1 工程概況

1.1 工程簡述

北侖電廠位于浙江省寧波市北侖區，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，東距北侖港作業區約6km，西南距寧波市老城區約26km。

北侖電廠一期、二期工程總裝機容量為5× 600MW。北侖公司一期（第一發電有限公司）#1、#2機組，2×600MW機組分別于1991年和1994年投入商業運行。北侖電廠二期（浙能北侖發電有限公司）#3、#4、#5機組，3×600MW機組于2000年投入商業運行。

北侖電廠一期、二期500kV氣體絕緣金屬封閉開關（gas insulated switchgear, GIS）接線方式為3/2接線。包括：①B1不完整串，2個間隔，B2至B5完整串，每串3個間隔；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絡線；③4回機組進線，分別接至#2至#5機組。500kV GIS額定短時耐受電流為50kA。

1.2 改造原因

1）短路電流的增加

浙江寧波鎮海電廠遷建的2×66萬kW機組將于2019年10月并網，導致北侖電廠周邊電網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，需要對北侖電廠一期原有500kV GIS設備及500kV系統進行重新核算、評估。一期GIS設備中斷路器、電流互感器、線路快速接地開關不滿足63kA的要求，需要對這些設備進行改造；同時考慮到設備已運行較長時間需要進行大修，在改造不滿足63kA要求的設備的基礎上，更換設備的就地控制柜、電纜及密封件等。

2 GIS的優點

GIS是采用SF6作為絕緣和滅弧介質的金屬封閉開關設備，它將斷路器、隔離開關、接地開關、電流互感器、電壓互感器、母線等部件密封在金屬腔體內部。GIS全封閉的設計使其受環境影響小，運行安全可靠，相對敞開式的空氣絕緣開關設備（air insulated switchgear, AIS）占地面積小了很多，在電力系統中得到廣泛應用。

GIS還具有以下優點：1）模塊化設計；2）安裝時間短；3）可靠性高；4）操作安全性高；5）使用壽命長。

正是由于GIS產品的獨特優勢在電廠的改造工程中發揮了積極的作用，給改造工程提供了便利。

3 改造方案

3.1 工程設計

收集工程設計資料和現場實地考察是做好改造工程必不可少的環節。這次改造工程收集了原設備制造商項目資料、設計院項目資料、用戶存檔資料等，并多次到北侖電廠現場核實資料的準確性，核對GIS整體布置、土建信息，測量改造設備尺寸，結合改造范圍進行工程設計。

項目采用3/2接線方式，可靠性高，每一回路有兩臺斷路器供電，發生母線故障時，只跳開與此母線相連的所有斷路器，任何回路不停電。

原設備制造商瑞士ABB采用一串3個間隔同相集中布置，即B2.1、B2.2、B2.3間隔的A相布置在一起，拉開一段間距后是一串3個間隔的B相，接著是C相（如圖1所示）。早期的布置方式與項目采用的同一個間隔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關等不滿足電網要求的模塊，為了縮短改造工期、減少停電時間，設計方案考慮保留原工程布置進行局部改造，即更換隔離接地開關以下的斷路器、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、額定短路開斷電流為63kA的斷路器，直流分量時間常數為120ms，額定開斷時間為40ms，有效降低頻繁操作對滅弧室的沖擊。斷路器采用雙斷口設計，每一斷口電壓僅為單斷口斷路器的一半，滅弧時間短，斷口電壓沖擊小，提高了安全系數。斷路器殼體采用鋁合金材質，具有無渦流損耗、溫升低、防銹能力強、重量輕、運輸方便的優點。

斷路器機構采用HMB-8型液壓彈簧操作機構。該機構包含液壓驅動系統和高強度碟形彈簧儲能系統。碟形彈簧利用液壓泵儲能，提供液壓驅動系統所需的能量。該款機構結構緊湊、重量輕，更換操作機構時無需打開氣室，操作方便。

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

2）電流互感器改造（計算略）

為了滿足電網改造要求，斷路器兩側都需重新配置電流互感器。查看原始設計資料發現，前期設備連接母線側都未安裝電流互感器，采用管道或是VP補償模塊連接斷路器。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。

一期設備母線長約55m，A相母線頭尾兩端采用VP模塊與母線垂直布置進行溫度補償，VP模塊最大允許公差為角度差±3°（如圖4所示）。為了保持原有結構不變，需將原來的VP模塊拆除后增加電流互感器和一個新VP模塊（如圖2所示），且新VP模塊的長度要能補償母線管道由于熱脹冷縮產生的變化。

因此，在滿足參數要求的情況下，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償裝置VP。通過公式計算得出母線55m長時管道的伸縮量為53.13mm，改造后新VP長度為1340mm，其補償量為133.95mm大于管道的伸縮量，所以滿足設計要求。這樣能確保其他模塊不改動，減少了改造范圍，縮短了改造時間。

