水電站接入近距離變電站主接線優(yōu)化設(shè)計(jì)的探討

丁潔晶，馬志龍，張曉軍

（1.杭州水利水電勘測設(shè)計(jì)院有限公司，浙江 杭州 310012；2.水利部海委引灤工程管理局大黑汀水庫管理處，天津 300384）

水電站接入近距離變電站主接線優(yōu)化設(shè)計(jì)的探討

丁潔晶1，馬志龍1，張曉軍2

（1.杭州水利水電勘測設(shè)計(jì)院有限公司，浙江 杭州 310012；2.水利部海委引灤工程管理局大黑汀水庫管理處，天津 300384）

一般水電站與電網(wǎng)變電站距離較遠(yuǎn)，它們的主接線各自獨(dú)立，水電站出線通過輸電線路接入電網(wǎng)變電站。當(dāng)水電站與電網(wǎng)變電站距離較近時(shí)，在滿足電站與變電站運(yùn)行管理的前提下，可將主接線設(shè)計(jì)優(yōu)化，以節(jié)省項(xiàng)目的建設(shè)成本，簡化運(yùn)行操作。本文以格魯吉亞KHELVACHAUR-I水電項(xiàng)目的施工設(shè)計(jì)為案例，通過對相關(guān)設(shè)備的選型、計(jì)算校驗(yàn)及分析，并在滿足相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范和當(dāng)?shù)剡\(yùn)行管理要求的前提下，取消了輸電線路兩側(cè)的開關(guān)及保護(hù)，僅保留電站廠房內(nèi)36 kV開關(guān)及保護(hù)設(shè)備，以“站變合一”的方式優(yōu)化了變電站主接線的設(shè)計(jì)。

水電站；變電站；優(yōu)化設(shè)計(jì)；站變合一

1 工程概況

格魯吉亞共和國KHELVACHAURI-1水電站項(xiàng)目坐落于黑海東部克魯河下游，電站及開關(guān)站廠址位于巴統(tǒng)省喬治區(qū)。電站共裝設(shè)6臺貫流式水輪發(fā)電機(jī)組（5×9100kW+1×1980kW），總裝機(jī)47.48MW，電站電氣主接線采用發(fā)電機(jī)-變壓器單元接線，5臺9 100 kW發(fā)電機(jī)各通過1臺11 000 kVA變壓器升壓成34.5 kV電壓，1臺1 980 kW發(fā)電機(jī)通過1臺2 400 kVA變壓器升壓成34.5 kV電壓。電站升壓變34.5 kV側(cè)為單母線接線，電站采用34.5 kV一回電纜出線，至距電站廠址約300 m的110 kV KHELVACHAURI-1變電站，電站主接線示意圖見圖1。

圖1 KHELVACHAURI-1水電站主接線示意圖

110 kV KHELVACHAURI-1變電站為KHELVACHAURI-1及KHELVACHAURI-2水電站共用的樞紐變電站，變電站內(nèi)設(shè) 2臺 50（62.5）MVA-110/34.5 kV主變壓器，主變110 kV側(cè)采用主母線和旁路母線接線，110 kV側(cè)設(shè)置3回出線，分別至Batumi變電站和KIRNATI水電站，另一回出線預(yù)留；1號主變34.5 kV側(cè)與KHELVACHAURI-1電站廠房36 kV出線相連，兩者相距約為300 m，2號主變?yōu)轭A(yù)留位置。變電站主接線方案見圖2。

圖2 KHELVACHAURI-1變電站設(shè)計(jì)主接線示意圖

2 優(yōu)化設(shè)計(jì)方案的提出

原工程主接線方案中，在KHELVACHAURI-1電站廠房處36 kV出線側(cè)設(shè)置有36 kV開關(guān)、配電裝置柜及相關(guān)的保護(hù)設(shè)備；而在110 kV KHELVACHAURI-1變電站，36 kV進(jìn)線和110 kV主變低壓側(cè)均設(shè)置有36 kV開關(guān)、配電裝置柜及相關(guān)的保護(hù)設(shè)備。

根據(jù)本工程實(shí)際情況，即電站至變電站的輸電線路較短，約為300 m電纜線路；電站和變電站屬同一個(gè)建設(shè)單位和運(yùn)行管理單位；業(yè)主希望電站與變電站建成后統(tǒng)一運(yùn)行管理；且投資方也有優(yōu)化電站與變電站36 kV系統(tǒng)接線的意向。

因此，我們提出了取消輸電線路兩側(cè)的36 kV開關(guān)及保護(hù)設(shè)備，即取消廠房36 kV出線和變電站36 kV進(jìn)線的開關(guān)和保護(hù)設(shè)備，將變電站110 kV主變低壓側(cè)的開關(guān)及保護(hù)設(shè)備移至300 m外的廠房內(nèi)，即利用電站36kV出線開關(guān)柜作為變電站110kV主變低壓側(cè)開關(guān)柜，相當(dāng)于取消了變電站內(nèi)整套36 kV開關(guān)柜及相關(guān)的保護(hù)設(shè)備。實(shí)際上，優(yōu)化后的主接線方案把電站和變電站兩個(gè)獨(dú)立的工程合二為一，構(gòu)成了一個(gè)整體，即“站變合一”。此方案對于變電站來說，既降低了工程的建設(shè)成本，又簡化了電站和變電站的操作流程。優(yōu)化后的變電站主接線見圖3。

