百龍灘水電站水輪機(jī)技術(shù)改造對電氣設(shè)備影響探討

劉 慧 琳

(中國能源建設(shè)集團(tuán)廣西電力設(shè)計(jì)研究院有限公司， 廣西 南寧 530007)

1 概 述

百龍灘水電站共裝設(shè)6臺單機(jī)容量為32 MW的燈泡貫流式機(jī)組，發(fā)電機(jī)出口電壓為10.5 kV，功率因數(shù)0.95，采用兩機(jī)一變擴(kuò)大單元接線；發(fā)電機(jī)中性點(diǎn)經(jīng)接地變壓器高阻接地；電站110 kV出線一回，采用線變組接線；220 kV側(cè)采用單母線分段帶旁路接線，出線三回。110 kV與220 kV之間聯(lián)絡(luò)通過三卷變壓器實(shí)現(xiàn)。

因長期運(yùn)轉(zhuǎn)，原日本富士電機(jī)廠生產(chǎn)提供的發(fā)電機(jī)定子產(chǎn)生缺陷，擬更換為杭州江河生產(chǎn)的發(fā)電機(jī)定子。本次改造1號發(fā)電機(jī)定子，其余發(fā)電機(jī)組不變。對1號發(fā)電機(jī)定子進(jìn)行技術(shù)改造后，根據(jù)機(jī)組廠家提供的資料，1號發(fā)電機(jī)定子繞組縱軸超瞬變電抗較原設(shè)備值降低，1號發(fā)電機(jī)出口短路電流也相應(yīng)增大，同時(shí)隨著電網(wǎng)的不斷發(fā)展，接入系統(tǒng)側(cè)的阻抗參數(shù)也有了較大變化。為保證電廠的安全運(yùn)行，本文對相關(guān)電氣設(shè)備重新復(fù)核，同時(shí)對各主要電氣設(shè)備產(chǎn)生的影響進(jìn)行了探討。

2 短路電流影響

本文根據(jù)改造后1號發(fā)電機(jī)廠家提供的參數(shù)重新進(jìn)行短路電流計(jì)算，復(fù)核內(nèi)容包含電氣主接線中各短路節(jié)點(diǎn)及各分支回路的所有額定電流、轉(zhuǎn)移電抗、計(jì)算電抗、t為0～4 s的三相短路電流周期分量，發(fā)電機(jī)出口設(shè)備短路電流的直流分量。并根據(jù)短路電流計(jì)算成果對發(fā)電機(jī)斷路器、隔離開關(guān)、電流互感器等主要電氣設(shè)備的參數(shù)對設(shè)備產(chǎn)生的影響進(jìn)行校驗(yàn)。

短路電流計(jì)算電氣主接線示意見圖1，短路電流計(jì)算阻抗示意見圖2，周期分量短路電流計(jì)算成果見表1，d11點(diǎn)非周期分量短路電流計(jì)算成果見表2。

圖1 電氣主接線示意

圖2 阻抗示意

短 路 點(diǎn)0 s周期分量Iz″/kA0.2 s周期分量Iz″/kA1 s周期分量Iz″/kA4 s周期分量Iz″/kA220 kV母線 d109.559.349.49.68110 kV母線 d943.923.984.091號、2號機(jī)擴(kuò)大單元出口 d1143.2939.8939.7339.641號發(fā)電機(jī)出口(扣除本機(jī)后)35.4933.9533.9133.932號發(fā)電機(jī)出口(扣除本機(jī)后)36.1434.2934.1734.063號、4號機(jī)擴(kuò)大單元出口 d1242.6639.5639.4939.533號發(fā)電機(jī)出口(扣除本機(jī)后)35.5133.9633.9233.954號發(fā)電機(jī)出口(扣除本機(jī)后)35.5133.9633.9233.955號、6號機(jī)擴(kuò)大單元出口 d1355.6852.7352.6652.75號發(fā)電機(jī)出口(扣除本機(jī)后)48.5347.1347.0947.126號發(fā)電機(jī)出口(扣除本機(jī)后)48.5347.1347.0947.121號電抗器低壓側(cè) d155.155.15.215.212號電抗器低壓側(cè) d165.135.075.185.183號電抗器低壓側(cè) d175.215.075.165.21

表2 非周期分量計(jì)算成果

3 主要電氣設(shè)備的影響

1號發(fā)電機(jī)定子改造后，發(fā)電機(jī)額定電流不變，本文主要討論針對1號發(fā)電機(jī)阻抗及系統(tǒng)阻抗的變化引起的短路電流的變化可能對設(shè)備產(chǎn)生的影響。

3.1 發(fā)電機(jī)配電裝置主要電氣設(shè)備的影響

根據(jù)三相短路電流周期分量對發(fā)電機(jī)配電裝置進(jìn)行復(fù)核，復(fù)核結(jié)果詳見表3。

由以上設(shè)備參數(shù)復(fù)核成果得知：

(1)1號、2號發(fā)電機(jī)擴(kuò)大單元及3號、4號發(fā)電機(jī)擴(kuò)大單元回路的發(fā)電機(jī)出口斷路器、廠用分支斷路器、隔離開關(guān)、電流互感器等滿足回路動(dòng)熱穩(wěn)定要求。

