溪洛渡水電站進水口配電設備選擇研究

曹錫楓

(中國水電顧問集團成都勘測設計研究院，四川 成都 610072)

1 前 言

溪洛渡水電站位于四川省雷波縣與云南省永善縣交界的金沙江干流上，電站共裝機18臺，其中左岸地下電站和右岸地下電站各布置9臺單機額定容量為770MW混流式水輪發(fā)電機組，多年平均發(fā)電量572億kW·h。

2 進水口低壓配電接線

根據(jù)溪洛渡電站在系統(tǒng)中地位的重要性，要求進水口具有較高的供電可靠性，廠外樞紐左、右岸低壓配電采用0.4kV供電，單母線分段接線。

3 導體設備選擇

大型水電站具有裝機臺數(shù)多、樞紐布置復雜、供電距離較長、單個配電負荷容量較大的特點。因此，在導體選擇時應引起注意，在設計中應遵循盡量減小供電距離，保證電機啟動端電壓，滿足機械要求的起動轉矩的原則進行設計。

根據(jù)溪洛渡右岸進水口閘頂樞紐布置，右岸進水口閘頂總長275m左右，進水口閘頂最大負荷為：2臺閘頂門機160kW(變頻啟動)、9個進水口液壓啟閉機快速門(每個門由2臺45kW油泵電機Y-△降壓啟動)、其余為檢修、照明等負荷。原配電房布置在右岸進水口閘頂中部13～14號機進水口之間，根據(jù)工程進展和現(xiàn)場實際情況，結合樞紐布置要求，現(xiàn)將閘頂配電和右岸10kV配電中心一起考慮，最大供電距離達到400m左右，導致大容量電機啟動時壓降較大，通過在不同運行工況和啟動組合方式下計算導體壓降，選擇滿足電機啟動壓降的導體。

3.1 配電變壓器容量計算

根據(jù)進水口負荷容量較大，運行頻率較低，同時運行率低的特點，按照DL/T 5164—2002《水力發(fā)電廠廠用電設計規(guī)程》中綜合系數(shù)法、負荷統(tǒng)計法計算的同時，并參照水電站手冊第三節(jié)—廠用變容量選擇中軸功率作精確計算，通過以下不同工況運行的幾種方法計算比較，選取合適的配電變壓器容量。

3.1.1 綜合系數(shù)法和負荷統(tǒng)計法

進水口負荷統(tǒng)計見表1：

正常運行情況下：作為兩臺互為備用的配電變壓器，每臺配電變壓器的額定容量應滿足所有Ⅰ、Ⅱ類負荷或短時滿足配電最大負荷的需要。最大負荷按每臺變壓器分別各帶二個液壓啟閉機快速門同時啟門工作。

根據(jù)DL/T 5164—2002《水力發(fā)電廠廠用電設計規(guī)程》：

B.1 綜合系數(shù)法

B.1.2 全廠廠用電負荷或全廠公用電與機組自用電混合供電時：

Sjs=Ko∑Po

(B.2)

式中Ko——全廠或混合供電時廠用電負荷的

綜合系數(shù)，取值見表B.1，本配電

系統(tǒng)負荷綜合系數(shù)取0.78；

∑Po——所有同時參加最大負荷運行時負荷的額定功率的總和，kW。

表1 進水口負荷統(tǒng)計

Sjs=Ko∑Po=0.78×612.6=478(kVA)

B.2 負荷統(tǒng)計法。負荷統(tǒng)計法計算式為：

(B.4)

式中Kv——廠用電系統(tǒng)網(wǎng)損率，取1.05；

Kfg——全廠公用電負荷率，取0.72～0.74，廠用電負荷中電熱負荷較大時取大值，反之取小值；

Ktg——全廠公用電同時率，取0.73；

∑Pg——所有同時參加最大負荷運行的全廠公用負荷額定有功功率的總和，kW；

∑Qg——所有同時參加最大負荷運行的全廠公用電負荷額定無功功率的總和，kvar；

3.1.2 軸功率法

單臺電動機的負荷率選取原則：

(1)GB 50055-93《通用用電設備配電設計規(guī)范》第2.2.3條電動機額定功率的選擇，在選擇電動機額定功率時，根據(jù)機械的類型和重要性，應計入適當?shù)膬湎禂?shù)(見表2)。

(2)根據(jù)《電力工程電氣設計手冊》電動機容量選擇：

Pe≥K×Kt×Kh×Pz

式中Pe——電動機額定功率：

Pz——機械需要軸功率；

K——機械儲備系數(shù)；

Kt——溫度修正系數(shù)；

Kh——海拔修正系數(shù)。

表2 機械儲備系數(shù)

