1 工程概況

1.1 工程簡(jiǎn)述

北侖電廠位于浙江省寧波市北侖區(qū)，地處杭州灣口外金塘水道之南岸，其北面與舟山市金塘島隔海相望，東距北侖港作業(yè)區(qū)約6km，西南距寧波市老城區(qū)約26km。

北侖電廠一期、二期工程總裝機(jī)容量為5× 600MW。北侖公司一期（第一發(fā)電有限公司）#1、#2機(jī)組，2×600MW機(jī)組分別于1991年和1994年投入商業(yè)運(yùn)行。北侖電廠二期（浙能北侖發(fā)電有限公司）#3、#4、#5機(jī)組，3×600MW機(jī)組于2000年投入商業(yè)運(yùn)行。

北侖電廠一期、二期500kV氣體絕緣金屬封閉開(kāi)關(guān)（gas insulated switchgear, GIS）接線方式為3/2接線。包括：①B1不完整串，2個(gè)間隔，B2至B5完整串，每串3個(gè)間隔；②4回出線：北姚5401線、北江5403線、北電5447線、北電5448線，其中5447線、5448線是與北侖電廠三期的聯(lián)絡(luò)線；③4回機(jī)組進(jìn)線，分別接至#2至#5機(jī)組。500kV GIS額定短時(shí)耐受電流為50kA。

1.2 改造原因

1）短路電流的增加

浙江寧波鎮(zhèn)海電廠遷建的2×66萬(wàn)kW機(jī)組將于2019年10月并網(wǎng)，導(dǎo)致北侖電廠周邊電網(wǎng)短路電流水平有了一定的提升，北侖電廠500kV母線三相短路電流由48.7kA提升至51.1kA。

2）改造的必要性

由于短路電流水平及出線容量的提高，需要對(duì)北侖電廠一期原有500kV GIS設(shè)備及500kV系統(tǒng)進(jìn)行重新核算、評(píng)估。一期GIS設(shè)備中斷路器、電流互感器、線路快速接地開(kāi)關(guān)不滿足63kA的要求，需要對(duì)這些設(shè)備進(jìn)行改造；同時(shí)考慮到設(shè)備已運(yùn)行較長(zhǎng)時(shí)間需要進(jìn)行大修，在改造不滿足63kA要求的設(shè)備的基礎(chǔ)上，更換設(shè)備的就地控制柜、電纜及密封件等。

2 GIS的優(yōu)點(diǎn)

GIS是采用SF6作為絕緣和滅弧介質(zhì)的金屬封閉開(kāi)關(guān)設(shè)備，它將斷路器、隔離開(kāi)關(guān)、接地開(kāi)關(guān)、電流互感器、電壓互感器、母線等部件密封在金屬腔體內(nèi)部。GIS全封閉的設(shè)計(jì)使其受環(huán)境影響小，運(yùn)行安全可靠，相對(duì)敞開(kāi)式的空氣絕緣開(kāi)關(guān)設(shè)備（air insulated switchgear, AIS）占地面積小了很多，在電力系統(tǒng)中得到廣泛應(yīng)用。

GIS還具有以下優(yōu)點(diǎn)：1）模塊化設(shè)計(jì)；2）安裝時(shí)間短；3）可靠性高；4）操作安全性高；5）使用壽命長(zhǎng)。

正是由于GIS產(chǎn)品的獨(dú)特優(yōu)勢(shì)在電廠的改造工程中發(fā)揮了積極的作用，給改造工程提供了便利。

3 改造方案

3.1 工程設(shè)計(jì)

收集工程設(shè)計(jì)資料和現(xiàn)場(chǎng)實(shí)地考察是做好改造工程必不可少的環(huán)節(jié)。這次改造工程收集了原設(shè)備制造商項(xiàng)目資料、設(shè)計(jì)院項(xiàng)目資料、用戶存檔資料等，并多次到北侖電廠現(xiàn)場(chǎng)核實(shí)資料的準(zhǔn)確性，核對(duì)GIS整體布置、土建信息，測(cè)量改造設(shè)備尺寸，結(jié)合改造范圍進(jìn)行工程設(shè)計(jì)。

項(xiàng)目采用3/2接線方式，可靠性高，每一回路有兩臺(tái)斷路器供電，發(fā)生母線故障時(shí)，只跳開(kāi)與此母線相連的所有斷路器，任何回路不停電。

