澎水水電站電氣一次改造設(shè)計(jì)與分析

包曉暉，柯慕嵐

(1.福建水利電力職業(yè)技術(shù)學(xué)院，福建 永安 36600；2.福建省漳浦縣澎水水庫(kù)管理處，福建 漳浦 363200)

1 澎水水庫(kù)電站電氣改造的必要性

澎水水庫(kù)位于福建省漳浦縣石榴鎮(zhèn)盤(pán)龍村境內(nèi)，處澎水溪中游，是以發(fā)電為主，結(jié)合防洪、灌溉、漁業(yè)等綜合利用工程。電站于1993的11月并網(wǎng)發(fā)電運(yùn)行，是當(dāng)時(shí)福建省水頭最高的電站(平均發(fā)電水頭446m)，目前總裝機(jī)2×3 200kW+1×2 000kW，年均發(fā)電量2 200萬(wàn)kW·h。

該電站自投運(yùn)后，進(jìn)行過(guò)兩次引水工程的擴(kuò)容技改，第一次是1997年的東線引水工程，第二次是2004年的北線引水工程。另外在1999年擴(kuò)建增容電站，并與原電站在電氣主接線中形成聯(lián)系。目前，該電站陳舊的電氣設(shè)備及其附屬設(shè)施、老化的設(shè)備部件，以及電站兩期工程之間的不協(xié)調(diào)、不配套，不能滿足供電可靠性和發(fā)電效益與安全，主要集中在以下幾方面：

(1)兩期工程分別投入的1號(hào)主變(SF9-8000/35)與2號(hào)主變(S9-2500/35)型號(hào)、容量、性能差異過(guò)大，不滿足并列運(yùn)行的要求。尤其是因兩主變?nèi)萘勘瘸^(guò)3∶1，阻抗電壓百分?jǐn)?shù)為6.5∶10.5，負(fù)荷分配極不平衡，運(yùn)行很不經(jīng)濟(jì)。同時(shí)，當(dāng)1號(hào)主變事故檢修時(shí)，2號(hào)主變將起不到備用的作用。

(2)斷路器均為油斷路器，其中6.3kV側(cè)為SN10型，35kV側(cè)一期為DW6型，二期為SN10-35。這些油斷路器部件嚴(yán)重老化、變形，漏油點(diǎn)較多。所配電磁式操作機(jī)構(gòu)，可靠性差、型號(hào)陳舊、備品備件不易購(gòu)買(mǎi)，維護(hù)難度大，且不能滿足“無(wú)油化”的要求。

(3) 6.3kV主母線相連接的兩段分別為L(zhǎng)MY-80×6 和LMY-40×5型號(hào)，而兩期工程共3臺(tái)機(jī)的最大持續(xù)工作電流達(dá)1 010A，這對(duì)于兩段母線而言均為滿載流量或過(guò)載流量工作，運(yùn)行可靠性、穩(wěn)定性嚴(yán)重不足。

(4)主變高、低壓側(cè)接線形式均為單母線接線，且兩臺(tái)主變低壓進(jìn)線均未設(shè)斷路器，可靠性和操作靈活性明顯不高。且10kV庫(kù)區(qū)線引自35kV線路外側(cè)，可靠性不足，電能損耗大。

(5)35kV側(cè)的配電裝置既有戶內(nèi)式，又有戶外式，產(chǎn)品型號(hào)混亂、輔助設(shè)施多配，聯(lián)系電纜浪費(fèi)，運(yùn)行維護(hù)不便。

為了改變電氣系統(tǒng)與設(shè)備陳舊老化的現(xiàn)狀，提高電站發(fā)電可靠性與效益，增加水庫(kù)的調(diào)控能力，澎水水庫(kù)電站電氣部分改造勢(shì)在必行。

2 改造設(shè)計(jì)的主要原則與規(guī)模范圍

以遵循國(guó)家及行業(yè)部門(mén)的有關(guān)規(guī)程規(guī)范，因地制宜，加快工程建設(shè)，降低工程造價(jià)，提高經(jīng)濟(jì)效益為宗旨進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。

2.1 可行性原則

即改造設(shè)計(jì)應(yīng)緊密結(jié)合和妥善處理本電站的不可變更或不宜變更的制約條件，而不應(yīng)該單純追求技術(shù)指標(biāo)，不應(yīng)脫離原電站工程的實(shí)際情況，不應(yīng)進(jìn)行理想化的設(shè)計(jì)，更應(yīng)該注意設(shè)計(jì)方案不應(yīng)與國(guó)家的政策法規(guī)及電力系統(tǒng)的有關(guān)技術(shù)規(guī)范相違背。

