黃河龍口水利樞紐電氣一次設(shè)計(jì)

李力偉 梁帥成 李偉博

龍口水利樞紐是黃河北干流托龍段的第2個(gè)梯級(jí)電站,距上游萬(wàn)家寨水利樞紐(180mW×6)25.6km。龍口水電站裝機(jī)5臺(tái),其中4臺(tái)機(jī)組單機(jī)容量為100mW,1臺(tái)機(jī)組單機(jī)容量為20MW,多年平均發(fā)電量13.02億kW?h,發(fā)電設(shè)備年利用小時(shí)數(shù)3100 h。本電站在系統(tǒng)中配合萬(wàn)家寨水利樞紐運(yùn)行,其中400MW裝機(jī)用于晉蒙電網(wǎng)調(diào)峰,在系統(tǒng)中主要擔(dān)負(fù)峰荷。20mW機(jī)組用于非調(diào)峰期間向河道泄放基流,參與系統(tǒng)基荷運(yùn)行。

1 接入系統(tǒng)與主接線方案

龍口水利樞紐與萬(wàn)家寨水利樞紐隸屬于同一建設(shè)管理單位,兩個(gè)項(xiàng)目均系“三方投資、兩側(cè)送電”的建設(shè)管理模式,由水利部、山西、內(nèi)蒙兩省(自治區(qū))投資建設(shè)。電站電力分別送入山西內(nèi)蒙兩省(自治區(qū))。在電站初步設(shè)計(jì)階段,兩省電力設(shè)計(jì)單位就已經(jīng)開(kāi)展了龍口電站的接入系統(tǒng)設(shè)計(jì)工作,但由于接入系統(tǒng)方案涉及到山西內(nèi)蒙兩省(自治區(qū))的國(guó)民經(jīng)濟(jì)發(fā)展規(guī)劃、電網(wǎng)規(guī)劃、股東權(quán)益、地方部門(mén)之間關(guān)系等諸多方面因素,導(dǎo)致從項(xiàng)目初步設(shè)計(jì)階段到最終的實(shí)施階段,接入系統(tǒng)方案發(fā)生多次變化,電站主接線方案也隨之發(fā)生多次變化。

1.1 初步設(shè)計(jì)階段的方案

在水電站初步設(shè)計(jì)階段,經(jīng)過(guò)兩側(cè)電網(wǎng)設(shè)計(jì)單位初步規(guī)劃,龍口水電站的接入系統(tǒng)方案為:1#和2#機(jī)組共200mW容量,通過(guò)2回220kV線路“∏”接入山西電網(wǎng);3#、4#、5#機(jī)組共220mW容量,通過(guò)2回220kV線路 “∏”接入內(nèi)蒙電網(wǎng)。龍口電站接線應(yīng)具備今后兩省電網(wǎng)在此聯(lián)網(wǎng)運(yùn)行的條件,同時(shí)具備兩省電網(wǎng)互相借用機(jī)組運(yùn)行的條件。根據(jù)上述原則,經(jīng)過(guò)技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較后,水電站220kV側(cè)采用雙母線接線,詳見(jiàn)圖1。

電站運(yùn)行初期不裝設(shè)母聯(lián)斷路器,每回進(jìn)出線的2個(gè)母線隔離開(kāi)關(guān)之間設(shè)置閉鎖,兩側(cè)機(jī)組分別接入各自的母線,2條母線類(lèi)似2個(gè)獨(dú)立的單母線方式運(yùn)行。隨著電網(wǎng)發(fā)展,如果兩側(cè)電網(wǎng)要求在龍口電站聯(lián)網(wǎng)運(yùn)行,則可以裝設(shè)母聯(lián)斷路器,最終形成完整的雙母線的接線形式。如果電站需要“借機(jī)”運(yùn)行,可以通過(guò)隔離開(kāi)關(guān)倒閘切換實(shí)現(xiàn)。

圖1 初步設(shè)計(jì)階段主接線圖

1.2 優(yōu)化設(shè)計(jì)方案

水電站初步設(shè)計(jì)完成后,兩省(自治區(qū))電力規(guī)劃部門(mén)也相繼完成了龍口電站接入系統(tǒng)方案的初步設(shè)計(jì)工作。經(jīng)電力主管部門(mén)審定的接入系統(tǒng)方案為:山西側(cè)以1回220kV線路,接入河曲變電站;內(nèi)蒙側(cè)以1回220kV線路接入寧格爾變電站,備用1個(gè)出線間隔。

在此期間,業(yè)主委托北京中水新華國(guó)際工程咨詢(xún)公司召開(kāi)了《黃河龍口水利樞紐工程設(shè)計(jì)優(yōu)化咨詢(xún)會(huì)》,會(huì)議的主要目的是要求盡量簡(jiǎn)化設(shè)計(jì),以節(jié)省投資。會(huì)議中就龍口電站電氣主接線是否考慮 “聯(lián)網(wǎng)” 和“借機(jī)”運(yùn)行的原則進(jìn)行了討論。