圖3 優(yōu)化后的變電站主接線示意圖

3 對于優(yōu)化設(shè)計(jì)方案的可行性研究

對于優(yōu)化設(shè)計(jì)方案是否滿足規(guī)程規(guī)范及電站安全運(yùn)行的要求，我們通過下列相關(guān)設(shè)備的選型計(jì)算和校驗(yàn)進(jìn)行可行性研究。

3.1 主變低壓側(cè)電纜的選擇與校驗(yàn)

3.1.1 按允許載流量選擇電纜

已知1號主變額定容量SN（62 500 kVA）及低壓側(cè)額定電壓Ue（34.5 kV），

根據(jù)電流計(jì)算公式：

取橋架敷設(shè)系數(shù)為0.7，則主變低壓側(cè)電纜要求持續(xù)工作電流Ix取為1 494 A。

選擇3×3×（YJV-35-1×240）電纜作為1號主變低壓側(cè)接入電纜。

查電纜樣本，電纜YJV-35-1×240在40℃時(shí)，其在空氣中的允許載流量IY為650 A，本例采用3根并用出線，則3根電纜總允許載流量I3-Y為1 950 A。

因此，3根電纜總允許載流量I3-Y大于主變低壓側(cè)要求持續(xù)工作電流Ix，滿足要求。

3.1.2 校驗(yàn)主變低壓測電纜的電壓降

已知1號主變低壓側(cè)接入電纜長度L=300 m；低壓側(cè)額定電壓Ue（34.5 kV）。

查35 kV交聯(lián)聚乙烯絕緣電纜的參數(shù)表得，電纜感抗X為0.18 Ω/km，電纜電阻R為0.060 1 Ω/km。

根據(jù)電壓損失計(jì)算公式：

計(jì)算得電纜電壓損失△U%為0.21%，即△U%＜10%，電纜電壓損失校驗(yàn)滿足要求。

3.2 電流互感器二次電纜的選擇與校驗(yàn)

3.2.1 電流互感器交流回路二次電纜的選擇

已知主變壓器低壓側(cè)36kV電流互感器（CT）額定電流比為：1200/1/1/1A；準(zhǔn)確度等級為：5P20/5P20/0.5；

二次繞組的額定容量為：30VA/30VA/30VA

根據(jù)設(shè)計(jì)規(guī)范及主變距離低壓柜距離較遠(yuǎn)的實(shí)情，二次控制電纜采用4 mm2截面的銅導(dǎo)線。

3.2.2 電流互感器（CT）負(fù)荷校驗(yàn)

根據(jù)電流互感器（CT）二次回路阻抗計(jì)算公式：

Z2=Zj+Zx+Zc

公式中：Zj-測量、保護(hù)裝置電流線圈的阻抗，單位為Ω；

Zx-二次電纜的阻抗，單位為Ω；

Zc-連接導(dǎo)線的接觸電阻，一般取0.1 Ω。

由電流互感器（CT）產(chǎn)品參數(shù)可知，保護(hù)裝置或測量儀表二次電流功率消耗均不大于0.5 VA，所以，計(jì)算得測量、保護(hù)電流互感器（CT）電流線圈的阻抗Zj為0.5 Ω。

二次控制電纜采用4 mm2截面的銅導(dǎo)線，查表得，電纜阻抗值為：R=5.197 Ω/km，X=0.119 Ω/km，電纜長度按300 m計(jì)算，

導(dǎo)線Zx=5.198×0.3=1.56 Ω；得二次控制電纜阻抗Zx為1.56 Ω。

因此，電流互感器（CT）二次回路阻抗Z2=Zj+Zx+Zc=0.5+1.56+0.1=2.66 Ω。

已知CT二次電流I=1 A

CT二次負(fù)荷S=I2Z2=12×2.66=2.66 VA＜30 VA

所以，計(jì)算得其二次負(fù)荷S為2.66 VA，小于其額定容量30 VA，滿足規(guī)范要求。

3.3 電壓互感器二次電纜的選擇與校驗(yàn)

3.3.1 電壓互感器（PT）二次電纜的選擇

已知主變壓器低壓側(cè)36 kV電壓互感器（PT）選擇參數(shù)如下：

根據(jù)設(shè)計(jì)規(guī)范及常規(guī)設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，電壓互感器（PT）二次控制電纜采用2.5 mm2截面銅導(dǎo)線。

3.3.2 電壓互感器（PT）的二次負(fù)荷校驗(yàn)

