沙河抽水蓄能電站2號(hào)機(jī)電氣制動(dòng)開(kāi)關(guān)國(guó)產(chǎn)化改造

黃 艷，李馳駿

（江蘇沙河抽水蓄能發(fā)電有限公司，江蘇 溧陽(yáng) 213333）

0 引言

抽水蓄能電站在電力系統(tǒng)中主要承擔(dān)調(diào)峰、填谷任務(wù)，必要時(shí)還要承擔(dān)電網(wǎng)的調(diào)頻及緊急事故備用任務(wù)，因此機(jī)組每日啟停機(jī)次數(shù)非常頻繁。為保障機(jī)組的安全運(yùn)行，機(jī)組停機(jī)制動(dòng)就顯得十分重要，抽水蓄能機(jī)組通常采用機(jī)械制動(dòng)與電氣制動(dòng)結(jié)合的雙重制動(dòng)方式，以縮短停機(jī)時(shí)間，提高機(jī)組的自動(dòng)化水平。機(jī)組停機(jī)過(guò)程中當(dāng)轉(zhuǎn)速下降到額定值50%時(shí)，將發(fā)電機(jī)出口三相短路即合上電氣制動(dòng)開(kāi)關(guān)，然后再在轉(zhuǎn)子回路加勵(lì)磁，此時(shí)定子電流產(chǎn)生純?nèi)ゴ烹姌蟹磻?yīng)，定子磁動(dòng)勢(shì)與轉(zhuǎn)子磁動(dòng)勢(shì)相反，達(dá)到制動(dòng)的目的；當(dāng)轉(zhuǎn)速下降到額定值5%時(shí)，機(jī)械制動(dòng)系統(tǒng)自動(dòng)投入運(yùn)行，使機(jī)組減速停機(jī)。沙河抽水蓄能電站裝有2套電氣制動(dòng)開(kāi)關(guān)，隨主機(jī)合同捆綁進(jìn)口，采用法國(guó)某公司生產(chǎn)的中壓電動(dòng)隔離開(kāi)關(guān)，于2002年6月投入運(yùn)行。

1 改造必要性及可行性分析

1.1 設(shè)備選型問(wèn)題

采用帶有弧觸頭的電動(dòng)三相隔離開(kāi)關(guān)，雖然布置簡(jiǎn)單，操作容易，但是存在著滅弧能力差，分合閘時(shí)間較長(zhǎng)、三相同期性不良等缺點(diǎn)。

1.2 設(shè)備健康狀況下降

自投入使用以來(lái)，已累計(jì)動(dòng)作超2萬(wàn)次，動(dòng)靜觸頭存在不同程度的磨損，操動(dòng)機(jī)構(gòu)也存在劣化、損壞風(fēng)險(xiǎn)，整體設(shè)備健康狀況逐步下降：投產(chǎn)初期發(fā)生動(dòng)觸頭絕緣拉桿斷裂；2009年3月發(fā)現(xiàn)1號(hào)機(jī)電氣制動(dòng)開(kāi)關(guān)C相有機(jī)材料傳動(dòng)提升桿開(kāi)口銷震落（見(jiàn)圖1）；2017年5月檢修期間發(fā)現(xiàn)1號(hào)機(jī)電氣制動(dòng)開(kāi)關(guān)柜內(nèi)B相動(dòng)觸頭的輔助觸頭向左偏移；2018年發(fā)生三相弧觸頭有多處軟連接斷裂；2019年5月發(fā)現(xiàn)2號(hào)機(jī)電氣制動(dòng)開(kāi)關(guān)柜內(nèi)B相支撐瓷瓶有破損（見(jiàn)圖2）。

圖1 2009年/C相機(jī)構(gòu)開(kāi)口銷震落

圖2 2019年/B相支撐瓷瓶有破損

1.3 本體結(jié)構(gòu)無(wú)“五防”功能

柜體和操作箱設(shè)計(jì)上未充分考慮國(guó)內(nèi)“五防”需求[1]：柜體上無(wú)帶電顯示裝置，在設(shè)備帶電狀態(tài)下使用鑰匙可打開(kāi)柜門，有誤入帶電間隔的風(fēng)險(xiǎn)；操作機(jī)構(gòu)箱無(wú)門鎖，箱門可任意打開(kāi)，同時(shí)無(wú)操作機(jī)構(gòu)選擇位置明示窗，使用專用工具可任意切換“現(xiàn)地/遠(yuǎn)方/手動(dòng)/退出”位置，有帶負(fù)荷分、合隔離開(kāi)關(guān)的風(fēng)險(xiǎn)（見(jiàn)圖3）。