兩側(cè)電網(wǎng)雖然有聯(lián)網(wǎng)的意向,但是在兩網(wǎng)的接入系統(tǒng)報(bào)告及審查意見(jiàn)中均未提及此事,可以理解為“聯(lián)網(wǎng)”事宜尚未進(jìn)入實(shí)質(zhì)性操作階段,會(huì)議確定:龍口電站主接線可按照“不聯(lián)網(wǎng)”原則設(shè)計(jì)。

“借機(jī)”運(yùn)行有利于提高電站的經(jīng)濟(jì)效益,對(duì)于業(yè)主單位來(lái)講是件好事,但是由于這種運(yùn)行方式涉及到兩省調(diào)度的協(xié)調(diào)問(wèn)題,在實(shí)際操作上很難實(shí)現(xiàn)。上游萬(wàn)家寨水電站一直在與兩網(wǎng)進(jìn)行這方面的協(xié)調(diào)工作,但是一直未能實(shí)現(xiàn)借機(jī)運(yùn)行。鑒于這種情況會(huì)議確定:龍口電站主接線按照“不借機(jī)”原則設(shè)計(jì)。

根據(jù)會(huì)議確定的 “不借機(jī)、不聯(lián)網(wǎng)”的原則,設(shè)計(jì)條件和要求發(fā)生了變化。龍口電站220kV開(kāi)關(guān)站可按照 “一廠兩站”的模式設(shè)計(jì),即山西側(cè)和內(nèi)蒙側(cè)各設(shè)置獨(dú)立的單母線接線,見(jiàn)圖2。

1.3 主接線實(shí)施方案

圖2 優(yōu)化設(shè)計(jì)主接線圖

工程進(jìn)入實(shí)施階段后,山西側(cè)送出線路的設(shè)計(jì)、審批工作進(jìn)展的較為順利,送出工程的完工時(shí)間與首臺(tái)機(jī)組發(fā)電的時(shí)間相吻合。

而內(nèi)蒙側(cè)電力需求增長(zhǎng)速度放緩,電網(wǎng)調(diào)整了發(fā)展布局,龍口送出線路建設(shè)項(xiàng)目被暫時(shí)擱置。龍口建管局緊急與山西電網(wǎng)協(xié)商后,山西側(cè)電網(wǎng)同意在一定時(shí)限內(nèi),龍口電站全部機(jī)組可以接入山西側(cè)電網(wǎng)運(yùn)行,待內(nèi)蒙側(cè)送出線路建成后仍然按照審定的接入系統(tǒng)方案運(yùn)行。鑒于這種情況,龍口電站220kV接線又必須進(jìn)行調(diào)整,在原有的2段母線之間加裝了隔離開(kāi)關(guān)。龍口建管局考慮到即使內(nèi)蒙側(cè)送出線路建成后,地區(qū)電力需求在短時(shí)間內(nèi)也很難吸納龍口所屬機(jī)組的全部電力,擔(dān)心電站效益受損,因此希望主接線能夠?qū)崿F(xiàn)內(nèi)蒙側(cè)機(jī)組“借機(jī)”至山西電網(wǎng)運(yùn)行的功能。經(jīng)過(guò)綜合考慮后,主接線修改為圖3形式。

圖3 實(shí)施方案主接線圖

目前,電站5臺(tái)機(jī)組均接入山西電網(wǎng)運(yùn)行,業(yè)主單位正在積極促成內(nèi)蒙側(cè)送出工程的建設(shè)。

1.4 廠用電接線

龍口電站的廠用電電源考慮3種方式引接:(1)發(fā)變單元的分支線上引接,由本站機(jī)組供電;(2)主變壓器倒送廠用電;(3)從永臨結(jié)合的施工變電站引接廠用電的事故備用電源。

電站廠用電系統(tǒng)供電范圍不大,故采用一級(jí)電壓供電并采用自用電和公用電混合供電方式。考慮到樞紐可能采用“一廠兩站”運(yùn)行模式,盡量考慮將廠用電系統(tǒng)的用電負(fù)荷根據(jù)機(jī)組段劃分為山西側(cè)供電區(qū)和內(nèi)蒙側(cè)供電區(qū)。電站共設(shè)置3組廠用變壓器,其中41B、42B廠用變壓器分別引接自1#、3#機(jī)組的發(fā)電機(jī)端,作為2個(gè)區(qū)域的主供電電源。43B廠用變壓器作為備用電源使用,44B作為43B的備用。

2 主要電氣設(shè)備選擇

龍口電站主要電氣設(shè)備均采用國(guó)內(nèi)成熟產(chǎn)品,主要設(shè)備的參數(shù)如下:

(1)水輪發(fā)電機(jī)

(2)發(fā)電機(jī)電壓成套封閉母線設(shè)備

(3)發(fā)電機(jī)斷路器

(4)主變壓器

(5)高壓電纜

金屬護(hù)層允許最大單相接地短路電流(3s)/kA 54.854.8電纜路徑高差/m 2020金屬護(hù)層接地方式 金屬護(hù)套一端直接接地,一端保護(hù)接地敷設(shè)方式 在電纜廊道內(nèi)空氣中敷設(shè),品字形布置