原設(shè)備制造商瑞士ABB采用一串3個(gè)間隔同相集中布置，即B2.1、B2.2、B2.3間隔的A相布置在一起，拉開(kāi)一段間距后是一串3個(gè)間隔的B相，接著是C相（如圖1所示）。早期的布置方式與項(xiàng)目采用的同一個(gè)間隔A、B、C三相布置在一起的方式不同。

因本期改造只更換斷路器、電流互感器和快速接地開(kāi)關(guān)等不滿足電網(wǎng)要求的模塊，為了縮短改造工期、減少停電時(shí)間，設(shè)計(jì)方案考慮保留原工程布置進(jìn)行局部改造，即更換隔離接地開(kāi)關(guān)以下的斷路器、電流互感器及管道等模塊（如圖2所示）。

1）斷路器改造

為了保持與原斷路器尺寸一致，采用斷路器斷口間法蘭間距為3120mm、額定短路開(kāi)斷電流為63kA的斷路器，直流分量時(shí)間常數(shù)為120ms，額定開(kāi)斷時(shí)間為40ms，有效降低頻繁操作對(duì)滅弧室的沖擊。斷路器采用雙斷口設(shè)計(jì)，每一斷口電壓僅為單斷口斷路器的一半，滅弧時(shí)間短，斷口電壓沖擊小，提高了安全系數(shù)。斷路器殼體采用鋁合金材質(zhì)，具有無(wú)渦流損耗、溫升低、防銹能力強(qiáng)、重量輕、運(yùn)輸方便的優(yōu)點(diǎn)。

斷路器機(jī)構(gòu)采用HMB-8型液壓彈簧操作機(jī)構(gòu)。該機(jī)構(gòu)包含液壓驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)和高強(qiáng)度碟形彈簧儲(chǔ)能系統(tǒng)。碟形彈簧利用液壓泵儲(chǔ)能，提供液壓驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)所需的能量。該款機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)緊湊、重量輕，更換操作機(jī)構(gòu)時(shí)無(wú)需打開(kāi)氣室，操作方便。

每相斷路器都配有一個(gè)防爆裝置，通過(guò)法蘭上的隔離絕緣子與其他氣室隔離形成一個(gè)獨(dú)立氣室，獨(dú)立氣室及模塊化的設(shè)計(jì)為更換斷路器提供了便利（如圖3所示）。

2）電流互感器改造（計(jì)算略）

為了滿足電網(wǎng)改造要求，斷路器兩側(cè)都需重新配置電流互感器。查看原始設(shè)計(jì)資料發(fā)現(xiàn)，前期設(shè)備連接母線側(cè)都未安裝電流互感器，采用管道或是VP補(bǔ)償模塊連接斷路器。本期改造需將連接模塊更換成電流互感器后再與斷路器連接。

一期設(shè)備母線長(zhǎng)約55m，A相母線頭尾兩端采用VP模塊與母線垂直布置進(jìn)行溫度補(bǔ)償，VP模塊最大允許公差為角度差±3°（如圖4所示）。為了保持原有結(jié)構(gòu)不變，需將原來(lái)的VP模塊拆除后增加電流互感器和一個(gè)新VP模塊（如圖2所示），且新VP模塊的長(zhǎng)度要能補(bǔ)償母線管道由于熱脹冷縮產(chǎn)生的變化。

因此，在滿足參數(shù)要求的情況下，盡量選擇尺寸較短的電流互感器，將空間盡可能多地留給補(bǔ)償裝置VP。通過(guò)公式計(jì)算得出母線55m長(zhǎng)時(shí)管道的伸縮量為53.13mm，改造后新VP長(zhǎng)度為1340mm，其補(bǔ)償量為133.95mm大于管道的伸縮量，所以滿足設(shè)計(jì)要求。這樣能確保其他模塊不改動(dòng)，減少了改造范圍，縮短了改造時(shí)間。

圖1 GIS平面布置圖

圖2 GIS剖面圖

圖3 斷路器及機(jī)構(gòu)示意圖

圖4 VP補(bǔ)償裝置示意圖

本次改造使用的是CB3型電流互感器（如圖5所示），多個(gè)環(huán)形線圈根據(jù)項(xiàng)目要求定制，以一次導(dǎo)體為中心同心安裝。二次繞組通過(guò)磁感應(yīng)方式感應(yīng)一次電流，并與高電壓系統(tǒng)隔離。

