肯斯瓦特水利樞紐水電站電氣主接線方案探討

王衛(wèi)峰 王新峰

（1. 新疆生產(chǎn)建設(shè)兵團勘測規(guī)劃設(shè)計研究院 新疆 烏魯木齊 830002；2. 新疆生產(chǎn)建設(shè)兵團勘測規(guī)劃設(shè)計研究院 新疆 石河子 832000）

1 水電站電氣主接線設(shè)計時的基本原則及特點

在設(shè)計水電站電氣主接線時應(yīng)根據(jù)當?shù)貙嶋H現(xiàn)狀情況，并結(jié)合有關(guān)規(guī)程、規(guī)范遵循以下原則進行：首先應(yīng)滿足電力系統(tǒng)對水電站供電穩(wěn)定性、可靠性要求，即能夠不間斷地（或可用率很高地）向系統(tǒng)送出合格電能；應(yīng)綜合考慮水電站的水文氣象、動能特性、建設(shè)規(guī)模、接入系統(tǒng)設(shè)計、樞紐總體布置、地形和運輸條件、環(huán)境保護、設(shè)備特點等因素；電氣主接線應(yīng)簡單、清晰，便于操作維護運行；電氣主接線應(yīng)具有一定的靈活性，適應(yīng)性；電氣主接線設(shè)計應(yīng)便于實現(xiàn)自動化，工程造價經(jīng)濟、合理；滿足電站初期發(fā)電及最終規(guī)模的運行要求，還應(yīng)考慮便于分期過渡；在可行性研究、初步設(shè)計時根據(jù)電力系統(tǒng)連接的要求和水電站的裝機臺數(shù)，進行電氣主接線方案比較和技術(shù)經(jīng)濟分析論證。

水電站電氣主接線的特點主要有：水電站不同于火電廠，一般一次建成，不擴建；水電站開機程序比較簡單，機組起動迅速，并容易實現(xiàn)自動化；遠離負荷中心，無大的近區(qū)負荷，用升高電壓送電，出線回路少，多為調(diào)峰運行，開停機頻繁；不同于火電廠和降壓變電所，一般不預(yù)留出線回路；水電站廠用負荷較小，一般不從高壓側(cè)引線，備用廠用電源可引自地區(qū)配電網(wǎng)或保留施工變電站來解決；水電站多處于狹小山區(qū)，開關(guān)站一般不作為分配或中轉(zhuǎn)電能的變電站，電氣主接線宜接線簡單清晰；在同一河流上的梯級水電站或地理位置相近的幾個水電站，電站之間既有電的聯(lián)系，又有水的聯(lián)系；水電站電氣主接線設(shè)計時，應(yīng)妥善解決近區(qū)負荷的供電問題；規(guī)模較大的水電站或重要的水庫壩后電站，經(jīng)過論證可設(shè)置專用的發(fā)電機組作為電站事故保安電源。

2 水電站電氣主接線技術(shù)、經(jīng)濟論證

肯斯瓦特水利樞紐工程位于新疆維吾爾自治區(qū)瑪納斯河上，是兵團最大的水利樞紐工程，是兵團農(nóng)八師石河子的重點項目，水庫壩址位于瑪納斯河干流與支流清水河匯合口以下550m處，距下游已建的瑪納斯河一級電站引水渠首2km。距離石河子市78km，距離烏魯木齊市228km。

肯斯瓦特水利樞紐是一座以防洪、灌溉為主，兼顧發(fā)電的大Ⅱ型水利工程，總庫容1.88億m3，控制灌溉面積316.3萬畝，電站裝機100MW，年均發(fā)電量2.703億kWh；工程建成后可將下游防護對象的防洪標準從10年一遇提高到50年一遇。

水電站總裝機容量（1×10+3×30）MW，最大水頭121.67m，最小水頭84.33m，額定水頭95m。裝機容量10MW的機組，單機供水，發(fā)電流量11.86m3/s；裝機容量30MW的機組，單機供水，發(fā)電流量35.18m3/s。電站保證出力為9.0MW，年最大利用小時數(shù)2703小時，年發(fā)電量2.703億kWh。

2.1 水電站電氣主接線設(shè)計時的條件

本電站是壩后式水電站，總裝機（1×10+3×30）MW，為中型水電站，其電氣主接線設(shè)計時應(yīng)滿足以下條件：電站接入系統(tǒng)電壓為110kV電壓等級，110kV出線要求四回，發(fā)電機出口電壓為10.5kV；電站作為調(diào)峰或基荷運行；按無近區(qū)大負荷考慮，發(fā)電機電壓母線無需直配線；電站建成后運行人員生活區(qū)供電和壩區(qū)供電有條件解決，不由廠用電提供。

