国产抽水蓄能机组成套开关设备的发展

国产抽水蓄能机组成套开关设备的发展

罗绪

内蒙古呼和浩特抽水蓄能发电有限责任公司  内蒙古呼和浩特市  10010

摘要： 本文通过对抽水蓄能电站的功能需求和国内外产品发展现状进行分析，提出了国产抽水蓄能机组成套开关设备的研发意义和迫切性。文章介绍了抽水蓄能电站的重要性及其与新型能源的协同效应，指出当前我国抽水蓄能电站采用的进口开关设备存在的问题。在此基础上，阐述了研制国产抽水蓄能机组成套开关设备的必要性，为实现国家“双碳”目标提供了坚实的基础。

关键词：抽水蓄能电站；机组成套开关设备；功能需求；发展现状

引言：

随着新能源的快速发展和国家能源结构的调整，抽水蓄能电站作为一种重要的调节电源，扮演着越来越重要的角色。抽水蓄能电站具备多种功能，如调峰、调频、调相、储能、系统备用和黑起动等，是当前技术最成熟、全生命周期减排效果最好且具备大规模开发的主要调节电源。同时，抽水蓄能电站与风电、太阳能发电及核电等新型能源的协同效应十分显著。近年来，我国风电、太阳能发电等新能源的快速发展为抽水蓄能电站的发展提供了契机，同时抽水蓄能电站在全国范围的大规模建设也为国家实现“双碳”目标奠定了坚实的基础。

然而，在抽水蓄能电站的运行中，机组成套开关设备面临一些问题。目前，我国抽水蓄能电站普遍采用进口开关设备，导致采购周期长、采购价格高及售后服务不及时等问题，给电站建设和运维带来一定困扰。为了解决这些问题，国产抽水蓄能机组成套开关设备的研发势在必行。通过国产化的开关设备，不仅可以缩短采购周期、降低采购成本，还能提供及时的售后服务，提高抽水蓄能电站的建设和运行效率。

本论文将从抽水蓄能电站的功能需求和国内外产品发展现状两个方面进行分析，通过对技术参数、结构特点及成套供货能力等几个维度的对比分析，提出研制国产抽水蓄能机组成套开关设备的必要性和前景。这将为抽水蓄能电站的建设和运维提供更好的支持，为实现国家能源转型和可持续发展目标贡献力量。

一、抽水蓄能机组成套开关设备介绍

抽水蓄能机组成套开关设备作为抽水蓄能机组的核心设备，承担抽水发电两种功能，与常规水电站所用的开关设备相比，对电气及机械性能、可靠性和使用寿命等提出了更高要求。抽水蓄能机组成套开关设备接线图如图1所示。

图1 抽水蓄能机组成套开关设备接线图

发电机断路器是抽水蓄能机组中的关键设备，用于承载大电流和开断短路故障，保护电机组和变压器正常运行。起动开关和拖动开关在大型抽水蓄能电站的发电电动机起动过程中发挥作用。常见的起动方式包括静止变频器（SFC）起动和背靠背（BTB）同步起动，通常集成在发电机断路器中以节约空间。相序转换开关实现抽水和发电功能转换，调整母线连接方式切换工况。电气制动开关在机组停机过程中提供制动力矩，帮助发电机减少磨损，提高自动化水平，降低维护工作量。起动母线分段隔离开关少用但需承受大电流，通常立式布置并带接地开关。

二、国外抽水蓄能机组成套开关设备介绍

国外的抽水蓄能机组成套开关设备由几家公司生产，如ABB、AE Power、GE和Siemens等。这些设备适用于复杂的工况，并对技术要求较高。

ABB公司的抽水蓄能机组成套开关设备包括发电机断路器、电气制动开关和相序转换开关等。发电机断路器采用集成起动开关和拖动开关布置方式，以SF6作为绝缘和灭弧介质。相序转换开关采用三相五极结构。然而，ABB公司目前无法提供起动母线分段隔离开关。

AE Power公司能够生产抽水蓄能电站所用的发电机断路器、电气制动开关、起动开关、拖动开关和起动母线分段隔离开关等设备。发电机断路器与起动开关、拖动开关采用分体式布置结构，而起动开关和拖动开关布置在IPB分支母线上。相序转换开关采用三工位结构。电气制动开关有两种结构，一种是以发电机断路器为基础，另一种是将电气制动开关断口封装在封闭母线中。起动母线分段隔离开关采用立式布置结构，并带有接地开关。

