500kV气体绝缘金属封闭开关设备的改造案例
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随着我国经济的高速发展，电力负荷急剧增长，电力用户对电网运行可靠性和供电质量的要求越来越高，电网改造已成为满足电力需求的一种方式。气体绝缘金属封闭开关设备以其独特的优势在电网改造中发挥着积极的作用，使改造能更安全、更经济地进行。
厦门ABB高压开关有限公司的研究人员刘丹，在2020年第1期《电气技术》杂志上撰文，分析宁波北仑电厂500kV 气体绝缘金属封闭开关设备改造项目，综合考虑改造效果及系统稳定性，采用原址改造方案，更换不满足电网要求的部件，同时对设备进行一次大修，对存在隐患的部件进行维护，既减少电厂停电损失又提高设备运行的安全可靠性。
1 工程概况
1.1 工程简述
北仑电厂位于浙江省宁波市北仑区，地处杭州湾口外金塘水道之南岸，其北面与舟山市金塘岛隔海相望，东距北仑港作业区约6km，西南距宁波市老城区约26km。
北仑电厂一期、二期工程总装机容量为5× 600MW。北仑公司一期（第一发电有限公司）#1、#2机组，2×600MW机组分别于1991年和1994年投入商业运行。北仑电厂二期（浙能北仑发电有限公司）#3、#4、#5机组，3×600MW机组于2000年投入商业运行。
北仑电厂一期、二期500kV气体绝缘金属封闭开关（gas insulated switchgear, GIS）接线方式为3/2接线。包括：①B1不完整串，2个间隔，B2至B5完整串，每串3个间隔；②4回出线：北姚5401线、北江5403线、北电5447线、北电5448线，其中5447线、5448线是与北仑电厂三期的联络线；③4回机组进线，分别接至#2至#5机组。500kV GIS额定短时耐受电流为50kA。
1.2 改造原因
1）短路电流的增加
浙江宁波镇海电厂迁建的2×66万kW机组将于2019年10月并网，导致北仑电厂周边电网短路电流水平有了一定的提升，北仑电厂500kV母线三相短路电流由48.7kA提升至51.1kA。
2）改造的必要性
由于短路电流水平及出线容量的提高，需要对北仑电厂一期原有500kV GIS设备及500kV系统进行重新核算、评估。一期GIS设备中断路器、电流互感器、线路快速接地开关不满足63kA的要求，需要对这些设备进行改造；同时考虑到设备已运行较长时间需要进行大修，在改造不满足63kA要求的设备的基础上，更换设备的就地控制柜、电缆及密封件等。
2 GIS的优点
GIS是采用SF6作为绝缘和灭弧介质的金属封闭开关设备，它将断路器、隔离开关、接地开关、电流互感器、电压互感器、母线等部件密封在金属腔体内部。GIS全封闭的设计使其受环境影响小，运行安全可靠，相对敞开式的空气绝缘开关设备（air insulated switchgear, AIS）占地面积小了很多，在电力系统中得到广泛应用。
GIS还具有以下优点：1）模块化设计；2）安装时间短；3）可靠性高；4）操作安全性高；5）使用寿命长。
正是由于GIS产品的独特优势在电厂的改造工程中发挥了积极的作用，给改造工程提供了便利。
3 改造方案
3.1 工程设计
收集工程设计资料和现场实地考察是做好改造工程必不可少的环节。这次改造工程收集了原设备制造商项目资料、设计院项目资料、用户存档资料等，并多次到北仑电厂现场核实资料的准确性，核对GIS整体布置、土建信息，测量改造设备尺寸，结合改造范围进行工程设计。
项目采用3/2接线方式，可靠性高，每一回路有两台断路器供电，发生母线故障时，只跳开与此母线相连的所有断路器，任何回路不停电。
原设备制造商瑞士ABB采用一串3个间隔同相集中布置，即B2.1、B2.2、B2.3间隔的A相布置在一起，拉开一段间距后是一串3个间隔的B相，接着是C相（如图1所示）。早期的布置方式与项目采用的同一个间隔A、B、C三相布置在一起的方式不同。
