甬子溝水利樞紐工程電氣設(shè)計(jì)

馬云燕

(遼寧省丹東市江河流域管理處，遼寧丹東118000)

1 工程概況

甬子溝電站位于寬甸縣石湖溝鄉(xiāng)甬子溝村境內(nèi)的一座小型水力發(fā)電站，最早建于1973年8月，后因技術(shù)條件的限制，機(jī)組的質(zhì)量差，經(jīng)常發(fā)生故障，由于機(jī)組不能滿負(fù)荷運(yùn)行，發(fā)電量滿足不了正常的需求，最多只能達(dá)到160 kW的機(jī)組運(yùn)行，達(dá)不到200 kW的發(fā)電機(jī)組滿負(fù)荷運(yùn)行，攔河壩的價(jià)高，水能的增大，原有的水輪發(fā)電機(jī)的裝機(jī)容量過小，已經(jīng)不能滿足現(xiàn)有的發(fā)電需求，嚴(yán)重影響到當(dāng)?shù)氐哪臧l(fā)電量。

綜合上述甬子溝電站存在的多種原因，原有的水輪發(fā)電機(jī)已不能正常運(yùn)行使用，因此設(shè)備急需更換。本次設(shè)計(jì)總裝機(jī)容量已達(dá)到410 kW，大大提高了年發(fā)電量。

1.1 接入電力系統(tǒng)方式

本水電站總裝機(jī)容量為410 kW，機(jī)組臺(tái)數(shù)為2臺(tái)，一臺(tái)單機(jī)容量為250 kW，另一臺(tái)單機(jī)容量為160 kW。以一回出線“T”接至寬甸縣變電所10 kV的母線上，聯(lián)網(wǎng)線路長(zhǎng)約10 km。

1.2 電氣主接線

本電站總裝機(jī)容量410 kW，裝機(jī)2臺(tái)，一臺(tái)單機(jī)容量為250 kW，另一臺(tái)單機(jī)容量為160 kW，從電站的安全可靠性，靈活性，接線的簡(jiǎn)單、清晰及經(jīng)濟(jì)合理性出發(fā)，電氣主接線擬定兩種方案進(jìn)行比較。

1)方案一:單母線接線

選用一臺(tái)500 kVA主變壓器運(yùn)行，其高壓10 kV側(cè)采用單母線接線，其低壓側(cè)即發(fā)電機(jī)母線電壓0.4 kV側(cè)采用單母線接線，廠用電及樞紐用電負(fù)荷采用400 k發(fā)電機(jī)母線直接引接。

此方案接線簡(jiǎn)單明了，運(yùn)行靈活，操作簡(jiǎn)單，運(yùn)行維護(hù)方便，工作量小，繼電保護(hù)簡(jiǎn)單。不足之處是當(dāng)母線故障或檢修時(shí)，需全廠停電，可靠性及靈活性差。

2)方案二:單母線分段接線

選用一臺(tái)315 kVA及一臺(tái)250 kVA的主變壓器運(yùn)行，其高壓10 kV側(cè)采用單母線接線，其低壓側(cè)即發(fā)電機(jī)母線電壓側(cè)采用0.4 kV單母線分段接線。廠用電及樞紐用電負(fù)荷采用400 k發(fā)電機(jī)母線直接引接。

此方案供電的可靠性及靈活性相對(duì)提高，當(dāng)一段母線故障或檢修時(shí)，將分段斷路器合上，即可保持該段母線所接機(jī)組通過另一段送電，可靠性及靈活性較高，該方案接線簡(jiǎn)單明了，布置緊湊，操作簡(jiǎn)單，方便，運(yùn)行維護(hù)檢修方便，缺點(diǎn)變壓器數(shù)量增多，增加了一次設(shè)備的投資及故障率，且繼電保護(hù)較復(fù)雜[1]。

綜合以上分析，可以看出，本電站屬于中小型水電站，經(jīng)技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較和綜合分析，在技術(shù)可行的前提下，選用安全可靠、運(yùn)行靈活且投資最少的第一方案，作為發(fā)電機(jī)電壓側(cè)接線的推薦方案。再者根據(jù)已往電站運(yùn)行記錄及有關(guān)統(tǒng)計(jì)資料分析，由于所選的高壓開關(guān)柜相當(dāng)安全可靠，故障率極低，基本上母線故障率為零，故推薦方案一。