其他公司如GE和Siemens也能够生产抽水蓄能机组所用的发电机断路器、电气制动开关和相序转换开关，但在国内抽水蓄能电站中使用较少。这些公司的发电机断路器采用集成起动开关和拖动开关的布置方式，相序转换开关采用三相五极结构。然而，GE公司的发电机断路器和电气制动开关采用SF6作为绝缘和灭弧介质，而Siemens公司采用真空断路器和真空电气制动开关。

三、我国抽水蓄能机组成套开关设备介绍

我国市场上的发电机出口断路器分为真空发电机断路器和SF6发电机断路器两种类型。真空发电机断路器在额定电流和短路开断电流方面有限制，适用于100 MW以下容量的机组。随着火电机组、核电机组、常规水电机组及抽水蓄能电站机组容量的增大，SF6发电机断路器成为主流产品，具有通流能力大和开断能力强的特点。

（1）发电机断路器成套装置

发电机断路器成套装置包括集成式布置和分体式布置。集成式布置将发电机断路器、起动开关、拖动开关和接地开关设置在同一箱体内，而分体式布置将它们单独布置，各自拥有独立的箱体与底架结构。断路器采用SF6作为灭弧与绝缘介质，具备低频开断和励磁电流开断的能力。

（2）起动开关与拖动开关

国产起动开关与拖动开关采用卧式布置结构，以空气作为绝缘介质，并配备电动操作机构。起动开关具备一定的容性电流开断能力。

（3）电气制动开关

电气制动开关采用三相共箱结构，绝缘采用SF6气体和空气混合绝缘，以减少SF6气体的使用量和排放，满足环保要求。

（4）相序转换开关

相序转换开关采用三相五极结构，每个单极配备相序转换开关和接地开关，采用空气绝缘介质，并配备电动操作机构。

（5）起动母线分段隔离开关

起动母线分段隔离开关采用立式结构，具有较高的短时耐受电流和峰值耐受电流。

四、国内外产品对比

(1) 技术路线

西开研制的国产抽水蓄能机组成套开关设备具有以下特点： 1）发电机断路器具有较高的电寿命和额定电流。 2）起动开关具备容性电流开断能力。 3）相序转换开关具有较高的额定电流和峰值耐受电流。 4）开关设备的绝缘水平适用于海拔3000米的要求。

(2) 产品结构

国产发电机断路器提供集成式布置和分体式布置两种方式，根据用户需求和工程实际情况选择。而国外公司只提供一种布置方式。西开研制的发电机断路器安装有压力释放装置，提供更安全可靠的防护措施。当断路器气室内的气体压力超过阈值时，通过此装置释放压力，再加上产品箱体外壳的保护，可以避免对人员造成直接伤害。

(3) 智能监控系统

对高压开关设备实施状态监测和故障诊断对于提高运行可靠性至关重要。美国电力公司已实施了高压开关设备的状态监测，但在发电机断路器监测方面尚无应用。一些公司如ABB开发了对发电机断路器气室压力、温升和机械特性的监测系统，但缺乏诊断分析功能。国内的平高电气、思源电气和山东泰开等公司也开发了开关设备状态监测应用软件，监测参数包括机械特性、气体状态和局部放电等，但在发电机断路器监测方面还没有取得成果。

五、结语

综上所述，在实现“双碳”目标，加快能源绿色低碳转型，构建以新能源为主体的新型电力系统的新形势下，抽水蓄能电站必将迎来快速发展机遇。抽水蓄能机组成套开关设备作为抽水蓄能电站的核心设备，一直以来采用的都是进口设备，成为制约抽水蓄能电站发展的主要因素。随着国产抽水蓄能机组成套开关设备的研制成功，这一问题将会得到逐步改善。

参考文献：

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[3] 我国首台采用四支路技术抽水蓄能机组投入试运行[J]. .水泵技术,2021(06)

[4] 全功率变速抽水蓄能机组快速功率模式小信号建模[J]. 史华勃;王渝红;滕予非;陈刚;孙昕炜;丁理杰.电力系统自动化,2022(04)