(2)3號、4號發(fā)電機(jī)擴(kuò)大單元回路及5號、6號發(fā)電機(jī)擴(kuò)大單元的發(fā)電機(jī)出口斷路器、隔離開關(guān)、電流互感器等滿足回路動(dòng)熱穩(wěn)定要求。

(3)3號、4號發(fā)電機(jī)擴(kuò)大單元回路及5號、6號發(fā)電機(jī)擴(kuò)大單元的廠用分支斷路器的短路開斷電流原設(shè)計(jì)要求為45 kA，實(shí)際配置僅為37 kA。如按電抗器前短路電流校驗(yàn)，不滿足回路開斷及動(dòng)熱穩(wěn)定要求；按電抗器后短路電流校驗(yàn)，則滿足要求。按《導(dǎo)體和電器選擇設(shè)計(jì)技術(shù)規(guī)定》(DL/T 5222-2005)，可按電抗器后短路電流進(jìn)行校驗(yàn)。但如廠用分支斷路器至限流電抗器之間出現(xiàn)短路故障，當(dāng)短路電流超過該斷路器的開斷能力時(shí)，則要進(jìn)行閉鎖，由發(fā)電機(jī)出口斷路器及主變高壓側(cè)斷路器進(jìn)行跳閘，從而導(dǎo)致發(fā)電機(jī)、主變壓器停運(yùn)的情況，使事故擴(kuò)大化，發(fā)電可靠性降低。而且，由于限流電抗器之前的短路電流過大，普通真空斷路器無法承受其動(dòng)穩(wěn)定電流值，可能會(huì)出現(xiàn)斷路器損毀的情況。因此，本文建議在條件許可的情況下對設(shè)備進(jìn)行改造。

(4)主回路電纜熱穩(wěn)定復(fù)核：根據(jù)短路電流校驗(yàn)，主回路電纜所需的最小截面積為185 mm2，因此主回路采用的6根YJV22-3×240電纜并聯(lián)，滿足熱穩(wěn)定要求。

(5)鋁母線。①熱穩(wěn)定復(fù)核：根據(jù)《水電站設(shè)計(jì)手冊》第七章，C熱穩(wěn)定系數(shù)按導(dǎo)體斷路器溫度為70℃取87。根據(jù)校驗(yàn)，母線槽所需的最小截面為656 mm2，本工程現(xiàn)有鋁母線最小截面為800 mm2，滿足熱穩(wěn)定要求。②動(dòng)穩(wěn)定復(fù)核：1號、2號擴(kuò)大單元及3號、4號擴(kuò)大單元短路電流值分別為43.3 kA、42.7 kA，與改造前42.7 kA變化不大，對鋁母線動(dòng)穩(wěn)定影響不大。5號、6號擴(kuò)大單元受110 kV系統(tǒng)影響，短路電流值為55.68 kA，比原短路電流41.75 kA增加13.93 kA，對回路鋁母線動(dòng)穩(wěn)定影響較大，本文建議對該設(shè)備單獨(dú)立項(xiàng)，詳細(xì)復(fù)核后確定是否改造。

3.2 對發(fā)電機(jī)回路斷路器直流開斷能力的影響

根據(jù)表2，本文對0.06 s時(shí)發(fā)電機(jī)回路各斷路器開斷直流分量參數(shù)進(jìn)行復(fù)核，見表4。

表4 1號、2號發(fā)電機(jī)回路斷路器開斷直流分量參數(shù)復(fù)核

注：(1)由于收資得到的本工程發(fā)電機(jī)的出口斷路器銘牌及參數(shù)表均不含最大開斷電流直流分量參數(shù)，發(fā)電機(jī)專用斷路器開斷直流分量能力一般在60%以上，因此按60%進(jìn)行估算；(2)1號廠用電分支斷路器的參數(shù)取自百龍灘電廠廠用分支開關(guān)改造項(xiàng)目廠家資料；(3)由于未獲得2號、3號廠用電分支開關(guān)設(shè)備的參數(shù)，本表不進(jìn)行復(fù)核。

從表4可以看出，1～6號發(fā)電機(jī)回路斷路器，1號、2號機(jī)擴(kuò)大單元廠用電分支斷路器開斷直流分量能力滿足回路要求，3號、4號及5號、6號擴(kuò)大單元廠用電分支斷路器開斷直流分量能力目前無法復(fù)核，但本文認(rèn)為，設(shè)備開斷直流分量能力分別須不小于28 kA、不小于29 kA。