2.2 水電站發(fā)電機電壓接線選擇

本電站裝機容量為（1×10＋3×30）MW。根據(jù)電站的機組臺數(shù)及裝機容量，機端電壓確定為10.5kV。結(jié)合水力動能特性，電站發(fā)電機側(cè)的接線選擇單母線分段接線、擴大單元接線、單元接線三種接線方案進行分析論證。

方案一：單母線斷路器分段接線。優(yōu)點：運行靈活、可靠，母線可分段運行，減少短路電流；任一段母線檢修或故障，不影響另一段母線運行；采用斷路器分段運行操作方便靈活。缺點：運行維護費用高，電能損耗大，與其它方案比總投資多。

方案二：擴大單元接線。簡單、清晰，與單元接線相比，減少了主變壓器臺數(shù)及其相應(yīng)的高壓設(shè)備數(shù)量，縮小布置場地，節(jié)省投資；減少了主變壓器高壓側(cè)進出線，可簡化布置和高壓側(cè)接線；主變壓器或其對應(yīng)高壓側(cè)設(shè)備故障、檢修，本單元兩臺機組容量受阻；運行維護費用低，電能損耗小，與其它方案比總投資少。

方案三：單元接線。機組與主變壓器數(shù)量相同，對應(yīng)性好，可靠性最高；繼電保護簡單；主變高壓側(cè)進線回路多，布置復(fù)雜，不利于簡化高壓側(cè)的接線形式；主變臺數(shù)及主變高壓側(cè)斷路器數(shù)量多，增加主變及110kV設(shè)備布置場地與設(shè)備投資；運行維護費用最高，電能損耗大，綜合與其它方案比總投資多。

綜上所述，方案二技術(shù)上可行，經(jīng)濟指標優(yōu)越，高壓設(shè)備較少，檢修維護方便，可靠性較高，本階段選定擴大單元接線。

電站的發(fā)電機電壓側(cè)技術(shù)經(jīng)濟比較情況詳見表1。

表1 發(fā)電機電壓接線方案比較

通過表中分析，得出方案三投資最多，方案三使昂貴的110kV高壓斷路器倍增，也增加了升高電壓接線的復(fù)雜性。

從選擇設(shè)備的角度考慮，方案一增大母線的斷路容量。發(fā)電機電壓母線元件過多，也使方案一的可靠性有所降低。

綜合比較，結(jié)合本電站的裝機容量及單機功率，發(fā)電機電壓母線決定采用方案二。

2.3 水電站升高電壓接線選擇

在進行水電站升高電壓的接線比較前，先確定110kV出線主要電氣設(shè)備。110kV配電裝置給出三個方案，即水電站升壓側(cè)主設(shè)備用GIS全封閉組合電器（戶內(nèi)設(shè)備）、GIS全封閉組合電器（戶外設(shè)備）、瓷柱式戶外高壓六氟硫等設(shè)備。

通過方案比較，GIS全封閉組合電器戶內(nèi)布置，占地面積小，抗暴風雪、抗污濁、抗震好運行維護方便。因此，初選采用GIS全封閉組合電器，共七個間隔，包括110kV母線電壓互感器間隔。110kV配電裝置方案詳見表2。

110kV電氣設(shè)備采用GIS全封閉組合電器，在此基礎(chǔ)上GIS配電裝置選擇雙母線接線、單母線接線和單母線分段接線進行三種方案分析比較。

方案一：雙母線接線。優(yōu)點：每一進出線各自接一組斷路器，互不影響。一組母線及所連設(shè)備故障，不影響另一組母線供電，將故障母線所連接回路切換到另一組母線后即可恢復(fù)供電，運行靈活可靠。缺點：增加母線，相應(yīng)增大布置面積，運行維護費用高，電能損耗大，與其它方案比總投資多。

表2 110kV 配電裝置電氣主設(shè)備方案比較表

方案二：單母線接線。優(yōu)點：接線簡單、清晰、設(shè)備較少、操作方便、投資省。缺點：不夠靈活，母線或母線隔離開關(guān)故障或檢修時，均可造成整個配電裝置停電。

方案三：單母線分段接線。優(yōu)點：升高電壓側(cè)采用單母接線，簡明清晰，繼電保護簡單。缺點：斷路器檢修，110kV回路需停電。母線或與母線聯(lián)接設(shè)備檢修，短時全廠停電，分段后一臺主變運行。

