闭母线烧损严重。

（2）改造范围

对电站两台机组的发电机出口电压回路设备全部进行更换，包括GCB、启动换相回路开关柜、启动回路开关柜、SFC分支回路开关柜、共箱封闭母线等。

3 改造技术方案

3.1 GCB选型设计

根据目前GCB的发展状况及国内近些年的工程设计和运行经验，考虑中压等级产品本身性能，一般机组容量大于80MW，发电机出口额定电流在5000A及以上，短路电流在50kA及以上时，选用SF6型式；机组容量小于80MW，发电机出口额定电流在5000A以下，短路电流在50kA以下，选用真空型式。本电站单机容量35MW／10.5kV，发电机出口电流约为2200A，短路电流16.031kA，GCB选用真空型断路器是完全满足需要的。

因抽水蓄能电站GCB性能要求比常规水电站的更高，为此，某司根据本电站GCB的参数要求对ABB、Schneider和Siemens中压产品系列中的发电机出口断路器技术性能进行了调研，各厂家均推荐项目采用真空型GCB，推荐的具体设备型号及参数详见表2。

表2 各厂家推荐的真空发电机出口断路器参数

（1）技术分析

电站投运时间为2000年，受制于当时真空型断路器的技术限制，GCB采用SF6型，但从表2可以看出，目前三大厂家生产的真空型GCB的额定电压、额定电流、额定短路开断电流、直流分量等技术参数已完全满足本电站的要求，其中分合额定开断电流次数、分合额定负荷电流次数甚至已超过电站原GCB的参数。因此，电站本次改造采用真空型GCB在技术上是完全可行的。

（2）经济分析

根据表2中三大主流厂家的初步报价，在满足本电站技术参数要求的前提下，SF6型式GCB的价格约为真空型GCB价格的2～3倍，也就是说，电站2台机组采用真空型GCB将可节省投资上百万元，经济优势非常明显。

（3）布置分析

电站GCB布置于发电电动层下游侧的配电室内，受配电室房间尺寸限制，设备布置非常紧凑，若采用真空型GCB，因其体积比SF6型GCB要小，组柜后盘柜尺寸也相应减小，从而更有利于现场设备的布置。

（4）运行维护性分析

SF6断路器灭弧能力较强，但存在SF6气体泄漏风险；相比SF6型式，真空断路器整体结构简单、维护工作量小，且真空型GCB目前已基本实现国产，后续的技术服务和零配件的检修更换更为便利，同时也无需担心SF6气体泄漏问题，满足目前国家日益严峻的环保要求。

综合上述分析，并与业主充分沟通，业主同意采用真空型GCB，后经过招投标，最终选择Schneider的HVX17-40-31型手车式发电机出口断路器，并安装于Schneider配套的PIX型金属封闭中置式开关柜中。

3.2 10.5kV开关柜选型设计

受设备布置及成本的制约，电站最初设计换相开关、启动回路、SFC分支回路开关均采用隔离开关，且换相开关两两背靠背布置于同一柜体内，存在较大安全隐患（当其中一组隔离开关发生事故时，势必会影响同柜布置的另一组隔离开关，从而造成事故扩大），同时吸取上次事故的经验教训，本次改造将上述隔离开关全部改为断路器，单独组柜布置，并设置可靠的机械闭锁及电气闭锁系统，完善五防功能，从根本上提高设备运行的可靠性。

4 改造重难点

电站主回路换相开关、启动回路开关、电制动开关由隔离开关改为断路器后，虽从根本上消除了误操作隔离开关带负荷分闸引发事故的问题，但GCB及相关断路器的闭锁设计变得非常复杂。

抽蓄电站的电气闭锁需要考虑机组在不同工况或运行方式下设计不同的闭锁逻辑，由于抽蓄机组工况转换复杂，因此闭锁逻辑需全面考虑，不能有任何差错。电站GCB的电气闭锁涉及远方合闸闭锁和现地合闸闭锁，其中远方合闸闭锁针对发电、电动、背靠背工况均有不同的闭锁逻辑；现地合闸仅针对现地试验情况。发电工况下，GCB远方合闸需要满足以下条件：电制动断路器分闸，相关地刀分闸，启动回路断路器分闸，发电换相断路器合闸；电动工况下，GCB远方合闸需要满足以下条件：电制动断路器分闸，相关地刀分闸，启动回路中拖动断路器分闸，被拖动断路器合闸，电动换相断路器合闸；背靠背拖动工况下，GCB远方合闸需要满足以下条件：电制动断路器分闸，相关地刀分闸，启动回路中拖动断路器合闸，发电换相断路器分闸，电动换相断路器分闸。上述所有的闭锁通过GCB合闸闭锁回路及合闸回路实现。

5 结束语

与SF6型式相比，真空型GCB具有体积小、设备布置方便、维护工作量小、机电寿命长、整体结构简单、价格便宜等优势，因此本次电站改造最终将SF6型式GCB改为了真空型；同时将发电机出口主回路换相开关、启动回路开关、电制动开关由隔离开关改为断路器，以从根本上消除误操作隔离开关带负荷分闸引发事故的问题，但需高度注意GCB及相关断路器的闭锁设计。目前电站已完成GCB改造并投运，设备运行正常。