10 kV開關(guān)柜改造可行性研究

宋立偉，王海兵

(蘇晉朔州煤矸石發(fā)電有限公司，山西 朔州 036800)

1 主接線及10 kV配電系統(tǒng)

某電廠裝有2×660 MW機組，以500 kV一級電壓接入系統(tǒng)。500 kV配電裝置采用3/2接線形式，2回出線。兩臺機組共用一臺啟備變(1號啟備變)，其電源引自500 kV配電裝置I母線。發(fā)電機采用自并勵勵磁方式，額定電壓22 kV。每臺機組設(shè)兩臺高廠變(高廠變A為三繞組，高廠變B為雙繞組)，發(fā)電機與主變、勵磁變、高廠變之間采用全連式離相封閉母線連接，不設(shè)發(fā)電機出口斷路器。高廠變A的兩個低壓分支分別為工作10 kV A，B段母線供電，高廠變B低壓側(cè)為公用10 kV A，B段母線供電。1號啟備變?yōu)槿@組變壓器，低壓側(cè)A分支為10 kV 1A，2A、公用A段母線供電，低壓側(cè)B分支為10 kV 1B，2B、公用B段母線供電，如圖1所示。

圖1 主接線及10 kV配電系統(tǒng)

該電廠10 kV配電系統(tǒng)有6個工作段，合計182面開關(guān)柜，于2021年初投運。開關(guān)柜內(nèi)配置的斷路器、綜保裝置、互感器均為國內(nèi)品牌。

2 歷次故障

(1) 2021年5月，10 kV公用A段工作進線PT柜下部C相進柜絕緣套管因質(zhì)量問題，運行期間絕緣能力降低，對底板放電，造成單相接地。電弧使鋁制底板氣化又將A，B相絕緣套管擊穿，單相接地發(fā)展為三相短路，1號發(fā)變組“高廠變B差動保護”動作，迫使1號機組停運。

(2) 2021年6月，2號機啟機過程中，10 kV 2A段備用進線開關(guān)運行中發(fā)生故障。開關(guān)本體A相滅弧室擊穿，A相極柱觸臂斷裂，引起1號啟備變零序過流保護動作，1號啟備變跳閘，全廠失電(此時1號機組停機檢修)。

(3) 2021年8月，1號機組正常運行。值班人員在高壓配電室進行巡檢工作時，發(fā)現(xiàn)某開關(guān)(真空接觸器)在熱備用狀態(tài)下有嚴重異響。專業(yè)人員立即將開關(guān)拉至檢修位置，檢查發(fā)現(xiàn)此開關(guān)過熱嚴重，判斷為開關(guān)帶電部分局部放電。

(4) 2022年春節(jié)，該電廠2號機組調(diào)停時，維護人員對重要負荷開關(guān)進行例行檢查發(fā)現(xiàn)2號機組10 kV 2B段工作進線開關(guān)極柱固封環(huán)氧樹脂有明顯裂紋，存在放電隱患，經(jīng)專業(yè)檢測后斷定不能再投入運行。

(5) 開關(guān)柜所配置的綜保裝置在投運初期即存在測量不準確和死機現(xiàn)象。維護人員將全部裝置進行了硬件和軟件升級，但仍有采樣板件故障、電源板件故障、顯示面板異常、主板故障、保護裝置死機等情況發(fā)生，導(dǎo)致開關(guān)不能遠程操控、設(shè)備無保護運行。

(6) 2022年初，該電廠利用機組調(diào)停機會，對全廠10 kV系統(tǒng)進行了全面檢修，內(nèi)容包括：螺栓緊固、衛(wèi)生清掃、母線及開關(guān)耐壓試驗、進線開關(guān)及重要負荷開關(guān)觸頭增加測溫裝置。檢修后多次發(fā)生進線開關(guān)觸頭溫度高報警，維護人員只能通過增加軸流風(fēng)機強制冷卻和切換備用電源檢查觸頭等措施保證機組正常運行。

(7) 2022年4月，1號機組C級檢修時，檢修人員發(fā)現(xiàn)10 kV開關(guān)本體有大量動、靜觸頭接觸面發(fā)黑(過熱)現(xiàn)象，母排絕緣保護漆有脫落現(xiàn)象，部分開關(guān)柜缺失地刀擋桿。

