万家寨水电站4#机增设发电机断路器改造设计

2016-04-07宋均琪李力伟

水利水电工程设计 2016年2期

关键词：中性点主变水电站

宋均琪李力伟

宋均琪李力伟

论述了万家寨水电站4#机增设发电机断路器改造设计，解决了多年来山西电网侧中性点运行不灵活，机组低负荷运行时水利用效率较低的问题，并有效缓解了调峰运行时高压断路器操作过于频繁的问题，消除了安全隐患，提高了电站在系统中的安全运行水平。

发电机断路器选型万家寨水电站

万家寨水电站位于黄河北干流上段托克托至龙口峡谷河段内，是黄河中游开发的第一级，其主要任务是供水结合发电调峰、防洪、防凌。万家寨水电站装机6台，单机额定容量为180 MW，最大出力为200 MW，总容量为1 080 MW，发电机电压为15.75 kV，功率因数为0.9，年发电量27.5亿kW·h。电站建成后主要向内蒙和山西电网送电，1#～3#机并入内蒙电网，4#～6#并入山西电网。1998年第1台机组发电，2000年6台机全部发电，是两个电网的大型调峰及事故备用电源。

发电机变压器采用单元接线方式，220 kV采用双母线四分段接线方式，6回进线，6回出线，3回出线接入内蒙电力系统，3回出线接入山西电力系统。

1 增加发电机断路器的原因

电站厂用电引自1#、2#和5#发电机机端，为保证机组停机时，厂用电源不发生中断，分别在1#、2#和 5#发电机机端安装发电机断路器，选用ABB公司生产的HEC3产品。电站建设时为减少进口设备数量、降低工程造价，2#、4#和6#发电机机端仅设置了隔离开关。在实际运行中主要有以下问题：

（1）山西电网侧接地点运行不灵活，倒闸操作存在安全隐患。5#发电机出口装有发电机出口断路器，因此，电网指定5#主变为系统接地点。5#主变检修时，必须将系统接地点倒至4#主变或6#主变上，由于没有装设发电机断路器，机组与主变只能同时投入或退出运行。操作起来有先退出5#主变中性点接地，然后倒换至4#主变或6#主变中性点接地；或先倒换至4#主变或6#主变中性点接地后，退出5#主变中性点接地点两种方式，两种方式都有不足且存在不安全性。

例如：因5#主变停电检修，6#主变充电专项接地系统接地点操作，引起4#发变组纵差保护动作事故。保护动作原因是由于4#主变、6#主变中性点均接地，6#主变充电后，6#主变高压侧励磁涌流使4#主变高压侧产生和应涌流，导致4#发变组纵差保护动作。

（2）枯水期，电站经常早、晚间带峰荷运行，利用高压侧断路器进行开停机，操作过于频繁。高压侧断路器的机械寿命较短，无故障操作次数为3 000~5 000次，无故障持续运行年限较短，仅为4~7年。发电机断路器机械寿命较长，无故障操作次数为10 000~20 000次。

（3）受制于水库来水特性、流域调度特点，在5#主变停电检修时，因要考虑山西电网系统接地点的需要，只能开启4#或6#发电机全天运行。在枯水期，影响库水位的保持，机组带低负荷运行，发电耗水率增加，经济效益较差。

基于上述原因，万家寨水电站在2011年7月对4#发电机出口增设发电机断路器，并于2012年3月完成。

2 发电机断路器及附属设备选型

2.1 依据的标准

根据目前发电机断路器的发展情况及万家寨水电站的装机容量，应选用SF6发电机断路器。SF6发电机断路器主要生产企业有ABB、Areva、Alstom和沈高等。目前国内采用的SF6发电机断路器以进口为主。

进口的SF6发电机断路器设备参数选择主要是依据IEEE Std C37.013-1997《以对称电流为基础的交流电压发电机断路器标准》和IEC62271-100-2006《高压开关设备和控制设备第100部分：高压交流断路器》。国内的发电机断路器的规范有GB/T 14824—2008《高压交流发电机断路器》，GB 1984—2008《高压交流断路器》，DL 427—1991《户内发电机出口断路器订货规范》。

GB/T 14824和GB 1984均在2008年得到了全面的修订，GB/T 14824—2008采用IEEE C37.013-1997进行全面修订， GB 1984—2008是以IEC62271-100-2006为蓝本修改采用。DL/T 427—1991标准没有更新，规定的断路器参数选择及试验主要针对中小型机组及国产断路器。在改造过程中，选择进口发电机断路器参数及试验，以参照国际标准修改采用的国标为参考。在本项目完成改造约2年后，于2014年12月，DL/T 427—1991由于很多技术内容变化很大，被废止。

2.2 主要技术参数

根据GB/T 12824—2008《高压交流发电机断路器》、发电机及电力系统参数、短路电流计算成果等，确定发电机断路器基本参数为：

额定工作电压/kV15.75

最高工作电压/kV 17.5

额定电流/A 7 332

短路电流/kA52.06

直流分量/%≤75

峰值短路电流/kA140

设备通过招标比选，最后选定ABB公司HECS-80M系列产品，设备主要技术参数如下：

额定电压/kV23

额定电流/A 10 500

额定频率/Hz50

工频耐受电压/kV80

雷电冲击耐受电压（峰值）/kV150

额定短路开断电流/kA80

直流分量/% 75

额定峰值耐受电流/kAP220

额定短路电流持续时间/s3

额定开断时间/ms≤67

机械操作次数 20 000

HECS-80M发电机断路器由三相联动的3台单相断路器组成，三相断路器具有共同的整体基座构架。断路器、隔离开关、接地开关以及电压互感器做成一个离相封闭的、有共同外壳的整体单元。与断路器串联的隔离开关安装在断路器出线侧，动触头位于主变压器侧，静触头位于发电机侧。其次，断路器两侧各配置1组130 nF的吸收电容器，有助于断路器内SF6气体暂态恢复电压的改善，提高了断路器的开断能力。断路器操作机构为液压弹簧操作机构。

为满足同期及过电压保护的需要，发电机断路器与主变之间增设一组PT避雷器装置。HECS-80M产品可以提供PT避雷器模块与断路器组装成一个整体，但由于价格较昂贵，PT避雷器与断路器分开布置，PT避雷器柜由国内厂商提供。