圖3 法國(guó)某公司生產(chǎn)的電氣制動(dòng)開(kāi)關(guān)柜外觀(改造前)

1.4 電氣回路控制不完善

操作機(jī)構(gòu)切換開(kāi)關(guān)為機(jī)械結(jié)構(gòu)，無(wú)電氣接點(diǎn)引出，故“現(xiàn)地/遠(yuǎn)方/手動(dòng)/退出”實(shí)際切換位置僅靠現(xiàn)場(chǎng)目視判斷，遠(yuǎn)方無(wú)法判斷操作機(jī)構(gòu)實(shí)際的工作狀態(tài)，有可能出現(xiàn)操作機(jī)構(gòu)未切換至“遠(yuǎn)方”狀態(tài)，在停機(jī)時(shí)無(wú)法正常投電氣制動(dòng)的情況。

電機(jī)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(gè)空氣開(kāi)關(guān)，跳開(kāi)關(guān)的風(fēng)險(xiǎn)增大；操作電源無(wú)信號(hào)監(jiān)視回路，遠(yuǎn)方無(wú)法判斷電源是否正常供電。

1.5 維護(hù)服務(wù)成本高

電站2018年組織開(kāi)展了1號(hào)機(jī)電氣制動(dòng)開(kāi)關(guān)大修工作，更換了整套動(dòng)靜觸頭和操作機(jī)構(gòu)，僅技術(shù)服務(wù)費(fèi)近8萬(wàn)元。國(guó)外公司在國(guó)內(nèi)售后技術(shù)服務(wù)人員配置有限，技術(shù)服務(wù)上易出現(xiàn)溝通渠道不暢、服務(wù)不及時(shí)的情況，而購(gòu)置一套備件費(fèi)用高達(dá)55萬(wàn)元，維護(hù)服務(wù)成本高。

1.6 國(guó)內(nèi)有替代產(chǎn)品

經(jīng)調(diào)研，以國(guó)產(chǎn)真空開(kāi)關(guān)代替電動(dòng)隔離開(kāi)關(guān)作為抽水蓄能機(jī)組電氣制動(dòng)開(kāi)關(guān)，在回龍抽水蓄能電站已得到成功應(yīng)用，運(yùn)行情況良好。

鑒于上述分析，沙河抽水蓄能電站展開(kāi)機(jī)組電氣制動(dòng)開(kāi)關(guān)國(guó)產(chǎn)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(guó)產(chǎn)化改造

2.1 設(shè)備選型

改造采用手車式真空開(kāi)關(guān)，不僅具有真空開(kāi)關(guān)觸頭開(kāi)距小、燃弧時(shí)間短、滅弧能力強(qiáng)、分合閘迅速、三相同期性好等特點(diǎn)，還具有體積小、重量輕、運(yùn)行操作維護(hù)方便等優(yōu)勢(shì)。

2.2 參數(shù)選擇

綜合考慮設(shè)計(jì)要求和實(shí)際短路電流計(jì)算情況[2]，經(jīng)綜合比較，最終選擇廈門ABB公司提供的、應(yīng)用比較成熟的ZS1型鎧裝式金屬封閉開(kāi)關(guān)柜[3]（見(jiàn)表1），柜內(nèi)部配置額定電流4 000 A的手車式斷路器（見(jiàn)圖4、圖5）。根據(jù)柜內(nèi)電氣設(shè)備的功能，柜體用隔板分為4個(gè)不同的功能單元：母線室、斷路器室、電纜室、低壓儀表室。3個(gè)高壓隔室的頂部均裝有壓力釋放板，當(dāng)發(fā)生內(nèi)部故障電弧，開(kāi)關(guān)柜內(nèi)部 氣壓升高時(shí)，頂部裝設(shè)的壓力釋放金屬板將被自動(dòng) 打開(kāi)，釋放壓力和排泄氣體。裝設(shè)在門上的特殊密封圈把柜前面封閉起來(lái)，以確保操作人員和開(kāi)關(guān)柜的安全。斷路器手車可以在運(yùn)行、試驗(yàn)/隔離2個(gè)不同位置之間移動(dòng)。