對液壓啟閉機Y系列45kW電機，儲備系數(shù)取1.15～1.2，其倒數(shù)1/1.15=0.87為該設備的負荷率。(廠家提交資料：液壓啟閉機實際功率為37kW，供貨電機為45kW，基本滿足0.8倍的負荷率)。

根據(jù)DL-T 5164-2002《水力發(fā)電廠廠用電設計規(guī)程》第7.2.2條文說明：一般啟閉機電動機選擇規(guī)范中要求，電動機容量和機械需要容量誤差不大于5%；(DL-T 5167-2002水電水利工程啟閉機設計規(guī)范附錄H)(油泵電動機組計算系統(tǒng)壓力損失5%～10%，系統(tǒng)泄漏系數(shù)1.1～1.3，其(1.1～1.3)×(1-5%)=1.045～1.235的倒數(shù)即為負荷率：0.95～0.8)。

綜上所述：對液壓啟閉機Y系列單臺電機負荷率取0.9。

事故檢修運行情況下：當一臺變壓器故障，另一臺變壓器帶全部運行負荷?？紤]一個液壓啟閉機門啟動時，在閘頂另一端160kW門機同時檢修吊門的情況，根據(jù)實際參加運行負荷軸功率統(tǒng)計計算變壓器容量(見表3)。

各系數(shù)選取：Kv—廠用電系統(tǒng)網(wǎng)損率，取1.05；Kfg—負荷率，取0.9；Ktg—同時率為1。

結論：通過以上分析計算，在進水口部位負荷同時工作概率較小的情況下，采用軸功率計算較為精確，經計算選用二臺SCB10-630/10配電變壓器。

3.2 配電出線回路額定電流、電纜截面、空氣開關脫扣電流選擇計算

低壓動力電纜有ZR-VV型和ZR-YJV兩大類進行選擇，從節(jié)約電纜投資出發(fā)，對小容量負荷，導體選擇截面小于185mm2的電纜，選用最高工作溫度不超過70℃的ZR-VV型電纜；對大容量負荷，導體選擇截面大于185mm2的電纜，選用最高工作溫度不超過90℃的ZR-YJV型電纜。由于進水口門機的電纜較長，電纜敷設系數(shù)取0.6；其余配電回路電纜敷設系數(shù)取0.7，各負荷選擇計算見表4：

3.3 電機啟動電機端電壓計算

水電站電動機設備啟動可分為三大類：直接啟動、降壓啟動、軟啟動、變頻啟動，各類電機繞組接線形式和啟動特點見表5。

表5 各類電機繞組接線形式和啟動特點

通過以上列表分析，單臺電動機啟動電流倍數(shù)kq的選取原則如下：

(1) 鼠籠式直接啟動：采用全壓啟動，回路設備簡單，可靠性相對提高，適合Y型或YZ型鼠籠電機。(Kq=5.5～7)

(2) 鼠籠式Y-△降壓啟動：當負載對電動機啟動力矩無嚴格要求，又要限制電動機啟動電流，且電機滿足380V的Y接線條件才能采用降壓啟動，啟動電流只有全電壓啟動電流的1/3，但啟動力矩也只有全電壓啟動力矩的1/3。(Kq=2.5)

(3) 軟啟動：當采用軟啟動方式啟動時，通過軟啟動裝置給定初始電壓和啟動時間進行調節(jié)初始轉矩，控制啟動電流在2～4.5倍電動機額定電流以內。(Kq=2～4.5)

(4) 變頻啟動：當采用變頻方式啟動時，可以平滑地起動(起動時間變長)，起動電流為額定電流的1.2～1.5倍，起動轉矩為70%～120%額定轉矩；對于帶有轉矩自動增強功能的變頻器，起動轉矩為100%以上，可以帶全負載起動。(Kq=1.5)