綜合比較分析，認為方案三單母線分段接線，簡單清晰，運行靈活，可靠性亦較好，且占地面積較小，造價較低，初選此方案。

電站的升高電壓側(cè)技術(shù)經(jīng)濟比較情況，升高電壓接線比較詳見表3。

表3 升高電壓側(cè)接線方案比較表

綜合比較，認為方案三單母線接線，簡單清晰，運行靈活，可靠性亦較好，且占地面積小，造價低，決定選用。

由于本電站調(diào)峰運行，每天有近一半時間可用于停電維護修理，設(shè)備經(jīng)常處于良好狀態(tài)，使故障機率降至最低。斷路器的大修可利用枯水季節(jié)進行。

3 水電站電氣主接線的確定

根據(jù)上節(jié)對水電站發(fā)電機電壓接線和升高電壓接線的論證分析：

肯斯瓦特水電站最終電氣設(shè)計規(guī)模為：電站共4臺機組，總?cè)萘繛椋?×10+3×30）MW，發(fā)電機出口電壓10.5kV，主變壓器容量（1×50+1×75）MVA，電壓為121/10.5kV。#1機組、#2機組與主變壓器接成擴大單元接線，#3機組、#4機組與主變壓也接成擴大單元接線，110kV側(cè)四回出線與兩臺主變壓器接成單母線分段接線。電站廠用變分別取自二個擴大單元，廠用變?nèi)萘扛鳛?000kVA，電壓為10.5/0.4kV。

水電站主要電氣設(shè)備選擇及價格估算詳見表4。

序號 名 稱 型號和主要技術(shù)參數(shù) 單位 數(shù)量單 價(萬元)估算價格(萬元) 備 注2.11 10kV高壓開關(guān)柜2.12 10kV高壓開關(guān)柜2.13 10kV高壓開關(guān)柜2.14 10kV高壓開關(guān)柜2.15 廠用變壓器柜KYN18-12-50型，1#發(fā)電機電壓互感柜：TV與主機成套；RN2-10，0.5A。KYN18-12-50（改）型，1#發(fā)電機電壓互感柜：JDZXF14-10，(10／√3)／(0.1／√3)／(0.1／√3)／0.1kV；0.2/0.5/6P級；LZZBJ9-10C3Q，1000/5A；RN2-10，0.5A。KYN18-12-50型，2#、3#、4#發(fā)電機電壓互感柜：TV與主機成套；RN2-10，0.5A KYN18-12-50（改）型，2#、3#、4#發(fā)電機電壓互感柜：JDZXF14-10，(10／√3)／(0.1／√3)／(0.1／√3)／0.1kV；LZZBJ9-10C3Q，2500/5A；RN2-10，0.5A XGN2-10型（特制），干式變壓器：容量1000kVA，10.5±2×2.5%/0.4，Ud=4.5%，Dy n11。面 1 6 6 設(shè)備廠家成套特制面 1 6 6 設(shè)備廠家成套特制面 3 6 18 設(shè)備廠家成套特制面 3 6 18 設(shè)備廠家成套特制臺 2 20 40 設(shè)備廠家成套特制二 電氣二次設(shè)備1 微機綜合自動化計算機套 1 230 230 成套自動化2 微機五防模擬系統(tǒng)模擬屏：燈開關(guān)觸摸瑪賽克；弧形，寬：6.4米 高：2.4米，厚0.5米；配套計算機和軟件系統(tǒng)及標配。套 1 20 20 廠家成套三 發(fā)電機組部分1 發(fā)電機組部分 SF10-14/2350型，10MW，10.5kV，COSФ=0.85。臺1660660水輪發(fā)電機組2 發(fā)電機組部分 SF10-22/5000型，30MW，10.5kV，COSФ=0.85。臺316805040水輪發(fā)電機組

4 結(jié) 論

總之，在水電站電氣主接線在設(shè)計時，對于新建、創(chuàng)新的項目應(yīng)多參觀、考察、總結(jié)，應(yīng)該進行多方案技術(shù)、經(jīng)濟論證比較，應(yīng)該多開方案討論會，多聽取合理化意見，要以現(xiàn)有的電氣基礎(chǔ)資料為依據(jù)，實事求是、認真的、細致的進行設(shè)計。

兵團農(nóng)八師石河子肯斯瓦特水利樞紐工程的建成，將實現(xiàn)瑪納斯河水資源的優(yōu)化配置，可使已建的平原水庫和引水、輸水工程充分發(fā)揮工程效益，對已建的平原水庫進行反調(diào)，使山區(qū)水庫發(fā)揮更大的防洪、灌溉、發(fā)電等綜合效益。水電站的建成將為兵團石河子墾區(qū)的電力事業(yè)發(fā)展，發(fā)揮巨大作用。

［1］《電力工程電氣設(shè)計手冊》(第一冊). 水利電力部西北電力院, 2009.

［2］《水電站機電設(shè)計手冊》. 水利出版社,1982.