在运分相操作GIS断路器现场改造

陈宇，胡贤矿，翁小川，余子聪，邵敬平

(1.湖北华电西塞山发电有限公司，湖北 黄石 435000； 2.湖北西塞山发电有限公司，湖北 黄石 435000； 3.湖北华电武昌热电有限公司，武汉 430000；4.华电湖北发电有限公司黄石热电分公司，湖北 黄石 435000)

0 引言

六氟化硫(SF6)封闭式组合电器国际上称为气体绝缘金属封闭开关设备(GIS)，它将一座变电站中除变压器以外的一次设备，包括断路器、隔离开关、接地开关、电压互感器、电流互感器、避雷器、母线、电缆终端、进出线套管等，经优化设计有机地组合成一个整体并封闭于金属壳内，采用SF6气体作为灭弧和绝缘介质。通俗地讲，GIS就是开关站，是高压配电装置的一种形式，具有占地面积小、可靠性高、安全性强、维护工作量很小等优点，逐步得到了广泛应用[1-3]。

国家电网有限公司1982年开始使用252 kV的GIS设备(用于电网220 kV系统)，较普遍的使用是从1999年开始的，以后的装用量逐年增加，2004年1年投运的断路器间隔数比1999年以前总投运的断路器间隔数还要多[4]。

发电机或发电机变压器组的出口断路器发生非全相或者三相不一致时，其后果是非常严重的[5-7]。有关资料显示[8-11]，当机组断路器发生非全相时，因负荷不对称导致定子绕组中有负序电流流过，其产生的磁场对于转子是以2倍频率旋转的，这种旋转磁场在转子本体、槽楔和护环感应出2倍频率的负序电流，电流在这些部件上和各部件的接触处产生很大的附加损耗和温升，将导致发电机转子齿部、槽楔和护环嵌装面烧熔和产生裂纹。某电厂机组解列时，主变压器高压侧断路器V相拒跳，导致发电机非全相运行，事故造成发电机转子本体套装面有过热痕迹，大齿极面有过热现象，励端护环套装面严重过热，产生一条5.5 mm长的裂纹[12-14]。2009年11月25日，西北电网某变电站由于断路器B相输出轴严重卡滞，导致了330 kV SF6高压断路器非全相运行事故[15-16]。

因此，某电厂将在运分相操作GIS断路器现场改造成三相机械联动操作机构，从根本上防范发电机组非全相运行造成的机组损坏。

1 GIS断路器非全相运行分析

某电厂二期2×680 MW机组均采用发电机变压器组单元接线，以220 kV等级电压接入系统，厂内设置220 kV配电装置，电气主接线为双母线接线形式。受建设场地限制，220kV配电装置采用GIS。该电厂GIS成套设备于2010年9月安装完成，由于当时该GIS断路器无三相机械联动结构，故所有开关均为分相操作，其中#3发电机变压器组(塞222)和#4发电机变压器组(塞228)间隔通过电气控制回路实现三相电气联动。GIS及断路器主要参数见表1。

表1 GIS及断路器主要参数Tab.1 Main parameters of the GIS and circuit breaker

该电厂#3主变压器为Y/△-11接线，高压侧C相没有断开，等同于发生C相接地故障，A，B相无电流，C相有电流。低压侧由于是△接线，故发电机端的B，C相有大小相等、方向相反的电流。

发电机电枢电流起到去磁、制动作用。汽轮机打闸后，由于惯性作用，短时间内转子转速仍然保持在3 000 r/min，此时发电机成了负载，随着汽膛内余汽做功完毕，发电机定子电流减小后又逐步增大[17]。

2 IFT-252 GIS三相机械联动断路器介绍

IFT-252 GIS三相机械联动断路器由三相断路器本体、液压弹簧机构、传动系统、机构箱等部分组成，如图1所示。机构采用水平布置方式，通过多连杆传动将机构与灭弧室有效连接起来。

图1 三相机械联动断路器Fig.1 Three-phase mechanical-linked circuit breaker

IFT-252 GIS三相机械联动断路器配用了CYA6-2型液压弹簧机构(如图2所示)，该机构以弹簧作为储能部件，以液压油作为传动载体，克服了传统液压机构效率低、易渗漏等缺点，将各主要功能部件集成化和模块化，使其具有高度通用性与互换性，并且没有管道能量损失，机构效率达到了最大化，是一种高可靠性的免维护操动机构。CYA6-2型液压弹簧机构的主要特点见表2。

3 改造方案

新设计结构与现有传动方式存在差异，需进行局部调整变更，目前由于GIS设备处于运行状态，需要在系统设备不停电或停电时间极短的状态下进行改造，按照这一特殊情况，准备了2个方案。

3.1 方案1

在保证可靠性等同于成套IFT-252 GIS三相机械联动断路器产品的前提下，将三相机械联动的传动部分进行特殊设计，传动方式、传动结构都不变，仅调整传动机构的尺寸，保证可与转轴直接连接。