(6)220kV配電裝置

(7)廠用變壓器

3 主要電氣設(shè)備布置

1#～4#機(jī)組發(fā)電機(jī)主引出線采用離相式封閉母線,分別從發(fā)電機(jī)風(fēng)罩引至主廠房下游側(cè)的機(jī)壓配電室內(nèi)。發(fā)電機(jī)斷路器、PT柜及勵(lì)磁變壓器、廠用變壓器等均布置在該配電室內(nèi)。5#機(jī)組的主引出線采用共箱式封閉母線,機(jī)壓配電裝置采用12kV金屬鎧裝中置柜,布置在5#機(jī)下游的5#機(jī)組機(jī)壓配電室內(nèi)。

電站四大一小5臺(tái)主變壓器從左至右依次布置在尾水平臺(tái)上,相臨2臺(tái)主變壓器外廓間的距離為22m。主變壓器可以通過(guò)搬運(yùn)軌道運(yùn)至廠房安裝間進(jìn)行檢修和維護(hù)。

變壓器中性點(diǎn)隔離開(kāi)關(guān),避雷器及放電間隙等設(shè)備就近布置在主變壓器旁邊。

主變高壓側(cè)通過(guò)軟導(dǎo)線與220kV電纜戶(hù)外終端連接,220kV電纜沿尾水平臺(tái)下的高壓電纜廊道敷設(shè)進(jìn)入到GIS室下電纜夾層,通過(guò)SF6終端與GIS設(shè)備連接。

關(guān)于220kV GIS開(kāi)關(guān)站的布置,在工程初步設(shè)計(jì)階段重點(diǎn)對(duì)尾水平臺(tái)和左岸廠前區(qū)2個(gè)方案進(jìn)行了技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較。尾水平臺(tái)方案采用SF6油氣套管連接GIS與主變壓器,布置更緊湊,投資略少,但是尾水平臺(tái)振動(dòng)問(wèn)題對(duì)GIS設(shè)備的長(zhǎng)期安全運(yùn)行存在不利影響;廠前區(qū)方案采用高壓電纜連接GIS與主變壓器,投資較尾水平臺(tái)方案略多,但是避免了振動(dòng)問(wèn)題帶來(lái)的不利影響。最終采用了GIS布置在左岸場(chǎng)前區(qū)內(nèi)的方案。

4 過(guò)電壓保護(hù)及接地

4.1 過(guò)電壓保護(hù)裝置

(1)為防止靜電耦合過(guò)電壓危及主變低壓側(cè)線圈絕緣,在發(fā)電機(jī)電壓母線處設(shè)置氧化鋅避雷器。

(2)220kV GIS兩條母線及送出線路入口處,裝設(shè)220kV氧化鋅避雷器。

(3)主變壓器高壓套管與220kV電纜終端頭之間設(shè)置氧化鋅避雷器。

(4)主變壓器中性點(diǎn)采用隔離開(kāi)關(guān)接地,并聯(lián)裝設(shè)氧化鋅避雷器。

(5)5#發(fā)電機(jī)斷路器柜內(nèi)裝有過(guò)電壓保護(hù)器及阻容吸收裝置。

(6)消防加壓泵房及生活區(qū)等近區(qū)供電,設(shè)置隔離變壓器供電。

4.2 直擊雷保護(hù)裝置配置

(1)開(kāi)關(guān)站出線側(cè)以避雷線為主要保護(hù)。

(2)樞紐所有建筑物均按規(guī)范要求進(jìn)行防雷保護(hù),建筑物頂部設(shè)置避雷帶。

4.3 接地

(1)設(shè)計(jì)中主要采用設(shè)置人工接地網(wǎng)來(lái)降低接地電阻,在電站壩段上游基巖上明敷水下接地網(wǎng),電站壩段下游側(cè)沿尾水護(hù)坦內(nèi)設(shè)置水下接地網(wǎng),底孔壩段下游護(hù)坦內(nèi)設(shè)置水下接地網(wǎng)。

(2)220kV高壓電纜廊道、GIS室、GIS室下電纜夾層、GIS室屋頂出線場(chǎng)地以及尾水平臺(tái)設(shè)置均壓網(wǎng),均壓網(wǎng)采用長(zhǎng)條網(wǎng)孔,均壓帶間距3 m,并間隔30m左右設(shè)置跨條。

(3)主副廠房各層均設(shè)置了用于設(shè)備接地的環(huán)形接地體,并間隔30m左右設(shè)置跨條。廠內(nèi)所有電氣設(shè)備均按要求接地,電纜橋架、支架等通過(guò)貫通接地扁鋼連接。

(4)充分利用閘門(mén)槽、軌道等自然接地體。

電站總體接地電阻經(jīng)實(shí)測(cè)后為0.11Ω,達(dá)到了設(shè)計(jì)要求的小于0.4Ω要求。