3 開關(guān)柜使用情況調(diào)研

該電廠電氣專業(yè)人員對周邊、同類型電廠10（6） kV開關(guān)柜選型、運行情況進行調(diào)研，結(jié)果見表1。

表1 周邊、同類型電廠中壓配電裝置調(diào)研結(jié)果

4 改造的必要性及結(jié)論

電廠10(6) kV電氣系統(tǒng)高壓側(cè)連接發(fā)電機、主變、啟備變，低壓側(cè)連接各重要負荷，是一個承上啟下的系統(tǒng)。該電廠10 kV電氣系統(tǒng)多次發(fā)生故障，導(dǎo)致機組停運、全廠失電，使電廠蒙受巨大經(jīng)濟損失。如再發(fā)生類似事件，不僅僅是設(shè)備損壞、電量損失，還有可能造成人身傷害，供暖季會因停止對當?shù)毓岫l(fā)民生問題。

該電廠電氣專業(yè)人員對開關(guān)柜歷次故障進行總結(jié)，分析缺陷、排查隱患，并多次組織電科院、生產(chǎn)廠家、設(shè)計院召開分析會議，一致認為現(xiàn)有10 kV開關(guān)柜存在質(zhì)量問題。結(jié)合周邊、同類型電廠調(diào)研結(jié)果，得出如下結(jié)論。

(1) 現(xiàn)有開關(guān)柜存在較大的安全隱患，參考同類型電廠進行技術(shù)改造是必要的。

(2) 10 kV配電系統(tǒng)的安全性對電廠的安全運行有很大影響，應(yīng)盡快進行改造。

5 國產(chǎn)開關(guān)柜與合資開關(guān)柜的差異

5.1 國產(chǎn)開關(guān)柜發(fā)展歷程

國產(chǎn)開關(guān)柜的發(fā)展經(jīng)過了仿蘇到仿歐美，再到自主研發(fā)的漫長過程。中壓開關(guān)柜由最初單一的GG1A固定式發(fā)展到現(xiàn)在的手車式與固定式并存。柜體結(jié)構(gòu)也逐漸由焊接式框架向組裝式框架過渡，制造設(shè)備則由普通機床向數(shù)控機床轉(zhuǎn)變，制造工藝水平得到了大幅提升。

當前市場上廣泛應(yīng)用的KYN28A中置式手車柜，已經(jīng)能滿足各種不同的使用需求。總體看來，國產(chǎn)中壓開關(guān)柜已經(jīng)基本攻破了技術(shù)難題，與國外知名企業(yè)的技術(shù)差距正在逐步縮小，但也存在亟待補齊的短板。目前，制約開關(guān)柜行業(yè)發(fā)展的最大瓶頸是制造工藝，如鈑金加工技術(shù)、裝配技術(shù)、絕緣與支撐件等，與國外相比還存在一定的差距。同時，機械化、自動化流水線的生產(chǎn)制造模式在國內(nèi)大多數(shù)成套企業(yè)中仍很難推廣，一定程度上制約了國產(chǎn)中壓開關(guān)柜整體水平的提升。

5.2 國內(nèi)品牌開關(guān)柜特點

(1) 外觀笨重，布局復(fù)雜。

(2) 柜內(nèi)元器件的選擇關(guān)口較低，導(dǎo)致產(chǎn)品在使用過程中故障頻發(fā)，影響壽命。

(3) 柜體制造工藝較粗糙，存在一定的公差，容易導(dǎo)致設(shè)備運行中發(fā)熱，個別產(chǎn)品不符合標準配置。

(4) 市場良莠不齊。如該廠現(xiàn)用的開關(guān)柜和斷路器均是上市公司產(chǎn)品，但存在缺陷。根據(jù)調(diào)研，該產(chǎn)品只在特定行業(yè)使用較多，在電廠行業(yè)幾乎沒有業(yè)績。國內(nèi)現(xiàn)有的幾家電廠用戶，也受困于該產(chǎn)品質(zhì)量問題，正在積極尋求技改、更換工作。

(5) 價格相對合資品牌較低。

5.3 合資品牌開關(guān)柜特點

(1) 機械和電氣結(jié)構(gòu)更合理，整體布置有序。

(2) 合資品牌柜內(nèi)主要元器件均選用知名品牌，對于元器件的安裝適配，合資柜廠家會要求元器件廠家根據(jù)柜型進行改進，確保元器件集成滿足其最優(yōu)性能。

(3) 合資品牌柜體依托于更高規(guī)格的設(shè)計平臺。合資柜在設(shè)計定型后，不僅在內(nèi)部實驗室完成試驗，還會在外部試驗取得權(quán)威的型式試驗報告。合資柜在設(shè)計上考慮了各種元器件集成的所帶來的問題，通過3D軟件模擬，讓柜體安裝、裝配更加精細化。柜體均由高精度鈑金加工設(shè)備生產(chǎn)，保證組裝元器件的精準性。合資柜生產(chǎn)廠家對開關(guān)柜生產(chǎn)有一套完整的質(zhì)量控制體系，對于設(shè)計、生產(chǎn)、檢驗都有控制流程，開關(guān)柜的可靠性更高。