針對溪洛渡電站金屬結構設備訂貨的技術協(xié)議，進水口液壓啟閉機和閘頂門機的電機選取如下：

進水口液壓啟閉機：液壓啟閉機屬輕載啟動，電機選取45kW的Y型鼠籠電機，采用Y-△降壓啟動，效驗計算啟動電流倍數(shù)按Kq=3取值。

閘頂門機：閘頂門機屬重載啟動，電機選用YZP-160鼠籠電機，采用變頻方式啟動，效驗計算啟動電流倍數(shù)按Kq=2.5取值。

根據(jù)DL/T 5164—2002《水力發(fā)電廠廠用電設計規(guī)程》附錄D計算電動機啟動電壓：

(1) 最大一臺門機160kW變頻啟動時的端電壓計算見表6、7：

a.電纜接線方式一(接線簡圖見圖1)(選1根ZR-YJV-3×300+1×150)。

圖1 電纜接線方式一的接線簡圖

b.電纜接線方式二(接線簡圖見圖2)(選2根ZR-VV-3×185+1×95)。

(2) 每個進水口液壓啟閉機(2臺×45kW)控制箱采用二根ZR-VV-3×185+1×95電纜分別

圖2 電纜接線方式二的接線簡圖

1啟動時廠用高壓母線電壓標么值式中 U1?———啟動時高壓母線電壓標么值Snb1———高壓廠用變壓器額定容量2 500kVAUZ1———高壓廠用變壓器的阻抗電壓8%S1———擔負自啟動的高壓母線上在自啟動以前已接有的計算負荷(kVA),初估計1 000kVAIq2———接于低壓母線上的自啟動電動機啟動電流Kqd=2.5(變頻啟動效驗)U1?=1.051+S1+3×0.38×lq2Snb1×UZ1U1?=1.051+1 000+3×0.38×2.5倍×2972 500×0.08U1?=1.051+1 000+4892 500×0.08U1?=1.0022啟動時低壓母線電壓式中 U2?———啟動時低壓母線電壓標么值Sqd=3UndIq2Iq2=Kqd·IndUnd=0.38kVKqd=2.5(變頻啟動效驗)S2———啟動前廠用低壓母線上已帶負荷(kVA);取200kVAPnd———啟動時電動機的額定容量160(kW)Snb2———低壓廠用變壓器額定容量630kVAUZ2———低壓廠用變壓器的阻抗電壓4%U2?=U1?1+S2+3×0.38×lq2Snb2×UZ2U2?=1.0021+200+3×0.38×2.5倍×297630×0.04U2?=1.0021+200+489630×0.04U2?=0.963啟動時電動機的端電壓式中 Ud?———電動機啟動時端電壓標么值Iq2———電動機的啟動電流(A)rl、xl———導線單位長度的電阻、電抗(Ω/km)L———導線長度0.4(km)cosφd———電動機啟動時的功率因數(shù),鼠籠式取0.35,繞線式取0.5～0.65Und———電動機的額定電壓(kV),取0.38kVUd?=U2?1+3lq2(rlcosφd+xlsinφd)LUndUd?=0.961+3×2.5倍×297(0.095×0.35+0.077×0.94)×0.4380Ud?=0.961+3×2.5倍×297×0.105 63×0.4380Ud?=0.839=83.9%<85%(不合格)

表7 160kW變頻啟動時的端電壓計算(接線方式二)

接于低壓兩段主母線(接線簡圖見圖3)。當一臺變壓器啟動二個進水口液壓啟閉機，效驗4臺電機同時啟動的端電壓計算見表8(由于控制箱距電機較近，對該段電纜的壓降忽略不計)。

根據(jù)《水電廠用電規(guī)程》6.6.1條：電動機正常啟動時，所連接母線電壓降應滿足下列要求：

(1)電動機經常啟動，不大于10%；不經常啟動不大于15%。

(2)電動機能保證生產機械要求的啟動轉矩，且在不破壞同一線路及其他用電設備供電的條件下，可不大于20%。

(3)電動機由單獨的變壓器供電且不經常啟動時，應按生產機械要求的啟動轉矩確定，可大于20%。

(4)條文7.2.2條：對于閘門啟閉機電機，一般不宜低于85%額定電壓。

通過以上計算，電纜截面選擇滿足設備啟動壓降的要求。

表8 檢驗4臺電機同時啟動的端電壓值

3.4 變壓器主回路低壓空氣開關開斷電流計算

設高壓側系統(tǒng)為無窮大，電抗值為零。

(1)變壓器低壓側短路時高壓側提供短路容量：

(2)低壓側短路時(>20kW)電機提供短路電流：

(3)低壓側短路時短路電流合計：

圖3 進水口液壓啟閉機接線簡圖

3.5 配電屏主母線和插接母線選擇計算：

運行方式：

按環(huán)境溫度對導體載流量修正后選擇低壓屏母線和插接母線。

當一臺變壓器故障時，另一臺帶全部配電負荷。

水電一次手冊P255：

導體長期允許工作溫度70℃，環(huán)境溫度40℃；

導體載流量修正系數(shù)：

K修正=0.816 1

K豎放=1.0

K平放=0.92(本配電系統(tǒng)插接母線為豎放)。

變壓器低壓側導體計算電流：

查建筑電氣安裝圖集JD50-113：

選TMY-3×(100×8)+1×(100×8)

25℃時載流量為：2 080A。

結論：合格。

3.6 主回路低壓空氣開關脫扣電流和CT變比選擇計算(見表9)

表9 主回路低壓空氣開關脫扣電流和CT變比選擇計算

通過以上分析，對大型電站特殊部位配電變壓器容量選擇宜采用軸功率進行計算，在設計過程中應根據(jù)不同供電部位，了解啟閉機啟動控制運行方式和要求，合理并準確選擇變壓器阻抗電壓和導體截面。