本電站總裝機(jī)容量410 kW，裝機(jī)2臺(tái)，一臺(tái)單機(jī)容量250 kW，另一臺(tái)單機(jī)容量160 kW，發(fā)電機(jī)機(jī)端電壓均為0.4 kV。經(jīng)1臺(tái)S9－M－630/10型主變壓器升壓至10 kV后由一回送電線路送出，廠用電可接在發(fā)電機(jī)機(jī)端0.4 KV低壓側(cè)[2]。

此方案接線簡(jiǎn)單清晰，設(shè)備較少，運(yùn)行維護(hù)方便，布置簡(jiǎn)單。

1.3 廠用電系統(tǒng)

廠用電系統(tǒng)由3部分組成:

1.3.1 電站自用電

電站廠用電負(fù)荷主要包括吊車、油泵、空壓機(jī)、水泵、照明、電熱、直流、勵(lì)磁及其它控制系統(tǒng)所需用電負(fù)荷等，均為0.4 kV低壓用電負(fù)荷。

1.3.2 樞紐用電

樞紐用電負(fù)荷主要包括電站進(jìn)口啟閉機(jī)室、沖砂閘啟閉機(jī)室及尾水平臺(tái)電動(dòng)葫蘆等。由于本工程樞紐用電負(fù)荷距電站較近，可以滿足低壓供電要求，故樞紐用電負(fù)荷的電源均取自電站廠用電0.4 kV母線[3]。

1.3.3 管理區(qū)用電

由于管理區(qū)布置及規(guī)模尚未確定，可從0.4 kV低壓用電負(fù)考慮。

2 短路電流計(jì)算

2.1 原始數(shù)據(jù)

電力系統(tǒng)參數(shù)由業(yè)主提供。由于主機(jī)生產(chǎn)廠家無法確定，故發(fā)電機(jī)的次暫態(tài)電抗X″d根據(jù)設(shè)計(jì)手冊(cè)提供的參考資料選定，待主機(jī)具體生產(chǎn)廠家確定后，再加以修正。

2.2 短路電流計(jì)算成果

短路點(diǎn)k1、k2的計(jì)算結(jié)果分別為:

1)短路點(diǎn)k1:

t=0s ，I"z=9.342，;t=2s，I"z=8.158;t=4s，I"z=7.655。

2)短路點(diǎn)k2:

t=0s ，I"z=4.340，;t=2s，I"z=2.797;t=4s，I"z=2.723。

3 主要電氣設(shè)備選擇

電站主要電氣設(shè)備的選擇根據(jù)技術(shù)先進(jìn)、運(yùn)行維護(hù)方便和安全可靠的原則進(jìn)行。其電氣參數(shù)均按所在回路額定參數(shù)進(jìn)行選擇，并進(jìn)行短路電流校驗(yàn)。

3.1 66 kV升壓站設(shè)備選擇

1)選用選用SF6型斷路器，其型號(hào)為L(zhǎng)W33—72.5/T 2500—31.5，采用彈簧操作機(jī)滿足技術(shù)要求。

2)選用GW5—60IID 630A 66kV，采用彈簧操作機(jī)構(gòu)滿足技術(shù)要求。

3)選用GW5—60IID 630A 66kV接地開關(guān)滿足技術(shù)要求。

4)66 kV母線選擇:

按允許電流選擇，In≧Igmax=0.193 kA;按經(jīng)濟(jì)電流密度選擇，S=Igmax/J;

選用鋼芯鋁絞線，J=1.175A/mm2，S=Igmax/J=193/1.175=164.256mm2。

按短路熱穩(wěn)定校驗(yàn)，

因66 kV母線長(zhǎng)度不大，選用LGJ—150/35型鋼芯鋁絞線，In=500 A滿足以上各項(xiàng)要求。

5)66kV電流互感器選擇計(jì)算:

按工作電壓選擇，Un≧Ugmax=69.3 kV;按工作電流選擇，In≧Igmax=0.193 kA。

根據(jù)以上計(jì)算數(shù)據(jù)可以初步選擇型號(hào)為L(zhǎng)B－66的電流互感器，滿足技術(shù)要求。

6)66 kV電壓互感器選擇:

