緩沖氣室在封閉式組合電器中的應(yīng)用研究

淡炳雄 沈 威

上海西門子高壓開關(guān)有限公司 上海 200245

1 封閉式組合電器概述

封閉式組合電器具有占地面積小、體積小、質(zhì)量輕、元件全部密封不受環(huán)境干擾、運(yùn)行高度可靠等優(yōu)點(diǎn),長期以來是變電站開關(guān)設(shè)備的首選。早期國內(nèi)對封閉式組合電器運(yùn)行連續(xù)性概念的討論并不多,隨著運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)的積累,以及用戶對供電可靠性要求的不斷提高,越來越多的用戶要求在維護(hù)、維修、擴(kuò)建中盡可能避免停電或減小停電范圍,相關(guān)學(xué)者也開始越來越關(guān)注封閉式組合電器運(yùn)行可靠性方面的研究[1-4]。電力行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)DL/T 617—2019《氣體絕緣金屬封閉開關(guān)設(shè)備技術(shù)條件》附錄F對運(yùn)行連續(xù)性進(jìn)行了描述,系統(tǒng)運(yùn)行連續(xù)性需求通過單線圖選擇及饋電順序和組件的物理布置來滿足,首要考慮正常維護(hù)、故障后修理或擴(kuò)建造成的損失。國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 7674—2020《額定電壓72.5 kV及以上氣體絕緣金屬封閉開關(guān)設(shè)備》附錄C對此也進(jìn)行了相同的描述[5-6]。

西門子公司對封閉式組合電器技術(shù)的應(yīng)用已經(jīng)有超過50 a的歷史,其可靠的產(chǎn)品質(zhì)量得到了用戶廣泛認(rèn)可,1968年交付的第一個(gè)123 kV封閉式組合電器變電站經(jīng)過維護(hù)保養(yǎng),至今仍在運(yùn)行,如圖1所示。除了自身產(chǎn)品質(zhì)量可靠以外,西門子公司也在產(chǎn)品開發(fā)中考慮了封閉式組合電器的運(yùn)行連續(xù)性要求,結(jié)合國際電工委員會標(biāo)準(zhǔn)IEC 62271-203《高壓開關(guān)設(shè)備和控制設(shè)備-第203部分:額定電壓為52 kV以上的氣體絕緣金屬封閉開關(guān)設(shè)備》,與用戶合作,不斷研究提高運(yùn)行連續(xù)性的可行性,總結(jié)出行之有效的設(shè)計(jì)和應(yīng)用[7-8]。

2 運(yùn)行連續(xù)性定義及要求

每個(gè)變電站的用途及在電力系統(tǒng)中的戰(zhàn)略位置都是不同的,停電所造成的影響也不一樣。因此,在投標(biāo)階段,除變電站基本信息外,用戶還應(yīng)對封閉式組合電器的正常維護(hù)、故障后修理或擴(kuò)建提出運(yùn)行連續(xù)性要求,并與制造廠交換信息。

DL/T 617—2019附錄F對封閉式組合電器的運(yùn)行連續(xù)性要求進(jìn)行了初步定義:第一,不允許斷電,通常適用于較少的維護(hù),如目視檢查;第二,允許運(yùn)行靈活性的喪失,如母線喪失、饋線不喪失下的母線分段喪失或母聯(lián)喪失;第三,允許饋線喪失,包括一個(gè)或多個(gè)饋線喪失;第四,允許整個(gè)變電站喪失,在沒有變電站的情況下,由電網(wǎng)來暫時(shí)支持負(fù)荷供電和電力傳輸。

DL/T 617—2019附錄F提出了用戶及制造廠在運(yùn)行連續(xù)性方面的責(zé)任劃分。用戶可以規(guī)定在維護(hù)、故障修理或擴(kuò)建期間運(yùn)行連續(xù)性的量化考核總體說明。如在維護(hù)及修理期間至少要有一條線路和變壓器饋線保持運(yùn)行,維護(hù)維修期間最多只允許一段母線和一段饋線停止運(yùn)行,擴(kuò)展期間特定的饋線間隔有功率流。用戶還可以規(guī)定更為詳細(xì)的運(yùn)行連續(xù)性要求,DL/T 617—2019附錄F中表F.1給出了相應(yīng)的參考模板。制造廠有責(zé)任設(shè)計(jì)和定義氣室分隔來滿足用戶的要求。