因本期改造只更换断路器、电流互感器和快速接地开关等不满足电网要求的模块，为了缩短改造工期、减少停电时间，设计方案考虑保留原工程布置进行局部改造，即更换隔离接地开关以下的断路器、电流互感器及管道等模块（如图2所示）。
1）断路器改造
为了保持与原断路器尺寸一致，采用断路器断口间法兰间距为3120mm、额定短路开断电流为63kA的断路器，直流分量时间常数为120ms，额定开断时间为40ms，有效降低频繁操作对灭弧室的冲击。断路器采用双断口设计，每一断口电压仅为单断口断路器的一半，灭弧时间短，断口电压冲击小，提高了安全系数。断路器壳体采用铝合金材质，具有无涡流损耗、温升低、防锈能力强、重量轻、运输方便的优点。
断路器机构采用HMB-8型液压弹簧操作机构。该机构包含液压驱动系统和高强度碟形弹簧储能系统。碟形弹簧利用液压泵储能，提供液压驱动系统所需的能量。该款机构结构紧凑、重量轻，更换操作机构时无需打开气室，操作方便。
每相断路器都配有一个防爆装置，通过法兰上的隔离绝缘子与其他气室隔离形成一个独立气室，独立气室及模块化的设计为更换断路器提供了便利（如图3所示）。
2）电流互感器改造（计算略）
为了满足电网改造要求，断路器两侧都需重新配置电流互感器。查看原始设计资料发现，前期设备连接母线侧都未安装电流互感器，采用管道或是VP补偿模块连接断路器。本期改造需将连接模块更换成电流互感器后再与断路器连接。
一期设备母线长约55m，A相母线头尾两端采用VP模块与母线垂直布置进行温度补偿，VP模块最大允许公差为角度差±3°（如图4所示）。为了保持原有结构不变，需将原来的VP模块拆除后增加电流互感器和一个新VP模块（如图2所示），且新VP模块的长度要能补偿母线管道由于热胀冷缩产生的变化。
因此，在满足参数要求的情况下，尽量选择尺寸较短的电流互感器，将空间尽可能多地留给补偿装置VP。通过公式计算得出母线55m长时管道的伸缩量为53.13mm，改造后新VP长度为1340mm，其补偿量为133.95mm大于管道的伸缩量，所以满足设计要求。这样能确保其他模块不改动，减少了改造范围，缩短了改造时间。
图1 GIS平面布置图
图2 GIS剖面图
图3 断路器及机构示意图
图4 VP补偿装置示意图
本次改造使用的是CB3型电流互感器（如图5所示），多个环形线圈根据项目要求定制，以一次导体为中心同心安装。二次绕组通过磁感应方式感应一次电流，并与高电压系统隔离。
互感器的二次绕组环形线圈安装在壳体的外部。壳体是GIS壳体的一部分，绝缘能防止壳体返回电流流入环形线圈内，电流通过金属外罩流过。由于二次绕组安装在气室外部，因此不需要将二次绕组的引线从GIS的气室引出。二次绕组的引出线连接到一个防雨的接线盒中，绕组由外部的金属外罩防护。
图5 CB3型电流互感器示意图
3）快速接地开关改造
快速接地开关包括操作机构DB3和快速接地开关EB3（如图6所示）。操作机构包括驱动电机、用于储能的弹簧施力组件和传动齿轮、一个绝缘接地连接和动触头。快速接地开关的静触头位于VT3连接件中，通过两个标准法兰连接GIS中的一次部件。DB3操作机构连接到EB3连接件的小法兰上。正是快速接地开关的模块化设计为改造提供了便利。
图6 快速接地开关示意图
3.2 停电计划及新设备试验
1）停电计划
本次改造共分4次停电，间隔名称如图7所示的气室分割图。
（1）第一次停电约35天。
Ⅱ母停电，断开间隔B5.3、B4.3、B3.3、B3.2、B2.3、B2.2、B2.1、B1.2断路器。更换B2串B2.3、B2.2间隔断路器和电流互感器，B3串B3.3间隔断路器和电流互感器。回收B2.3、B2.2、B3.3三个间隔相关气室压力至0；回收B3.2、B2.1、B1.2间隔断路器气室压力至1.5bar。更换B2串3台控制柜。影响运行的线路为5448，影响运行的机组为#2。
（2）第二次停电约40天。