(4) 合資品牌柜的生產(chǎn)制造工藝更加精細。機械化、自動化的流水線生產(chǎn)模式，高標準的制作過程使得合資品牌柜與開關(guān)的匹配度更高，消除了因公差引起的設(shè)備發(fā)熱、元器件振動等隱患，大大提高了設(shè)備的可靠性。

(5) 合資品牌開關(guān)柜廠家較國內(nèi)廠家有更廣泛的運行業(yè)績。隨著國內(nèi)制造水平提高，國產(chǎn)開關(guān)柜配置進口品牌斷路器的模式在國內(nèi)電力行業(yè)占有一定份額，但合資品牌開關(guān)柜可靠性更高。

(6) 價格相對國內(nèi)品牌較高。

6 改造方案及比選

6.1 方案一

將全廠6段10 kV配電段的工作進線開關(guān)及PT、備用進線開關(guān)及PT全部更換為進口開關(guān)柜和進口斷路器；綜保裝置全部更換為國內(nèi)技術(shù)成熟的產(chǎn)品，如東大金智、南瑞繼保、北京四方等的產(chǎn)品。

(1) 優(yōu)點：總投資少，改造工期短，增強了涉網(wǎng)設(shè)備可靠性。

(2) 缺點：改造不全面，未改造開關(guān)仍存在隱患，影響機組安全可靠運行。

(3) 工期：單個10 kV配電段停電后，需10天工期。考慮機組停運后輔助系統(tǒng)運行情況，單臺機組3個10 kV配電段完成改造要求機組檢修期不低于30天。

6.2 方案二

將全廠6段10 kV配電段內(nèi)所有的開關(guān)柜內(nèi)的真空斷路器、真空接觸器共164臺全部更換；綜保裝置全部更換為國內(nèi)技術(shù)成熟的產(chǎn)品，如東大金智、南瑞繼保、北京四方等的產(chǎn)品。

(1) 優(yōu)點：原開關(guān)柜體保留，只更換開關(guān)本體為進口設(shè)備，較多附屬設(shè)備可利舊。

(2) 缺點：進口斷路器尺寸與現(xiàn)有斷路器尺寸存在偏差，開關(guān)柜體必須進行相應(yīng)改造。但是改造施工難度大且不徹底，開關(guān)與柜體會有公差，存在接觸面發(fā)熱、元器件振動等隱患。改造后還需進行大量試驗工作。

(3) 工期：單個10 kV配電段停電后，需10天工期。考慮機組停運后輔助系統(tǒng)運行情況，單臺機組3個10 kV配電段完成改造要求機組檢修期不低于30天。

6.3 方案三

將全廠6段10 kV配電段內(nèi)所有開關(guān)柜更換為合資品牌的原廠設(shè)備，互感器、真空斷路器(接觸器)用和開關(guān)柜同一品牌的產(chǎn)品；綜保裝置全部更換為國內(nèi)技術(shù)成熟的產(chǎn)品，如東大金智、南瑞繼保、北京四方等的產(chǎn)品。一次設(shè)備改造和二次設(shè)備改造同時進行。

(1) 優(yōu)點：改造徹底，滿足安全性評價及現(xiàn)場可靠性要求，徹底解決現(xiàn)有開關(guān)柜的隱患。

(2) 缺點：改造周期長，施工、調(diào)試、傳動工作量大，改造費用大。

(3) 工期：單個10 kV配電段停電后，需20天工期。考慮機組停運后輔助系統(tǒng)運行情況，單臺機組3個10 kV配電段完成改造要求機組檢修期不低于40天。

6.4 方案四

將全廠6段10 kV配電段內(nèi)所有開關(guān)柜更換為合資品牌的原廠設(shè)備且為最先進的智能開關(guān)柜，斷路器(接觸器)倒閘操作完全遠程操控，由自動化電驅(qū)動完成，代替人工手動操作；綜保裝置全部采用開關(guān)柜廠家自主配套產(chǎn)品。

(1) 優(yōu)點：改造徹底，滿足安全性評價及現(xiàn)場可靠性要求，徹底解決現(xiàn)有開關(guān)柜的隱患。遠方操控倒閘操作，杜絕人員誤操作。

(2) 缺點：改造周期長，施工、調(diào)試、傳動工作量大，改造費用巨大。

(3) 工期：單個10 kV配電段停電后，需20天工期。考慮機組停運后輔助系統(tǒng)運行情況，單臺機組3個10 kV配電段完成改造要求機組檢修期不低于40天。