2.2 科學(xué)性原則

即在不違背可行性的基礎(chǔ)上，盡可能地體現(xiàn)當(dāng)前電力系統(tǒng)的新水平，尤其是要運(yùn)用新的設(shè)計(jì)理念分析解決原電站的實(shí)際不足，要優(yōu)先選用一個(gè)性能先進(jìn)、運(yùn)行可靠的電氣主接線方案，并推薦使用新技術(shù)、新設(shè)備。

2.3 經(jīng)濟(jì)性原則

在有限的投資情況下，主接線力求簡(jiǎn)單，節(jié)省斷路器、隔離開(kāi)關(guān)等一次設(shè)備的投資；經(jīng)濟(jì)合理地選擇主變型式，避免增加電能損失；力求系統(tǒng)安全運(yùn)行可靠化，盡量增加年發(fā)電量，提高水電站的經(jīng)濟(jì)效益。

另外，對(duì)待電站本身的某些特殊問(wèn)題允許采用特殊的辦法處理。

水電站改造設(shè)計(jì)不同于一般的初步設(shè)計(jì)和技術(shù)施工設(shè)計(jì)，其電氣一次部分的設(shè)計(jì)主要應(yīng)包括：對(duì)原有的主接線方案進(jìn)行論證與修改；根據(jù)新擬訂的主接線方案調(diào)整廠用電引接方式和接線方式；短路電流計(jì)算，對(duì)于小型水電站的技改一般變化不大；根據(jù)原電氣設(shè)備的技術(shù)應(yīng)用情況恰如其分地選擇新型替代產(chǎn)品；改造設(shè)計(jì)高壓開(kāi)關(guān)柜的配置接線圖(訂貨圖)與屋內(nèi)外配電裝置布置圖等。另外也應(yīng)該對(duì)上述改造內(nèi)容的電氣二次、土建、通信及相關(guān)的照明、防雷接地、給排水、暖通等進(jìn)行對(duì)應(yīng)改造設(shè)計(jì)，但一般除電氣二次部分外不做太大程度的改造。

3 電氣主接線改造

3.1 電氣主接線

改造設(shè)計(jì)主接線方案如圖1所示。發(fā)電機(jī)與主變的聯(lián)結(jié)方式由1個(gè)擴(kuò)大單元接線和1個(gè)單元接線組成：1號(hào)、2號(hào)發(fā)電機(jī)組(1G、2G)與1號(hào)主變(1TM8000kVA)組成1個(gè)“兩機(jī)一變”的擴(kuò)大單元；3號(hào)發(fā)電機(jī)組(3G)與2號(hào)主變(2TM4000kVA)組成1個(gè)“發(fā)-變”單元。發(fā)電機(jī)電壓6.3kV側(cè)共有1WBL、2WBL及3WBL三段母線：1號(hào)、2號(hào)發(fā)電機(jī)聯(lián)結(jié)1WBL母線，3號(hào)發(fā)電機(jī)聯(lián)結(jié)2WBL母線，庫(kù)區(qū)負(fù)荷與近區(qū)負(fù)荷采用10kV供電，由3WBL母線向庫(kù)區(qū)變61TA、近區(qū)變62TA供電。主變35kV升壓側(cè)接線則為二進(jìn)二出的外橋接線。

3.2 優(yōu)越性

該主接線方案的明顯優(yōu)越性：

(1)運(yùn)行的安全性和靈活性：在不同運(yùn)行方式下均能適應(yīng)并快速投退；

(2)適用性：主變高壓側(cè)采用外橋接線，符合該電站遠(yuǎn)離電網(wǎng)、線路長(zhǎng)、投切不便的實(shí)際；同時(shí)，由于起增容作用的3號(hào)發(fā)電機(jī)因主要工作于雨季，因此不存在2號(hào)主變長(zhǎng)期低效率、高損耗的問(wèn)題。

(3)經(jīng)濟(jì)性：高壓側(cè)橋式接線比原單母線接線節(jié)省了1臺(tái)斷路器，機(jī)端接線也比原單母線接線少用2臺(tái)斷路器；近區(qū)線、庫(kù)區(qū)線采用10kV供電也更可靠、更減少損耗，其電源直接引自機(jī)壓側(cè)，減少了原方案中經(jīng)過(guò)主變升壓再降壓這一反復(fù)過(guò)程，運(yùn)行亦更為經(jīng)濟(jì)。