Ⅰ母停电，断开间隔B5.1、B5.2、B5.3、B4.1、B3.3、B3.2、B3.1、B2.2、B2.1、B1.1断路器。更换B2串B2.1间隔断路器和电流互感器，B3串B3.1、B3.2间隔断路器和电流互感器，B5串B5.1、B5.2间隔断路器和电流互感器。回收B2.1、B3.1、B3.2、B5.1、B5.2五个间隔相关气室压力至0；回收B1.1、B2.2、B3.3、B5.3间隔断路器气室压力至1.5bar。更换B3、B5串6台控制柜。影响运行的线路为5401，影响运行的机组为#2、#4、#5。
（3）第三次停电约25天。
Ⅱ母停电，断开间隔B5.3、B5.2、B4.3、B4.2、B4.1、B3.3、B2.3、B1.2断路器。更换B4串B4.3、B4.2间隔断路器和电流互感器，B5串B5.3间隔断路器和电流互感器。回收B4.3、B4.2、B5.3三个间隔相关气室压力至0；回收B5.2、B4.1间隔断路器气室压力至1.5bar。更换B4串3台控制柜。影响运行的线路为5403，影响运行的机组为#3、#4。
（4）第四次停电约25天。
Ⅰ母停电，断开间隔B5.1、B4.1、B4.2、B3.1、B2.1、B1.1、B1.2断路器。更换B1串B1.1、B1.2间隔断路器和电流互感器，B4串B4.1间隔断路器和电流互感器。回收B1.1、B1.2、B4.1三个间隔相关气室压力至0；回收B4.2间隔断路器气室及B1.3间隔隔离接地开关气室压力至1.5bar。更换B1串3台控制柜。影响运行的线路为5447，影响运行的机组为#3。
2）新设备试验
改造后的新设备需要做一些常规试验，包括：①新断路器SF6气体的微水试验及纯度测定；②新断路器特性试验（时间及速度特性）；③回路电阻测试（断路器两侧接地开关合闸，解开接地开关的接地连片使直流电流引入），CT变比及伏安特性测量；④气体密封性试验；⑤局部放电试验；⑥密度继电器及压力表校验；⑦联锁与闭锁装置功能试验和操作机构防跳跃能力试验等。
GIS在投入运行前必须进行高压试验，检查是否有绝缘损坏。这些损坏可能是由于运输、现场安装或其他外来因素造成。按照GB 50150交接试验标准，该耐压值需为80%的出厂值，即80%×740kV= 592kV，由于改造部分属于新设备，而进行耐压试验时又必须通过户外套管加压，加压范围将包括一期旧设备的套管、隔离开关及母线管道等设备，考虑到加压范围部分设备已运行近30年，耐压试验时应酌情考虑0.8的安全系数，耐压试验值为740kV× 0.8×0.8=473.6kV，持续时间1min。
试验顺序如下：
（1）根据试验设备容量及GIS的电容，计算可同时耐压的GIS的间隔数量。
（2）把测试电压升至所需电压，停留5min，然后升至耐压试验值，持续1min。
（3）把测试电压按1kV/s降至0，如图8所示。
耐压试验需从户外套管处加压，试验前拆除套管与架空线及户外避雷器的连接线。为防止电压互感器磁饱和，试验前拆除母线的单相电压互感器及线路三相电压互感器。
4 结论
本次改造工程是一个非常复杂的过程，以上只是本次改造的简单介绍，改造方案的制定与实施需要考虑的方面非常多。施工方案、停电方案、应急预案、启动方案、异动报告、开工报告、停复役申请、联调方案、工作票、定值单、安全措施等都需要准备。
图7 气室分割示意图
图8 耐压持续时间示意图
拆除断路器及CT时为了不影响连接的隔离开关、母线管道等模块，临时支撑和拆解工装都要合理考虑。更换新的控制柜及电缆也是一个巨大的挑战，必须先将旧电缆从设备上拆除再将新电缆从GIS本体接入新控制柜。
为了能缩短工期、减小现场的工作量，采用新电缆航空插先做好一侧，现场加工另外一侧的方法。对于安装过程中的环境控制、设备气密性及气室微水含量检测等，给出针对性解决方案及预防措施，为工程的顺利进行提供了保证。
在改造的同时需要及时处理一些老设备潜在的安全隐患，如处理法兰密封面、更换老化的密封件等。GIS的使用寿命通常为40年，若定期维护、做好保养，则能充分发挥其作用创造出更多的经济价值。