方案1仅对断路器前端支架、传动部分、传动机构箱进行更换，更换步骤如下。

(1)拆卸机构箱上方母线支架，安装临时支撑。

图2 CYA6-2型液压弹簧机构Fig.2 CYA6-2 hydraulic spring mechanism

表2 CYA6-2型液压弹簧机构主要特点Tab.2 Main features of CYA6-2 hydraulic spring mechanism

(2)解除电缆线，拆卸机构箱、机构。

(3)在断路器罐体下面安装临时支撑，拆卸断路器前端支架。

(4)安装三相机械联动断路器前端支架、导向机构及传动机构。

(5)底架打孔，拆卸母线临时支撑，安装新支架，调试机构动作特性。

特别需要注意的是：施工前应确认本间隔停电，断路器弹簧机构储能已释放，母线隔离开关已经分闸，接地开关已合闸；拆下的标准件、密封圈必须全部更换。

3.2 方案2

断路器气室气压降至0 MPa后，打开灭弧室拐臂盒，更换分相式断路器与三相机械联动断路器不同的地方，主要更换断路器前端支架、转轴、传动部分、机构箱、机构，更换步骤如下。

(1)拆卸机构箱上方母线支架，安装临时支撑。

(2)解除电缆线，拆卸机构箱、机构。

(3)在断路器罐体下面安装临时支撑，拆卸断路器前端支架。

(4)安装三相机械联动断路器前端支架、导向机构及传动机构。

(5)底架打孔，拆卸母线临时支撑，安装新支架，断路器的气室气压降至0 MPa后，打开灭弧室拐臂盒更换拐臂。

(6)抽真空，充SF6气体至0.6 MPa，调试机构动作特性(现场预留试验需要的临时电源)。

方案2的复杂之处在于灭弧室拐臂的更换，由于转轴与灭弧室中的绝缘拐臂相连接，只能在断路器的气室气压降至0 MPa，灭弧室拐臂盒打开后才能对拐臂进行更换。

更换转轴时断路器气室气压降至0 MPa，在不停电的前提下，相邻的母线气室压力从0.6 MPa降至0.5 MPa，断路器气室与母线气室压差过大，现场更换拐臂时有一定的危险性；同时，现场施工环境比较复杂，给拐臂的更换带来一定困难。

方案1对部分零部件尺寸进行了调整，为保证可靠性，厂内需进行寿命试验；方案2为保证传动部分的可靠性，同样需要进行厂内寿命试验。

通过表3可知：方案1和方案2都具备实施的可行性；方案2比较成熟，但方案1的风险性比方案2小很多，而且方案1不需要解体断路器灭弧室，排除了现场环境等的影响，施工难度大大降低。

经过研究，建议优先采用方案1，如方案1不成功，则进行方案2。

表3 方案1与方案2对比Tab.3 Comparison of scheme 1 and scheme 2

4 试验验证

由于此次改造为现场改造，机构和本体连接传动部分都是第1次在此种工况下运行，故必须在厂内进行充分严格的试验(试验3 000次)，验证其机械特性及寿命。采用GKCHD420B 高压开关测试仪对IFT-252 GIS三相机械联动断路器进行测试(主要技术参数见表4)，测试条件如下。

(1)分、合闸速度满足GB 11022—2011《高压开关设备和控制设备标准的共用技术要求》规定[18]。

(2)辅助开关的辅助节点随本体一起考核。

(3)试验过程中不更换零件，不对零件做任何处理。

(4)试验操作时间：0.5次/min。

(5)每操作1 000次，按规定润滑和做少量的紧固。

方案1机械操作试验结果：试验过程中没有出现误动现象；所有零件未出现对开关动作不利的影响；辅助开关的节点切换正常，结构检查合格；3 015次机械操作试验合格。

方案2机械操作试验结果：试验过程中出现拐臂损坏现象；主拐臂异常，不能正常分合；辅助开关的节点切换正常；结构检查不合格；在第1 027次机械试验时，出现拐臂机械异常。

最终确定采用方案1进行现场改造，即将成套三相机械联动的传动部分进行适应该电厂的特殊设计(传动方式、传动结构都不变化，仅对部分物料尺寸进行调整)。

表4 IFT-252 GIS三相机械联动断路器主要技术参数Tab.4 Main technical parameters of IFT-252 three-phase mechanical-linked circuit breaker in GIS

5 结束语

依托现有成套三相机械联动机构的GIS断路器的成熟经验进行现场改造，通过2种方案的对比试验，确定了不解体断路器，仅对部分物料尺寸进行调整，其传动部分可以与现场使用的断路器机构转轴直接连接的改造方案。该方案具有造价低(整体更换一个间隔费用约200万元，该方案仅需70多万元)、不需要停母线、不解体断路器器灭弧室、简单方便、改造灵活等优点。

现场改造后，从根本上消除了该电厂#3,#4发电机变压器组GIS断路器非全相的风险，提高了设备安全运行的能力，可为国内同类型或类似GIS断路器改造提供参考。