圖1 改造后的電氣主接線

3.3 主接線運(yùn)行方式

第一種正常運(yùn)行方式：1～3號(hào)機(jī)組發(fā)電，2臺(tái)主變均可投運(yùn)，此時(shí)應(yīng)分別以“發(fā)-變”單元及“兩機(jī)一變”擴(kuò)大單元接線方式運(yùn)行。6.3kV的3WBL母線可以投向1WBL母線或2WBL母線中的任一段。這應(yīng)是本電站運(yùn)行中最常用的基本接線方式。當(dāng)3臺(tái)機(jī)組同時(shí)發(fā)電及2臺(tái)主變都投運(yùn)時(shí)，嚴(yán)禁將1WBL、2WBL及3WBL三段母線并聯(lián)，使6.3kV側(cè)變成單母線接線的運(yùn)行方式。

第二種允許的運(yùn)行方式：當(dāng)1號(hào)主變發(fā)生故障或檢修退出運(yùn)行，需要1號(hào)或2號(hào)機(jī)發(fā)電時(shí)，可以連通1WBL、2WBL及3WBL三段母線，通過(guò)2號(hào)主變將1號(hào)或2號(hào)發(fā)電機(jī)中的1臺(tái)機(jī)組的電能送出。

第三種允許的運(yùn)行方式：當(dāng)2號(hào)主變發(fā)生故障或檢修退出運(yùn)行，3號(hào)機(jī)需要發(fā)電時(shí)，可以連通1WBL、2WBL及3WBL三段母線，此時(shí)僅允許1號(hào)或2號(hào)發(fā)電機(jī)組中的1臺(tái)發(fā)電機(jī)組與3號(hào)機(jī)并聯(lián)運(yùn)行。

4 廠用電設(shè)計(jì)

澎水水電站廠房?jī)?nèi)共設(shè)有2臺(tái)廠用變壓器，廠用電源分別由機(jī)端1WBL和35kV側(cè)的橋接點(diǎn)處取得；當(dāng)全廠停機(jī)時(shí)，廠用電可以從35kV系統(tǒng)或從庫(kù)區(qū)備用電源取得。通過(guò)對(duì)本站3臺(tái)臥式水輪發(fā)電機(jī)組及其附屬設(shè)備的自用電和公用電負(fù)荷進(jìn)行統(tǒng)計(jì)及分析，選用SC9-100/6為1號(hào)廠用變壓器(41TA)，選SC9-160/35為2號(hào)廠用變壓器(42TA)，兩者均帶保護(hù)外殼、溫控裝置和風(fēng)扇。2臺(tái)廠變互為冷備用，不允許并列運(yùn)行，其單臺(tái)容量可滿足最大負(fù)荷及自起動(dòng)壓降要求。

廠用電0.4kV接線為單母線斷路器分段，設(shè)有備用電源自動(dòng)投入裝置。正常時(shí)41TA帶I段母線上的廠用負(fù)荷，42TA帶Ⅱ段母線上的負(fù)荷，Ⅰ、Ⅱ段母線分段聯(lián)絡(luò)斷路器斷開(kāi)運(yùn)行。當(dāng)其中1臺(tái)廠變發(fā)生故障時(shí)，故障廠變低壓側(cè)斷路器跳閘，備用自投裝置動(dòng)作，聯(lián)絡(luò)斷路器自動(dòng)合閘，切換至另1臺(tái)廠變供給全部廠用負(fù)荷。

5 主要一次設(shè)備選擇

5.1 主變壓器選擇

澎水水電站原主變壓器型號(hào)為SF9-8000/35(1號(hào)主變)與S9-2500/35(2號(hào)主變)。1號(hào)主變?yōu)楦邠p耗變壓器，屬淘汰產(chǎn)品，且電站改造前兩主變?nèi)萘?、阻抗百分?jǐn)?shù)相差太大，不宜并列運(yùn)行?？紤]以上因素，主變壓器更換為兩臺(tái)S9型低損耗銅芯變壓器，型號(hào)為S9-8000/35與S9-4000/35。該型變壓器采用新材料、新結(jié)構(gòu)和新工藝制造，與老型號(hào)變壓器相比，空載損耗可降低41.5%左右，短路損耗降低14.5%左右。本次改造選用的35kV級(jí)空載損耗會(huì)降低38%左右，短路損耗降低16%左右。其它某些電站的改造方式是，如原有變壓器容量足夠，結(jié)合技術(shù)改造，也可將舊變壓器改造為節(jié)能變壓器。

