沙河抽水蓄能电站2号机电气制动开关国产化改造

黄 艳，李驰骏

（江苏沙河抽水蓄能发电有限公司，江苏 溧阳 213333）

0 引言

抽水蓄能电站在电力系统中主要承担调峰、填谷任务，必要时还要承担电网的调频及紧急事故备用任务，因此机组每日启停机次数非常频繁。为保障机组的安全运行，机组停机制动就显得十分重要，抽水蓄能机组通常采用机械制动与电气制动结合的双重制动方式，以缩短停机时间，提高机组的自动化水平。机组停机过程中当转速下降到额定值50%时，将发电机出口三相短路即合上电气制动开关，然后再在转子回路加励磁，此时定子电流产生纯去磁电枢反应，定子磁动势与转子磁动势相反，达到制动的目的；当转速下降到额定值5%时，机械制动系统自动投入运行，使机组减速停机。沙河抽水蓄能电站装有2套电气制动开关，随主机合同捆绑进口，采用法国某公司生产的中压电动隔离开关，于2002年6月投入运行。

1 改造必要性及可行性分析

1.1 设备选型问题

采用带有弧触头的电动三相隔离开关，虽然布置简单，操作容易，但是存在着灭弧能力差，分合闸时间较长、三相同期性不良等缺点。

1.2 设备健康状况下降

自投入使用以来，已累计动作超2万次，动静触头存在不同程度的磨损，操动机构也存在劣化、损坏风险，整体设备健康状况逐步下降：投产初期发生动触头绝缘拉杆断裂；2009年3月发现1号机电气制动开关C相有机材料传动提升杆开口销震落（见图1）；2017年5月检修期间发现1号机电气制动开关柜内B相动触头的辅助触头向左偏移；2018年发生三相弧触头有多处软连接断裂；2019年5月发现2号机电气制动开关柜内B相支撑瓷瓶有破损（见图2）。

图1 2009年/C相机构开口销震落

图2 2019年/B相支撑瓷瓶有破损

1.3 本体结构无“五防”功能

柜体和操作箱设计上未充分考虑国内“五防”需求[1]：柜体上无带电显示装置，在设备带电状态下使用钥匙可打开柜门，有误入带电间隔的风险；操作机构箱无门锁，箱门可任意打开，同时无操作机构选择位置明示窗，使用专用工具可任意切换“现地/远方/手动/退出”位置，有带负荷分、合隔离开关的风险（见图3）。

图3 法国某公司生产的电气制动开关柜外观(改造前)

1.4 电气回路控制不完善

操作机构切换开关为机械结构，无电气接点引出，故“现地/远方/手动/退出”实际切换位置仅靠现场目视判断，远方无法判断操作机构实际的工作状态，有可能出现操作机构未切换至“远方”状态，在停机时无法正常投电气制动的情况。

电机操作采用交流电源，且与回路控制电源、加热器电源共用一个空气开关，跳开关的风险增大；操作电源无信号监视回路，远方无法判断电源是否正常供电。

1.5 维护服务成本高

电站2018年组织开展了1号机电气制动开关大修工作，更换了整套动静触头和操作机构，仅技术服务费近8万元。国外公司在国内售后技术服务人员配置有限，技术服务上易出现沟通渠道不畅、服务不及时的情况，而购置一套备件费用高达55万元，维护服务成本高。

1.6 国内有替代产品

经调研，以国产真空开关代替电动隔离开关作为抽水蓄能机组电气制动开关，在回龙抽水蓄能电站已得到成功应用，运行情况良好。

鉴于上述分析，沙河抽水蓄能电站展开机组电气制动开关国产化工作的必要性已日益突出，改造的可行性已具备条件。

2 国产化改造

2.1 设备选型

改造采用手车式真空开关，不仅具有真空开关触头开距小、燃弧时间短、灭弧能力强、分合闸迅速、三相同期性好等特点，还具有体积小、重量轻、运行操作维护方便等优势。

2.2 参数选择

综合考虑设计要求和实际短路电流计算情况[2]，经综合比较，最终选择厦门ABB公司提供的、应用比较成熟的ZS1型铠装式金属封闭开关柜[3]（见表1），柜内部配置额定电流4 000 A的手车式断路器（见图4、图5）。根据柜内电气设备的功能，柜体用隔板分为4个不同的功能单元：母线室、断路器室、电缆室、低压仪表室。3个高压隔室的顶部均装有压力释放板，当发生内部故障电弧，开关柜内部 气压升高时，顶部装设的压力释放金属板将被自动 打开，释放压力和排泄气体。装设在门上的特殊密封圈把柜前面封闭起来，以确保操作人员和开关柜的安全。断路器手车可以在运行、试验/隔离2个不同位置之间移动。

表1 2号机电气制动开关柜参数选择表

图4 厦门ABB公司生产的ZS1型金属开关柜（改造后）

图5 手车式VD4断路器

2.3 改造实施

2020年4月沙河抽水蓄能电站结合2号机组B级检修先行展开2号机电气制动开关国产化改造工作，在原进口电气制动开关柜位置上安装国产ZS1型金属铠装开关柜。按规程规范[4]要求进行电气设备交接预防性试验工作，各项试验数据合格；对柜体各电源和控制回路、闭锁功能和信号核对等进行静态调试均无异常。4月28日动态调试显示空载停机时电气制动开关正常投入合分操作，各信号反馈正确，运行时无异响、无异味；对比改造前后机组停机电气制动过程，制动效果相似，定子电流、励磁电压、电流等电气量的衰减基本上保持一致，均在停止电气制动，励磁系统逆变灭磁后的1～2 s内衰减到零。

2.4 改造效果

2.4.1 增设“五防”功能

柜体结构上充分考虑了“防止误操作的联锁保护”：柜体上设有带电显示装置；手车开关在运行位置时，控制线插头被锁定，无法拔出；断路器在分闸位置时，手车方能在运行、试验/隔离2个不同位置之间移动，活门会自动盖住或打开装在母线室和电缆室内的漏斗形绝缘套筒内的静触头；手车完全咬合在试验或运行位置时，断路器才能合闸；手车在试验或运行位置而没有控制电压时，断路器不能合闸，仅能手动分闸。

2.4.2 完善电气控制回路

电源控制上，将加热器回路和控制、电机回路分开；加热器仍用交流电源供电，而储能电机和控制回路则采用更加稳定可靠的直流电源供电；增设电源开关辅助接点、电机储能情况送至监控，实时掌握设备情况。

控制回路上（见图6），将“现地/远方”接点引出至监控系统作为开机条件之一，保证了电气制动开关处于远方自动状态，以便正常停机；现地电动分合开关采用钥匙解锁，钥匙由运行人员保管，有效地防止误分合开关。

图6 电气制动开关操作控制开关

3 结语

电气制动开关是抽水蓄能电站重要的电气设备，在加速机组快速停机，实现工况灵活转换等方面发挥着积极的作用。沙河抽水蓄能电站2号机电气制动开关国产化改造后，已运行20多个月，停机时均能正确动作，运行稳定、可靠，未发生异常情况。改造后的经济效益明显：一方面备件费用仅为进口隔离开关的五分之一，同时因VD4手车开关的选型与电站换相开关相同，间接节省了库存备件成本；另一方面技术服务响应及时、维护成本也大大下降。厦门ABB开关柜在沙河抽水蓄能电站的成功投用，将会推进1号机电气制动国产化改造的进程，同时也为相近容量机组发电机电气制动开关设备选型提供了新的方向。