3.2 6.3 kV開關(guān)柜選擇

按主變壓器低壓側(cè)參數(shù)計(jì)算:

最大工作電流Igmax=1.05 In=1.925 kA選KYN1—10型交流金屬鎧裝移開式開關(guān)柜，柜內(nèi)裝有SN10—10Ⅲ型少油斷路器，采用 CD10ⅡCT8操作機(jī)構(gòu)。

1)柜內(nèi)電流互感器型號(hào)為L(zhǎng)DJ—6型電流互感器，滿足技術(shù)要求。

2)柜內(nèi)電流互感器型號(hào)為JDZJ—6型電壓互感器，滿足技術(shù)要求。

3.3 6.3 kV母線選擇

由計(jì)算可知LMY－125×10鋁母線滿足動(dòng)穩(wěn)定及熱穩(wěn)定要求。

3.4 電纜選擇

初步選擇ZLQ20－3×300mm2，在空氣中單根敷設(shè)，K=1;

查表知35℃時(shí)，Ixu=0.396 kA＞0.385 kA滿足要求;

由計(jì)算可知，ZLQ20－3×300 mm2電纜滿足動(dòng)穩(wěn)定及熱穩(wěn)定要求。

3.5 避雷器選擇計(jì)算

1)66 kV主變中性點(diǎn)初選HY1.5W—60/144型避雷器。

2)6.3 kV側(cè)初選FZ－6型避雷器。

3.6 絕緣子選擇計(jì)算

絕緣子的選擇計(jì)算主要分為2種:66 kV絕緣子和6.3 kV絕緣子。

3.6.1 66 kV絕緣子

選用普通型棒式支柱絕緣子，型號(hào)為ZS—72.5型支柱絕緣子，其主要參數(shù)為:額定電壓 UN=72.5 kV，系統(tǒng)標(biāo)稱電壓為66 kV，抗彎及抗張破壞負(fù)荷Fde=10 000 N，高度H=210 mm.

由計(jì)算可知，滿足動(dòng)穩(wěn)定要求。故選擇 ZS—72.5型支柱絕緣子。

3.6.2 6.3 kV絕緣子

選用普通型棒式支柱絕緣子，型號(hào)為ZN—6型支柱絕緣子，其主要參數(shù)為:額定電壓UN=6.9 kV，系統(tǒng)標(biāo)稱電壓為6 kV，抗彎及抗張破壞負(fù)荷Fde=5000 N，高度H=200 mm.

由計(jì)算可知，滿足動(dòng)穩(wěn)定要求。故選擇 ZS—72.5型支柱絕緣子。

3.7 廠用變壓器選擇

廠用變壓器主要從4個(gè)方面進(jìn)行選擇:

3.7.1 廠用變壓器型式選擇

根據(jù)主接線的設(shè)計(jì)，廠用變壓器接在6.3 kV母線上，初選S10—M型無勵(lì)磁調(diào)壓全密封配電變壓器。

3.7.2 廠用變壓器容量的選擇

由于條件的限制，暫選標(biāo)準(zhǔn)容量為400 kVA。

3.7.3 廠用變高壓側(cè)電纜選擇

按電壓、持續(xù)工作電流、短路計(jì)算熱穩(wěn)定選擇截面。

由計(jì)算可知，ZLQ20－3×240mm2電纜滿足熱穩(wěn)定要求。

3.7.4 廠用變低壓側(cè)電纜選擇

按短路熱穩(wěn)定及動(dòng)穩(wěn)定校驗(yàn)，由計(jì)算可知LMY－63×6.3mm2鋁母線滿足要求。

以上各級(jí)電壓配電裝置的主要電氣設(shè)備技術(shù)參數(shù)的選擇都滿足工作及環(huán)境的要求，經(jīng)校驗(yàn)動(dòng)、熱穩(wěn)定亦滿足要求。

4 總體配置

本電站按“少人值班”原則設(shè)計(jì)，采用分層分布式微機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)。系統(tǒng)分兩層:電站主控級(jí)和現(xiàn)地控制單元級(jí)。

1)電站主控級(jí)采用工業(yè)控制計(jì)算機(jī)(IPC)，包括操作員工作站、工程師工作站及通信工作站[4]。

2)現(xiàn)地控制單元級(jí)按被控對(duì)象設(shè)置機(jī)組LCU(四套)、公用設(shè)備LCU(1套)、輔機(jī)設(shè)備LCU(1套)等。