3.3 220 kV及110 kV設(shè)備的影響

根據(jù)表1，“220 kV及110 kV母線上周期分量短路電流值分別為9.55 kA、4 kA”，本文認(rèn)為，相比1號發(fā)電機(jī)改造前(220 kV及110 kV母線上周期分量短路電流值分別為9.87 kA、2.08 kA)變化不大，對220 kV斷路器(額定開斷電流40 kA)、隔離開關(guān)(額定動(dòng)穩(wěn)定電流80 kA)、電流互感器(額定熱穩(wěn)定電流21 kA)及110 kV斷路器(額定開斷電流40 kA)、隔離開關(guān)(額定動(dòng)穩(wěn)定電流40 kA)、電流互感器(額定熱穩(wěn)定電流45 kA)沒有影響。

4 1號發(fā)電機(jī)中性點(diǎn)設(shè)備的影響

4.1 1號發(fā)電機(jī)回路電容電流計(jì)算

本文根據(jù)《水電設(shè)計(jì)手冊》進(jìn)行電容電流計(jì)算，計(jì)入發(fā)電機(jī)、發(fā)電機(jī)電壓母線、升壓變壓器、廠用變壓器、勵(lì)磁變壓器及回路電容器電容值，經(jīng)計(jì)算，1號發(fā)電機(jī)回路單相對地電容值為2.58 μF，回路三相電容電流值為14.72 A。

4.2 1號發(fā)電機(jī)中性點(diǎn)設(shè)備的影響

4.2.1 現(xiàn)有設(shè)備參數(shù)

(1)接地變壓器：容量為35 kVA(過載后的容量)，一次側(cè)額定電壓為10.5 kV，二次側(cè)額定電壓為210 V，額定過負(fù)荷持續(xù)時(shí)間為5 min。

(2)二次側(cè)電阻：電阻值為0.81Ω，運(yùn)行時(shí)間為2 min(參數(shù)來源：現(xiàn)場發(fā)電機(jī)回路中性點(diǎn)設(shè)備銘牌)。

4.2.2 中性點(diǎn)設(shè)備的影響

本文根據(jù)對百龍灘水電站發(fā)電機(jī)中性點(diǎn)現(xiàn)有設(shè)備參數(shù)的分析，原富士電機(jī)公司的設(shè)計(jì)理念是中性點(diǎn)補(bǔ)充約3 A的電阻電流，以確保發(fā)生故障時(shí)，繼電保護(hù)能及時(shí)檢測出故障電流，做出相應(yīng)動(dòng)作。

根據(jù)《電力工程電氣設(shè)計(jì)手冊》，所配置的電阻的選擇原則是使單相接地故障電流等于或大于電容電流，因此本文按該原則進(jìn)行復(fù)核。

根據(jù)《水力發(fā)電廠高壓電器設(shè)備選擇及布置設(shè)計(jì)規(guī)范》 (DL/T5396-2007)第5.14.8條，單相接地變壓器的過載系數(shù)一般可取4～6倍，本文考慮接地變壓器的額定過負(fù)荷倍數(shù)取4，1號發(fā)電機(jī)中性點(diǎn)接地設(shè)備復(fù)核詳見表5。

表5 1號發(fā)電機(jī)中性點(diǎn)接地設(shè)備復(fù)核情況

因此，按《電力工程電氣設(shè)計(jì)手冊》設(shè)計(jì)原則，本文認(rèn)為，1號發(fā)電機(jī)中性點(diǎn)接地設(shè)備(接地變壓器及小電阻)須進(jìn)行改造。如按原富士電機(jī)公司的設(shè)計(jì)理念可不作改造。

2～6號發(fā)電機(jī)中性點(diǎn)設(shè)備不受1號發(fā)電機(jī)電容的影響，因此本文不進(jìn)行復(fù)核。但結(jié)論同1號機(jī)，可根據(jù)電站實(shí)際情況確定是否進(jìn)行改造。

5 結(jié) 論

本文就百龍灘水電站水輪機(jī)技術(shù)改造項(xiàng)目相關(guān)電氣設(shè)備復(fù)核工作進(jìn)行了闡述和研究。根據(jù)發(fā)電機(jī)廠家提供的參數(shù)復(fù)核短路電流計(jì)算，同時(shí)根據(jù)現(xiàn)場設(shè)備參數(shù)完成1號發(fā)電機(jī)回路電容電流計(jì)算，并針對1號發(fā)電機(jī)阻抗及系統(tǒng)阻抗的變化引起的短路電流的變化可能對設(shè)備產(chǎn)生的影響及1號發(fā)電機(jī)中性點(diǎn)接地設(shè)備選擇進(jìn)行了深入剖析，提出了解決思路和方案建議。百龍灘電廠運(yùn)行時(shí)間較長，面臨后續(xù)機(jī)組的改造，作者將跟進(jìn)改造過程，持續(xù)對其他機(jī)組改造對相關(guān)電氣設(shè)備的參數(shù)影響進(jìn)行復(fù)核，形成更系統(tǒng)、全面的分析數(shù)據(jù)報(bào)告。