綜合考慮上述四個方案，結(jié)合生產(chǎn)實際需求和經(jīng)濟性，推薦使用方案三。

7 施工安全

根據(jù)《建設(shè)項目(工程)勞動安全衛(wèi)生監(jiān)察規(guī)定》等有關(guān)規(guī)范、標準的要求，嚴格貫徹“安全第一，預(yù)防為主，綜合治理” 的方針，切實保證施工人員、設(shè)備的安全，應(yīng)對改造過程中的危險因素和防范措施做出詳盡分析和制定。

7.1 危險因素

(1) 高處墜落。

(2) 搬運設(shè)備時因擠壓、碰撞、滑落等造成的人身傷害。

(3) 觸電危害：由于安全措施布置不到位所造成的突然來電、安全距離不足等引起的人身觸電傷害事故。

(4) 電氣短路：短路瞬間產(chǎn)生的熱量會引發(fā)火災(zāi)，巨大的電動力會損壞設(shè)備，嚴重威脅人身和設(shè)備安全。

針對以上因素，應(yīng)從組織措施和技術(shù)措施下手，編制“三措兩案”，切實保障施工人員和設(shè)備的安全。

7.2 防范措施

(1) 檢修工作嚴格執(zhí)行工作票制度。

(2) 倒閘操作嚴格執(zhí)行操作票制度。

(3) 嚴格區(qū)分劃定施工區(qū)域，將改造區(qū)域與帶電設(shè)備做好硬隔離，完善安全措施，確保工作人員不會誤入帶電區(qū)域。

(4) 設(shè)置完善的施工組織機構(gòu)，配備完善的勞動防護用品。

(5) 施工人員、特種作業(yè)人員必須持證上崗，經(jīng)安規(guī)學(xué)習(xí)、考試合格后方可開展工作；具備基本的電氣知識，熟悉作業(yè)指導(dǎo)書，明確檢修任務(wù)和工藝質(zhì)量要求；開工前8 h不得飲酒，工作過程中保持精神狀況良好，聽從工作負責(zé)人統(tǒng)一指揮。

(6) 施工過程中所用工器具應(yīng)齊全，必須是合格產(chǎn)品，且在檢驗有效期內(nèi)，并滿足現(xiàn)場工作條件。

(7) 工作負責(zé)人在每日開工前、收工后應(yīng)召開班前、班后會，對各施工人員進行安全、技術(shù)交底和工作總結(jié)。

(8) 工作負責(zé)人、專責(zé)監(jiān)護人和安全員不在場時，嚴禁開工作業(yè)。

(9) 現(xiàn)場施工必須保持安全、文明、整潔。

(10) 每日開工前，必須檢查安全措施布置是否完善。

(11) 在設(shè)備送電前必須測量絕緣滿足要求。

(12) 吊裝作業(yè)所用的索具、機具必須是合格產(chǎn)品，且無隱患。

(13) 操作人員在使用打磨機具、焊機時應(yīng)正確佩戴防護眼鏡、面罩。

(14) 夜間施工必須配備足夠的照明設(shè)備，施工作業(yè)人員有充足的精神及精力。

8 投資估算與經(jīng)濟評價

(1) 按照方案三，將全廠6段10 kV配電段內(nèi)所有開關(guān)柜(182面)更換為合資品牌的原廠設(shè)備，互感器、真空斷路器(接觸器)采用和開關(guān)柜同一品牌的產(chǎn)品；綜保裝置全部更換為國內(nèi)技術(shù)成熟的產(chǎn)品，如東大金智、南瑞繼保、北京四方等的產(chǎn)品。投資估算見表2。

表2 10 kV開關(guān)柜改造投資估算

(2) 2021年，該廠因開關(guān)柜故障導(dǎo)致機組停運1次，全廠失電1次。按照地區(qū)調(diào)度“非停”考核70萬～130萬元/次，機組“非停”后啟機消耗的燃油、燃煤及電量損失180萬～230萬元/次，10 kV開關(guān)柜改造完成后每年可減少500萬～720萬元損失。

9 結(jié)束語

利用機組檢修機會，施行10 kV開關(guān)柜改造工程，在技術(shù)上和施工上合理可行。10 kV開關(guān)柜改造工程，可顯著提高該電廠10 kV系統(tǒng)電氣設(shè)備的可靠性，從而減少全廠停電、機組停運等事故發(fā)生，降低設(shè)備損壞、少發(fā)電量的經(jīng)濟損失；安全方面，消除了10 kV系統(tǒng)設(shè)備隱患和人身安全隱患，避免了冬季供熱中斷的問題。