電站主控級(jí)和現(xiàn)地控制單元級(jí)之間采用現(xiàn)場(chǎng)總線網(wǎng)絡(luò)連接。現(xiàn)地控制單元由PLC及觸摸屏等組成，各LCU能獨(dú)立于主控級(jí)計(jì)算機(jī)運(yùn)行，具有現(xiàn)地監(jiān)控功能?，F(xiàn)場(chǎng)總線網(wǎng)絡(luò)主要負(fù)責(zé)與電站級(jí)計(jì)算機(jī)、綜合保護(hù)單元通信，實(shí)現(xiàn)時(shí)鐘同步功能;PLC則完成數(shù)據(jù)采集、機(jī)組順控、與微機(jī)調(diào)速器、微機(jī)勵(lì)磁系統(tǒng)、微機(jī)自動(dòng)準(zhǔn)同期裝置的通信功能。

5 繼電保護(hù)

電站主要電氣設(shè)備(包括發(fā)電機(jī)、主變、66kV線路、6.3kV線路)的繼電保護(hù)采用微機(jī)綜合保護(hù)裝置一對(duì)一設(shè)置，獨(dú)立運(yùn)行，任意設(shè)備或監(jiān)控系統(tǒng)出現(xiàn)故障，均不影響其他設(shè)備的正常運(yùn)行。

根據(jù)《電力裝置的繼電保護(hù)和自動(dòng)裝置設(shè)計(jì)規(guī)范(GB 50062－92)》，進(jìn)行主要電氣設(shè)備設(shè)置的繼電保護(hù)配置。

6 防雷保護(hù)及接地裝置

根據(jù)《電力設(shè)備過電壓保護(hù)技術(shù)規(guī)范》規(guī)定和絕緣配合的要求，配置各級(jí)電氣設(shè)備的過電壓保護(hù)設(shè)備。電站裝設(shè)防直擊雷和感應(yīng)雷過電壓保護(hù)裝置。

接地系統(tǒng)充分利用自然接地體，主要是金屬門槽、壓力鋼管、尾水管和水工結(jié)構(gòu)鋼筋網(wǎng)。升壓站接地采用人工敷設(shè)接地網(wǎng)，并與電站接地系統(tǒng)可靠相連。整個(gè)接地系統(tǒng)的接地電阻＜4 Ω。避雷針需敷設(shè)獨(dú)立的接地體，其接地電阻≤10 Ω。所有電氣設(shè)備外殼、基礎(chǔ)槽鋼、預(yù)埋鋼管、升壓站設(shè)備鋼構(gòu)架、電纜橋架等均應(yīng)可靠接地。

7 照明部分

水電站設(shè)工作照明及事故照明兩部分，工作照明電源取自廠用低壓盤，為380/220 V三相四線制供電系統(tǒng)，事故照明采用交直流電源自動(dòng)切換的供電方式。事故照明電源取自直流電源裝置，電壓DC 220 V。

中控室設(shè)直流220 V常明燈。照明配電箱為嵌入式暗裝，分別安裝在主廠房安裝層、水輪機(jī)層等處。根據(jù)燈具安裝地點(diǎn)的工作性質(zhì)及環(huán)境條件選擇即適用又經(jīng)濟(jì)美觀的各種建筑燈具。

8 通訊

水電站設(shè)調(diào)度通訊及行政通訊兩種。調(diào)度通訊利用66kV輸電線路設(shè)電力載波通訊。行政通訊采用40門數(shù)字程控交換機(jī)1臺(tái)，作為內(nèi)部生產(chǎn)調(diào)度通訊和行政管理通訊，并以2～3對(duì)中繼線與市話連接。

[1]劉介才.實(shí)用供配電技術(shù)手冊(cè)[M].北京:中國(guó)水利水電出版社，2001:27－33.

[2]范錫普.發(fā)電廠電氣部分[M].北京:中國(guó)電力出版社，1995:43－51.

[3]李海，黎文安.實(shí)用建筑電氣技術(shù)[M].北京:中國(guó)水利水電出版社，2001:57－63.

[4]方大千.實(shí)用繼電保護(hù)技術(shù)[M].北京:北京人民郵電出版社，2003:15－23.