互感器的二次繞組環(huán)形線圈安裝在殼體的外部。殼體是GIS殼體的一部分，絕緣能防止殼體返回電流流入環(huán)形線圈內(nèi)，電流通過(guò)金屬外罩流過(guò)。由于二次繞組安裝在氣室外部，因此不需要將二次繞組的引線從GIS的氣室引出。二次繞組的引出線連接到一個(gè)防雨的接線盒中，繞組由外部的金屬外罩防護(hù)。

圖5 CB3型電流互感器示意圖

3）快速接地開(kāi)關(guān)改造

快速接地開(kāi)關(guān)包括操作機(jī)構(gòu)DB3和快速接地開(kāi)關(guān)EB3（如圖6所示）。操作機(jī)構(gòu)包括驅(qū)動(dòng)電機(jī)、用于儲(chǔ)能的彈簧施力組件和傳動(dòng)齒輪、一個(gè)絕緣接地連接和動(dòng)觸頭。快速接地開(kāi)關(guān)的靜觸頭位于VT3連接件中，通過(guò)兩個(gè)標(biāo)準(zhǔn)法蘭連接GIS中的一次部件。DB3操作機(jī)構(gòu)連接到EB3連接件的小法蘭上。正是快速接地開(kāi)關(guān)的模塊化設(shè)計(jì)為改造提供了便利。

圖6 快速接地開(kāi)關(guān)示意圖

3.2 停電計(jì)劃及新設(shè)備試驗(yàn)

1）停電計(jì)劃

本次改造共分4次停電，間隔名稱如圖7所示的氣室分割圖。

（1）第一次停電約35天。

Ⅱ母停電，斷開(kāi)間隔B5.3、B4.3、B3.3、B3.2、B2.3、B2.2、B2.1、B1.2斷路器。更換B2串B2.3、B2.2間隔斷路器和電流互感器，B3串B3.3間隔斷路器和電流互感器?；厥誃2.3、B2.2、B3.3三個(gè)間隔相關(guān)氣室壓力至0；回收B3.2、B2.1、B1.2間隔斷路器氣室壓力至1.5bar。更換B2串3臺(tái)控制柜。影響運(yùn)行的線路為5448，影響運(yùn)行的機(jī)組為#2。

（2）第二次停電約40天。

Ⅰ母停電，斷開(kāi)間隔B5.1、B5.2、B5.3、B4.1、B3.3、B3.2、B3.1、B2.2、B2.1、B1.1斷路器。更換B2串B2.1間隔斷路器和電流互感器，B3串B3.1、B3.2間隔斷路器和電流互感器，B5串B5.1、B5.2間隔斷路器和電流互感器?；厥誃2.1、B3.1、B3.2、B5.1、B5.2五個(gè)間隔相關(guān)氣室壓力至0；回收B1.1、B2.2、B3.3、B5.3間隔斷路器氣室壓力至1.5bar。更換B3、B5串6臺(tái)控制柜。影響運(yùn)行的線路為5401，影響運(yùn)行的機(jī)組為#2、#4、#5。

（3）第三次停電約25天。

Ⅱ母停電，斷開(kāi)間隔B5.3、B5.2、B4.3、B4.2、B4.1、B3.3、B2.3、B1.2斷路器。更換B4串B4.3、B4.2間隔斷路器和電流互感器，B5串B5.3間隔斷路器和電流互感器?；厥誃4.3、B4.2、B5.3三個(gè)間隔相關(guān)氣室壓力至0；回收B5.2、B4.1間隔斷路器氣室壓力至1.5bar。更換B4串3臺(tái)控制柜。影響運(yùn)行的線路為5403，影響運(yùn)行的機(jī)組為#3、#4。

（4）第四次停電約25天。

Ⅰ母停電，斷開(kāi)間隔B5.1、B4.1、B4.2、B3.1、B2.1、B1.1、B1.2斷路器。更換B1串B1.1、B1.2間隔斷路器和電流互感器，B4串B4.1間隔斷路器和電流互感器?；厥誃1.1、B1.2、B4.1三個(gè)間隔相關(guān)氣室壓力至0；回收B4.2間隔斷路器氣室及B1.3間隔隔離接地開(kāi)關(guān)氣室壓力至1.5bar。更換B1串3臺(tái)控制柜。影響運(yùn)行的線路為5447，影響運(yùn)行的機(jī)組為#3。