根據(jù)電壓互感器（PT）二次回路阻抗計(jì)算公式：

Z2=Zj+Zx+Zc

公式中：Zj-測量、保護(hù)裝置電流線圈的阻抗，單位為Ω；

Zx-二次電纜及導(dǎo)線的阻抗，單位為Ω；Zc-連接導(dǎo)線的接觸阻抗，一般取0.1Ω。

由電壓互感器（PT）產(chǎn)品參數(shù)可知，保護(hù)裝置或測量儀表二次電流功率消耗均不大于1 VA，所以，計(jì)算得測量、保護(hù)電壓互感器（PT）電流線圈的阻抗

二次控制電纜采用2.5 mm2截面的銅導(dǎo)線，查表得，電纜阻抗值為：R=8.4 Ω/km X=0.27 Ω/km，電纜長度按300 m計(jì)算，

導(dǎo)線Zx=8.404×0.3=2.52 Ω，得二次控制電纜阻抗Zx為2.52 Ω。

Z2=Zj+Zx+Zc=3333+2.52+0.1=3335.92 Ω

故，電壓互感器（PT）二次回路阻抗 Z2為3 335.92 Ω，

所以，計(jì)算得其二次負(fù)荷S為1 VA，小于其額定容量90 VA，滿足規(guī)范要求。

3.3.3 電壓互感器（PT）二次控制電纜的電壓降校驗(yàn)根據(jù)二次控制電纜電壓損失計(jì)算公式：

計(jì)算得電纜電壓損失△U%為0.078%，滿足電壓互感器（PT）二次回路電纜電壓損失△U%＜3%的規(guī)范要求，二次控制電纜選用合適。

3.4 二次控制及信號回路的電纜選擇及校驗(yàn)

3.4.1 控制電纜的選擇

經(jīng)統(tǒng)計(jì)計(jì)算，本控制及信號回路的最大功率不大于50 W，根據(jù)設(shè)計(jì)規(guī)范及設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，控制電纜采用2.5 mm2截面的銅導(dǎo)線。

3.4.2 二次控制電纜的電壓降校驗(yàn)

已知控制及信號回路采用DC 110 V系統(tǒng)，U=110 V。

計(jì)算得本回路的二次裝置電阻R=U2/P=1102÷ 50=242 Ω

已知控制電纜距離按照300 m考慮，導(dǎo)線采用2.5 mm2截面的銅導(dǎo)體。

導(dǎo)線電阻Rx=2×（8.4×0.3）=5.04 Ω；

根據(jù)二次回路電阻計(jì)算公式：R2=Rj+Rx+Rc=242+5.04+0.1=247.14 Ω

其中，連接導(dǎo)線的接觸電阻Rc依然取0.1Ω。

根據(jù)二次控制電纜電壓損失計(jì)算公式：

計(jì)算得電纜電壓損失△U%為2%，滿足控制及信號回路電纜電壓損失△U%＜10%的規(guī)范要求，二次控制電纜選用合適。

4 結(jié)論

通過前文的選擇、計(jì)算及校驗(yàn)可以看出，本工程取消變電站主變低壓側(cè)的開關(guān)及保護(hù)設(shè)備，采用“站變合一”主接線方案，技術(shù)上可行，經(jīng)濟(jì)上合理。既節(jié)約了工程項(xiàng)目的建設(shè)成本（約100萬美元），又簡化了電站和變電站的操作流程，同時(shí)也降低了項(xiàng)目將來的運(yùn)行成本。因此，優(yōu)化后的施工設(shè)計(jì)方案得到了業(yè)主的肯定和好評。

綜上所述，對于中小型水電站與近距離變電站的工程，在地方電力系統(tǒng)中，只要建設(shè)與運(yùn)行管理是同一個(gè)單位，就可以推廣采用“站變合一”主接線方案，對節(jié)省工程投資，降低電站和變電站運(yùn)行成本，具有一定的現(xiàn)實(shí)意義。

［1］格魯吉亞KHELVACHAURI-1水電站合同及技術(shù)文件［Z］，2012.

［2］中國航空工業(yè)規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院，等.工業(yè)與民用配電設(shè)計(jì)手冊［M］.3版.北京：中國電力出版社，2005.

［3］國家發(fā)展和改革委員會.DL/T 5186-2004水利發(fā)電廠機(jī)電設(shè)計(jì)規(guī)范［S］，2004.

［4］國家發(fā)展和改革委員會.DL/T 5056-2007變電所總布置設(shè)計(jì)技術(shù)規(guī)程［S］，2007.

［5］國家住建部和質(zhì)檢總局.GB/T 50062-2008電力裝置的繼電保護(hù)和自動裝置設(shè)計(jì)規(guī)范［S］，2008.

TM645.1

B

1672-5387（2016）07-0029-04

10.13599/j.cnki.11-5130.2016.07.009

2016-05-04

丁潔晶（1982-），女，工程師，從事水電站及水利泵站的電氣一次、二次設(shè)計(jì)工作。