5.2 高壓開(kāi)關(guān)設(shè)備更換

電站原為GG-1A固定式開(kāi)關(guān)柜，其柜內(nèi)所安裝的SN10型少油斷路器和GN8型隔離開(kāi)關(guān)，均為淘汰產(chǎn)品，且沒(méi)有“五防”設(shè)施，需進(jìn)行更換?，F(xiàn)選用XGN-10固定式開(kāi)關(guān)柜，體積小、設(shè)備新、可靠性高，當(dāng)然價(jià)格較高，其主要技術(shù)參數(shù)為：額定電壓12kV，額定電流2 000A，額定短時(shí)耐受電流(4s)20kA，額定峰值耐受電流50kA。同時(shí)，改造方案將斷路器和隔離開(kāi)關(guān)改換為ZN28-10型真空斷路器(選型主要技術(shù)參數(shù)為：最高工作電壓12kV，額定電流3 150A，額定開(kāi)斷電流40kA，額定短時(shí)耐受電流(4s)40kA，額定峰值耐受電流100kA)和GN19-10型隔離開(kāi)關(guān)，并加裝“五防”裝置。該方案可節(jié)省投資12萬(wàn)元，并可減少土建工作量。

5.3 低壓交、直流電源設(shè)備更換

廠用配電盤(pán)采用MNS型抽屜柜。0.4kV母線的2臺(tái)廠用變出線斷路器和母線聯(lián)絡(luò)斷路器為施耐德MT系列框架斷路器，其它饋電回路均選配施耐德NS系列塑殼斷路器。主廠房和副廠房各層、中控室、電纜層、安裝間、尾水閘門(mén)室及高位油箱室均設(shè)有動(dòng)力配電箱和檢修配電箱，供給相關(guān)設(shè)備的運(yùn)行或檢修的動(dòng)力用電。配電箱進(jìn)線及分接開(kāi)關(guān)均選用施耐德的NS系列塑殼斷路器和C65HD系列微型斷路器。

直流電源原為鉛酸蓄電池組，占地大，現(xiàn)更換為免維護(hù)蓄電池柜，容量為100Ah，電壓220V，能夠滿足電站控制合閘及事故照明要求。

另外，本次改造工程的重點(diǎn)主要集中在主接線方案改造和設(shè)備改造上，因此電站的總布置方案、各級(jí)電壓的進(jìn)出線方向和配電裝置的通道、結(jié)構(gòu)與電纜走向基本維持不變。過(guò)電壓保護(hù)與接地、站內(nèi)照明等亦不作過(guò)多改造。但擬將原閥型避雷器FCD型與FZ型按電壓等級(jí)分別更換為氧化鋅避雷器Y5WN-12.7/42型和HY5WZ2-54/134型，其殘壓低、放電時(shí)間極短、保護(hù)性能優(yōu)良、體積小、使用壽命長(zhǎng)，主要技術(shù)參數(shù)符合運(yùn)行工況。

在二次控制保護(hù)系統(tǒng)方面：改造設(shè)計(jì)擬采用微機(jī)保護(hù)和微機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)。微機(jī)監(jiān)控技術(shù)不僅運(yùn)行可靠，還具有微機(jī)監(jiān)控和常規(guī)控制兩套系統(tǒng)，能自動(dòng)測(cè)量水位，并根據(jù)水位調(diào)整出力，實(shí)現(xiàn)優(yōu)化運(yùn)行，增加發(fā)電量。在有條件時(shí)，可實(shí)現(xiàn)對(duì)遠(yuǎn)方監(jiān)測(cè)和控制，實(shí)行梯級(jí)電站聯(lián)合優(yōu)化調(diào)度。微機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)由上位機(jī)、就地控制單元(LCU)、公用設(shè)備就地控制單元(LCU)等組成。

6 結(jié)束語(yǔ)

水電站進(jìn)行技術(shù)改造后，設(shè)備的性能大大改善。由于采用了新技術(shù)、新材料，不僅主變等設(shè)備的損耗大為減少，而且設(shè)備事故率大大降低，電站發(fā)電運(yùn)行時(shí)的不安全因素得到徹底改變，檢修周期延長(zhǎng)，檢修費(fèi)用降低，經(jīng)濟(jì)效益明顯改善。