3 封閉式組合電器相關(guān)要求

封閉式組合電器維護(hù)、維修及擴(kuò)建時(shí)的安全性是基本的考慮要素,每家封閉式組合電器制造廠都會對安全操作提出基本要求。一般來說,直接在受壓隔板上工作或是在緊鄰受壓氣室內(nèi)工作是被禁止的,如圖2所示。針對這種情況,通常將需要作業(yè)的相鄰氣室壓力降低到一定程度[9],對此,不同的制造廠和用戶,規(guī)定是不同的,如圖3所示。

圖2 禁止工作

圖3 允許工作

另一個(gè)對運(yùn)行連續(xù)性有重要影響的因素是維修及擴(kuò)建后的現(xiàn)場絕緣試驗(yàn)。一般而言,要求試驗(yàn)電壓和運(yùn)行電壓之間至少要有兩個(gè)隔離斷口,如圖4所示。

圖4 現(xiàn)場絕緣試驗(yàn)要求

4 三工位開關(guān)模塊

目前,72.5 kV～145 kV封閉式組合電器通常采用三相外殼設(shè)計(jì),優(yōu)點(diǎn)是高度緊湊、模塊組成靈活。很多制造廠還采用隔離開關(guān)和檢修接地開關(guān)一體的三工位開關(guān)模塊,如圖5所示。這種模塊在一個(gè)氣室內(nèi)提供隔離合閘、隔離斷開、接地合閘三個(gè)工作位置。每個(gè)模塊只需要一個(gè)機(jī)構(gòu),就可以執(zhí)行全部操作,接地開關(guān)還可以實(shí)現(xiàn)對外殼絕緣,進(jìn)而實(shí)現(xiàn)不同的試驗(yàn)功能,如電流互感器試驗(yàn)等。

圖5 三工位開關(guān)模塊

圖6 145 kV雙母線封閉式組合電器接線

圖7 145 kV雙母線封閉式組合電器布置

采用主母線與隔離接地相結(jié)合的母線三工位開關(guān),發(fā)生絕緣故障時(shí),隔離功能會喪失。檢修時(shí),除了該三工位開關(guān)所屬母線需要退出運(yùn)行外,該三工位開關(guān)所屬間隔的相鄰兩側(cè)饋線間隔也需要退出運(yùn)行。退出運(yùn)行間隔的數(shù)量與母線劃分氣室有關(guān),氣室劃分越少,停電范圍越大。

5 增加緩沖氣室提高運(yùn)行連續(xù)性

增加緩沖氣室,可以有效減少停電間隔的數(shù)量,提高運(yùn)行連續(xù)性。根據(jù)國網(wǎng)公司統(tǒng)計(jì),封閉式組合電器故障主要集中在斷路器、隔離開關(guān)、接地開關(guān)等可動模塊之間。由此,筆者主要分析母線隔離開關(guān)與斷路器的維護(hù)、維修、更換,只考慮在間隔與間隔之間,以及間隔內(nèi)母線三工位開關(guān)與斷路器之間增加緩沖氣室,接線如圖8所示,布置如圖9所示。

圖8 增加緩沖氣室接線

圖9 增加緩沖氣室布置

先分析間隔與間隔之間母線上增加緩沖氣室,這種設(shè)計(jì)可以實(shí)現(xiàn)一條母線或母線上隔離開關(guān)需要維護(hù)作業(yè)時(shí),另外一條母線依然帶電運(yùn)行,只影響相鄰一個(gè)間隔的運(yùn)行。拆除故障母線隔離開關(guān)如圖10所示,間隔E04母線M2上的隔離開關(guān)出現(xiàn)故障,斷路器跳閘,運(yùn)行負(fù)荷從母線M2倒至M1[10]。為了保證安全性,隔離開關(guān)相鄰緩沖氣室壓力要降低到一個(gè)定值,這樣才可以對故障模塊進(jìn)行更換或維修操作。由于間隔E05上母線隔離開關(guān)氣室壓力降低,隔離斷口絕緣無法滿足,進(jìn)而影響到間隔E05的供電,因此除了間隔E04和E05外,其它間隔都通過母線M1供電。