表1 2號(hào)機(jī)電氣制動(dòng)開(kāi)關(guān)柜參數(shù)選擇表

圖4 廈門ABB公司生產(chǎn)的ZS1型金屬開(kāi)關(guān)柜（改造后）

圖5 手車式VD4斷路器

2.3 改造實(shí)施

2020年4月沙河抽水蓄能電站結(jié)合2號(hào)機(jī)組B級(jí)檢修先行展開(kāi)2號(hào)機(jī)電氣制動(dòng)開(kāi)關(guān)國(guó)產(chǎn)化改造工作，在原進(jìn)口電氣制動(dòng)開(kāi)關(guān)柜位置上安裝國(guó)產(chǎn)ZS1型金屬鎧裝開(kāi)關(guān)柜。按規(guī)程規(guī)范[4]要求進(jìn)行電氣設(shè)備交接預(yù)防性試驗(yàn)工作，各項(xiàng)試驗(yàn)數(shù)據(jù)合格；對(duì)柜體各電源和控制回路、閉鎖功能和信號(hào)核對(duì)等進(jìn)行靜態(tài)調(diào)試均無(wú)異常。4月28日動(dòng)態(tài)調(diào)試顯示空載停機(jī)時(shí)電氣制動(dòng)開(kāi)關(guān)正常投入合分操作，各信號(hào)反饋正確，運(yùn)行時(shí)無(wú)異響、無(wú)異味；對(duì)比改造前后機(jī)組停機(jī)電氣制動(dòng)過(guò)程，制動(dòng)效果相似，定子電流、勵(lì)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(dòng)，勵(lì)磁系統(tǒng)逆變滅磁后的1～2 s內(nèi)衰減到零。

2.4 改造效果

2.4.1 增設(shè)“五防”功能

柜體結(jié)構(gòu)上充分考慮了“防止誤操作的聯(lián)鎖保護(hù)”：柜體上設(shè)有帶電顯示裝置；手車開(kāi)關(guān)在運(yùn)行位置時(shí)，控制線插頭被鎖定，無(wú)法拔出；斷路器在分閘位置時(shí)，手車方能在運(yùn)行、試驗(yàn)/隔離2個(gè)不同位置之間移動(dòng)，活門會(huì)自動(dòng)蓋住或打開(kāi)裝在母線室和電纜室內(nèi)的漏斗形絕緣套筒內(nèi)的靜觸頭；手車完全咬合在試驗(yàn)或運(yùn)行位置時(shí)，斷路器才能合閘；手車在試驗(yàn)或運(yùn)行位置而沒(méi)有控制電壓時(shí)，斷路器不能合閘，僅能手動(dòng)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(jī)回路分開(kāi)；加熱器仍用交流電源供電，而儲(chǔ)能電機(jī)和控制回路則采用更加穩(wěn)定可靠的直流電源供電；增設(shè)電源開(kāi)關(guān)輔助接點(diǎn)、電機(jī)儲(chǔ)能情況送至監(jiān)控，實(shí)時(shí)掌握設(shè)備情況。

控制回路上（見(jiàn)圖6），將“現(xiàn)地/遠(yuǎn)方”接點(diǎn)引出至監(jiān)控系統(tǒng)作為開(kāi)機(jī)條件之一，保證了電氣制動(dòng)開(kāi)關(guān)處于遠(yuǎn)方自動(dòng)狀態(tài)，以便正常停機(jī)；現(xiàn)地電動(dòng)分合開(kāi)關(guān)采用鑰匙解鎖，鑰匙由運(yùn)行人員保管，有效地防止誤分合開(kāi)關(guān)。

圖6 電氣制動(dòng)開(kāi)關(guān)操作控制開(kāi)關(guān)

3 結(jié)語(yǔ)

電氣制動(dòng)開(kāi)關(guān)是抽水蓄能電站重要的電氣設(shè)備，在加速機(jī)組快速停機(jī)，實(shí)現(xiàn)工況靈活轉(zhuǎn)換等方面發(fā)揮著積極的作用。沙河抽水蓄能電站2號(hào)機(jī)電氣制動(dòng)開(kāi)關(guān)國(guó)產(chǎn)化改造后，已運(yùn)行20多個(gè)月，停機(jī)時(shí)均能正確動(dòng)作，運(yùn)行穩(wěn)定、可靠，未發(fā)生異常情況。改造后的經(jīng)濟(jì)效益明顯：一方面?zhèn)浼M(fèi)用僅為進(jìn)口隔離開(kāi)關(guān)的五分之一，同時(shí)因VD4手車開(kāi)關(guān)的選型與電站換相開(kāi)關(guān)相同，間接節(jié)省了庫(kù)存?zhèn)浼杀荆涣硪环矫婕夹g(shù)服務(wù)響應(yīng)及時(shí)、維護(hù)成本也大大下降。廈門ABB開(kāi)關(guān)柜在沙河抽水蓄能電站的成功投用，將會(huì)推進(jìn)1號(hào)機(jī)電氣制動(dòng)國(guó)產(chǎn)化改造的進(jìn)程，同時(shí)也為相近容量機(jī)組發(fā)電機(jī)電氣制動(dòng)開(kāi)關(guān)設(shè)備選型提供了新的方向。