2）新設(shè)備試驗(yàn)

改造后的新設(shè)備需要做一些常規(guī)試驗(yàn)，包括：①新斷路器SF6氣體的微水試驗(yàn)及純度測(cè)定；②新斷路器特性試驗(yàn)（時(shí)間及速度特性）；③回路電阻測(cè)試（斷路器兩側(cè)接地開(kāi)關(guān)合閘，解開(kāi)接地開(kāi)關(guān)的接地連片使直流電流引入），CT變比及伏安特性測(cè)量；④氣體密封性試驗(yàn)；⑤局部放電試驗(yàn)；⑥密度繼電器及壓力表校驗(yàn)；⑦聯(lián)鎖與閉鎖裝置功能試驗(yàn)和操作機(jī)構(gòu)防跳躍能力試驗(yàn)等。

GIS在投入運(yùn)行前必須進(jìn)行高壓試驗(yàn)，檢查是否有絕緣損壞。這些損壞可能是由于運(yùn)輸、現(xiàn)場(chǎng)安裝或其他外來(lái)因素造成。按照GB 50150交接試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)，該耐壓值需為80%的出廠值，即80%×740kV= 592kV，由于改造部分屬于新設(shè)備，而進(jìn)行耐壓試驗(yàn)時(shí)又必須通過(guò)戶外套管加壓，加壓范圍將包括一期舊設(shè)備的套管、隔離開(kāi)關(guān)及母線管道等設(shè)備，考慮到加壓范圍部分設(shè)備已運(yùn)行近30年，耐壓試驗(yàn)時(shí)應(yīng)酌情考慮0.8的安全系數(shù)，耐壓試驗(yàn)值為740kV× 0.8×0.8=473.6kV，持續(xù)時(shí)間1min。

試驗(yàn)順序如下：

• （1）根據(jù)試驗(yàn)設(shè)備容量及GIS的電容，計(jì)算可同時(shí)耐壓的GIS的間隔數(shù)量。
• （2）把測(cè)試電壓升至所需電壓，停留5min，然后升至耐壓試驗(yàn)值，持續(xù)1min。
• （3）把測(cè)試電壓按1kV/s降至0，如圖8所示。

耐壓試驗(yàn)需從戶外套管處加壓，試驗(yàn)前拆除套管與架空線及戶外避雷器的連接線。為防止電壓互感器磁飽和，試驗(yàn)前拆除母線的單相電壓互感器及線路三相電壓互感器。

4 結(jié)論

本次改造工程是一個(gè)非常復(fù)雜的過(guò)程，以上只是本次改造的簡(jiǎn)單介紹，改造方案的制定與實(shí)施需要考慮的方面非常多。施工方案、停電方案、應(yīng)急預(yù)案、啟動(dòng)方案、異動(dòng)報(bào)告、開(kāi)工報(bào)告、停復(fù)役申請(qǐng)、聯(lián)調(diào)方案、工作票、定值單、安全措施等都需要準(zhǔn)備。

圖7 氣室分割示意圖

圖8 耐壓持續(xù)時(shí)間示意圖

拆除斷路器及CT時(shí)為了不影響連接的隔離開(kāi)關(guān)、母線管道等模塊，臨時(shí)支撐和拆解工裝都要合理考慮。更換新的控制柜及電纜也是一個(gè)巨大的挑戰(zhàn)，必須先將舊電纜從設(shè)備上拆除再將新電纜從GIS本體接入新控制柜。

為了能縮短工期、減小現(xiàn)場(chǎng)的工作量，采用新電纜航空插先做好一側(cè)，現(xiàn)場(chǎng)加工另外一側(cè)的方法。對(duì)于安裝過(guò)程中的環(huán)境控制、設(shè)備氣密性及氣室微水含量檢測(cè)等，給出針對(duì)性解決方案及預(yù)防措施，為工程的順利進(jìn)行提供了保證。

在改造的同時(shí)需要及時(shí)處理一些老設(shè)備潛在的安全隱患，如處理法蘭密封面、更換老化的密封件等。GIS的使用壽命通常為40年，若定期維護(hù)、做好保養(yǎng)，則能充分發(fā)揮其作用創(chuàng)造出更多的經(jīng)濟(jì)價(jià)值。