圖1 GIS平面布置圖

圖2 GIS剖面圖

圖3 斷路器及機構示意圖

圖4 VP補償裝置示意圖

本次改造使用的是CB3型電流互感器（如圖5所示），多個環形線圈根據項目要求定制，以一次導體為中心同心安裝。二次繞組通過磁感應方式感應一次電流，并與高電壓系統隔離。

互感器的二次繞組環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形線圈內，電流通過金屬外罩流過。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防雨的接線盒中，繞組由外部的金屬外罩防護。

圖5 CB3型電流互感器示意圖

3）快速接地開關改造

快速接地開關包括操作機構DB3和快速接地開關EB3（如圖6所示）。操作機構包括驅動電機、用于儲能的彈簧施力組件和傳動齒輪、一個絕緣接地連接和動觸頭。快速接地開關的靜觸頭位于VT3連接件中，通過兩個標準法蘭連接GIS中的一次部件。DB3操作機構連接到EB3連接件的小法蘭上。正是快速接地開關的模塊化設計為改造提供了便利。

圖6 快速接地開關示意圖

3.2 停電計劃及新設備試驗

1）停電計劃

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。回收B2.3、B2.2、B3.3三個間隔相關氣室壓力至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臺控制柜。影響運行的線路為5448，影響運行的機組為#2。

（2）第二次停電約40天。

Ⅰ母停電，斷開間隔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。回收B2.1、B3.1、B3.2、B5.1、B5.2五個間隔相關氣室壓力至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臺控制柜。影響運行的線路為5401，影響運行的機組為#2、#4、#5。

（3）第三次停電約25天。

Ⅱ母停電，斷開間隔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。回收B4.3、B4.2、B5.3三個間隔相關氣室壓力至0；回收B5.2、B4.1間隔斷路器氣室壓力至1.5bar。更換B4串3臺控制柜。影響運行的線路為5403，影響運行的機組為#3、#4。

（4）第四次停電約25天。

Ⅰ母停電，斷開間隔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。回收B1.1、B1.2、B4.1三個間隔相關氣室壓力至0；回收B4.2間隔斷路器氣室及B1.3間隔隔離接地開關氣室壓力至1.5bar。更換B1串3臺控制柜。影響運行的線路為5447，影響運行的機組為#3。

2）新設備試驗

改造后的新設備需要做一些常規試驗，包括：①新斷路器SF6氣體的微水試驗及純度測定；②新斷路器特性試驗（時間及速度特性）；③回路電阻測試（斷路器兩側接地開關合閘，解開接地開關的接地連片使直流電流引入），CT變比及伏安特性測量；④氣體密封性試驗；⑤局部放電試驗；⑥密度繼電器及壓力表校驗；⑦聯鎖與閉鎖裝置功能試驗和操作機構防跳躍能力試驗等。

GIS在投入運行前必須進行高壓試驗，檢查是否有絕緣損壞。這些損壞可能是由于運輸、現場安裝或其他外來因素造成。按照GB 50150交接試驗標準，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備，而進行耐壓試驗時又必須通過戶外套管加壓，加壓范圍將包括一期舊設備的套管、隔離開關及母線管道等設備，考慮到加壓范圍部分設備已運行近30年，耐壓試驗時應酌情考慮0.8的安全系數，耐壓試驗值為740kV× 0.8×0.8=473.6kV，持續時間1min。

試驗順序如下：

• （1）根據試驗設備容量及GIS的電容，計算可同時耐壓的GIS的間隔數量。
• （2）把測試電壓升至所需電壓，停留5min，然后升至耐壓試驗值，持續1min。
• （3）把測試電壓按1kV/s降至0，如圖8所示。

耐壓試驗需從戶外套管處加壓，試驗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 結論

本次改造工程是一個非常復雜的過程，以上只是本次改造的簡單介紹，改造方案的制定與實施需要考慮的方面非常多。施工方案、停電方案、應急預案、啟動方案、異動報告、開工報告、停復役申請、聯調方案、工作票、定值單、安全措施等都需要準備。

圖7 氣室分割示意圖

圖8 耐壓持續時間示意圖

拆除斷路器及CT時為了不影響連接的隔離開關、母線管道等模塊，臨時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巨大的挑戰，必須先將舊電纜從設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、減小現場的工作量，采用新電纜航空插先做好一側，現場加工另外一側的方法。對于安裝過程中的環境控制、設備氣密性及氣室微水含量檢測等，給出針對性解決方案及預防措施，為工程的順利進行提供了保證。

在改造的同時需要及時處理一些老設備潛在的安全隱患，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、做好保養，則能充分發揮其作用創造出更多的經濟價值。