圖10 拆除故障母線隔離開關(guān)

有些重要電站,客戶要求除故障間隔不允許長時(shí)間停電外,其它間隔要保持雙母線供電。此時(shí)可以采用旁路母線加蓋板的方案。旁路母線連接如圖11所示,旁路母線加蓋板如圖12所示。間隔E04母線隔離開關(guān)拆除后,外露觸頭用蓋板重新封上,間隔E03和E05之間用旁路母線連接。充氣后母線M2通電,間隔E04由母線M1供電運(yùn)行,包括E05在內(nèi)的其它間隔仍然滿足雙母線帶電運(yùn)行要求。需要注意的是,間隔E04在換回母線隔離開關(guān)時(shí),間隔E05依然需要停電。

圖11 旁路母線連接

圖12 旁路母線加蓋板

某些特別重要的電站要求更高,除故障模塊間隔允許停電外,其它間隔都不允許停電。對此可以在兩個(gè)間隔之間增加兩個(gè)緩沖氣室,如圖13所示。顯然此時(shí)除了間隔E04外,其余間隔都通過母線M1供電。如果采用旁路母線連接方案,不僅間隔E04可以繼續(xù)帶電運(yùn)行,而且其它間隔也均滿足雙母線帶電運(yùn)行要求,供電可靠性更高,并且間隔E04母線隔離開關(guān)拆除和更換時(shí),間隔E03和E05都不受影響。

增加雙緩沖氣室還有一個(gè)優(yōu)點(diǎn),即可以滿足母線上任意故障模塊的更換,并且只影響故障模塊所屬的間隔,其余間隔都不受影響。顯然此時(shí)母線連續(xù)運(yùn)行的可靠性最高,當(dāng)然,同樣模塊的數(shù)量也隨之增加。

母線和斷路器之間的緩沖氣室主要用于斷路器的維護(hù)與維修。滅弧室拆除如圖14所示,間隔母線隔離開關(guān)斷開后,緩沖氣室壓力降低,作為過渡氣室,可以使隔離開關(guān)壓力保持不變。此時(shí)可以打開斷路器氣室,對滅弧室進(jìn)行維修或更換。

s.e. 0.0167 0.0080 0.0215 0.0347 0.0457 0.0562 0.0568 0.0442

圖14 滅弧室拆除

如果需要拆除斷路器,并且緩沖氣室的氣密隔板也屬于斷路器,那么可以在母線和斷路器之間增加兩個(gè)緩沖氣室來解決,如圖15所示。

圖15 增加雙緩沖氣室拆除斷路器

對于一些特殊設(shè)計(jì),當(dāng)緩沖氣室的氣密隔板不屬于斷路器時(shí),拆除斷路器時(shí)可以只增加一個(gè)緩沖氣室,如圖16所示。

圖16 增加單緩沖氣室拆除斷路器

6 主動母線結(jié)構(gòu)封閉式組合電器擴(kuò)建

6.1 常見擴(kuò)建類型

在一些有擴(kuò)建需求的變電站,擴(kuò)建接口的預(yù)留及擴(kuò)建設(shè)備的布置對系統(tǒng)的運(yùn)行連續(xù)性也有影響。常見的雙母線擴(kuò)建類型有兩種[11-12]。第一種是母線上預(yù)留接口,母線端部擴(kuò)建完整間隔,如圖17所示。第二種是母線隔離和接地開關(guān)隨母線設(shè)備在一期上齊,遠(yuǎn)期以母線處隔離開關(guān)作為擴(kuò)建接口,如圖18所示。

6.2 母線端部擴(kuò)建完整間隔步驟

緩沖氣室在擴(kuò)建工程中對系統(tǒng)的運(yùn)行連續(xù)性有重要影響,基于緩沖氣室在擴(kuò)建工程中所起的作用,對母線端部擴(kuò)建完整間隔的步驟進(jìn)行介紹。

第一步,根據(jù)操作規(guī)程,運(yùn)行負(fù)荷由母線M1倒至M2,母線M1隔離斷開,主回路及外殼安全接地,緩沖氣室邊上的對接端蓋打開,新的擴(kuò)建設(shè)備間隔E06安裝就位,并留出相應(yīng)的操作空間,準(zhǔn)備對接現(xiàn)有的封閉式組合電器,如圖19所示。

圖19 擴(kuò)建第一步

第二步,母線M1與擴(kuò)建設(shè)備的母線之間預(yù)留可拆卸高壓試驗(yàn)斷口,斷口設(shè)在擴(kuò)建設(shè)備的對接母線上。母線連接后,充氣至工作壓力,之后母線M1重新通電,如圖20所示。

圖20 擴(kuò)建第二步

第三步,將負(fù)荷由母線M2倒至M1,母線M2所有隔離斷開,主回路及外殼安全接地,緩沖氣室邊上的對接氣室打開,安裝擴(kuò)建設(shè)備與母線M2之間的對接母線。安裝完成后,間隔E06充氣,此時(shí)可以在擴(kuò)建設(shè)備的母線M2上進(jìn)行高壓試驗(yàn)[13-15],如圖21所示。

圖21 擴(kuò)建第三步

第四步,試驗(yàn)成功后,再將負(fù)荷倒至母線M2。由于第三步已經(jīng)通過擴(kuò)建設(shè)備的母線M2進(jìn)行了高壓試驗(yàn),因此第二次高壓試驗(yàn)只對擴(kuò)建設(shè)備的母線M1進(jìn)行,如圖22所示。

圖22 擴(kuò)建第四步

第五步,所有試驗(yàn)結(jié)束后,安裝母線M1與對接模塊之間的連接導(dǎo)體,完成后將負(fù)荷倒回至母線M1,如圖23所示。

圖23 擴(kuò)建第五步

第六步,將母線M2與對接模塊的連接導(dǎo)體安裝好,然后充氣通電,整個(gè)擴(kuò)建工作完成,如圖24所示。

圖24 擴(kuò)建第六步

由以上介紹可以看到,借助于母線緩沖氣室,可以實(shí)現(xiàn)完全不停電擴(kuò)建。如果將可拆卸斷口改為手動隔離開關(guān),那么試驗(yàn)結(jié)束后合上手動隔離開關(guān),第三步和第四步中安裝導(dǎo)體的工作可以省略,節(jié)省現(xiàn)場工作量。上述方法同樣適用于遠(yuǎn)期以母線處隔離接地開關(guān)作為擴(kuò)建接口的情況,可拆卸斷口設(shè)置在擴(kuò)建設(shè)備上,其它步驟相同。

7 結(jié)束語

封閉式組合電器的運(yùn)行連續(xù)性和運(yùn)行可靠性取決于諸多因素的影響。筆者研究表明,應(yīng)用緩沖氣室,在封閉式組合電器維護(hù)、維修、擴(kuò)建過程中可以大大減小停電范圍,縮短停電時(shí)間,是提高運(yùn)行連續(xù)性和運(yùn)行可靠性的重要方法。當(dāng)然,成本會相應(yīng)增加,使用占地面積也會增大。

DL/T 617—2019附錄F明確,基于新變電站的特定用途及其所在電網(wǎng)中的戰(zhàn)略位置,斷電的影響可能是不同的。因此,除基本信息外,用戶和制造廠還應(yīng)在投標(biāo)時(shí)進(jìn)行充分溝通,包括在維護(hù)、維修、擴(kuò)建等方面提出運(yùn)行連續(xù)性要求。用戶有責(zé)任規(guī)定關(guān)于運(yùn)行連續(xù)性的維護(hù)策略,包括停電范圍、停電時(shí)間等。制造廠結(jié)合自身產(chǎn)品的特點(diǎn),設(shè)計(jì)緩沖氣室,以滿足用戶要求。