卡基娃水電站電氣一次設(shè)計(jì)技術(shù)特點(diǎn)淺析

李 強(qiáng)，溫鳳香，羅曉雪，李 偉

(1.中國(guó)電建集團(tuán)成都勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司， 四川 成都 610072；2.國(guó)家電網(wǎng)遼寧省電力公司， 遼寧 沈陽 110004)

0 前 言

水電站電氣一次接線、電氣設(shè)備等的選擇能夠在很大程度上影響到發(fā)電工作的效率和具體工作模式，是發(fā)電、供電工作中的重要組成部分。作為發(fā)電系統(tǒng)主體的一次系統(tǒng)需要承載著高電壓與大電流，在一次系統(tǒng)設(shè)計(jì)中各個(gè)結(jié)構(gòu)的選擇與設(shè)計(jì)都關(guān)系著整個(gè)電站電氣系統(tǒng)的可靠性與安全性。設(shè)計(jì)水電站電氣一次系統(tǒng)時(shí)需要格外注意一次系統(tǒng)中各個(gè)部分，如發(fā)電機(jī)、發(fā)電機(jī)電壓母線、發(fā)電機(jī)出口斷路器、變壓器、高壓開關(guān)設(shè)備、廠用電系統(tǒng)變壓器、開關(guān)柜、電纜等，同時(shí)須注意整個(gè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)是否科學(xué)合理，只有通過詳細(xì)計(jì)算與分析，才能夠保證整個(gè)系統(tǒng)正常運(yùn)行。水電站電氣一次系統(tǒng)設(shè)計(jì)是電站運(yùn)行期正常發(fā)電的基礎(chǔ)，在設(shè)計(jì)時(shí)需要進(jìn)行必要、詳細(xì)的研究。

本文根據(jù)接入系統(tǒng)的要求，結(jié)合卡基娃水電站自身特點(diǎn)，確定電氣一次接線方案后，在該電氣主接線設(shè)計(jì)方案的基礎(chǔ)上，通過短路電流計(jì)算，對(duì)該水電站主要電氣設(shè)備進(jìn)行選擇，論述了該電站電氣一次系統(tǒng)設(shè)計(jì)的主要技術(shù)特點(diǎn)。

1 工程概況

卡基娃水電站位于四川省涼山州木里縣境內(nèi)的木里河干流上，電站采用混合式開發(fā)，地面廠房。電站總裝機(jī)容量452.4 MW，其中主電站裝設(shè)4臺(tái)110 MW立軸水輪發(fā)電機(jī)組，生態(tài)小電站裝設(shè)2臺(tái)6.2 MW臥軸水輪發(fā)電機(jī)組，另有上通壩電站和無量河梯級(jí)電站接入。主廠房的安裝間位于主機(jī)間右側(cè)，電站升壓站布置在主廠房下游側(cè)的建筑物內(nèi)。接上通壩的220/500 kV升壓站布置在主廠房上游側(cè)的建筑物內(nèi)。無量河梯級(jí)電站接入的220/500 kV升壓站布置在進(jìn)廠公路側(cè)。進(jìn)廠公路自安裝間下游側(cè)進(jìn)廠，廠前設(shè)回車場(chǎng)。

2 接入系統(tǒng)及電氣主接線

2.1 電站接入系統(tǒng)

根據(jù)卡基娃水電站接入系統(tǒng)報(bào)告及其審查意見，卡基娃電站接入系統(tǒng)采用500 kV和220 kV兩級(jí)電壓出線，其中500 kV出線1回至木里500 kV變電站，送電距離約60 km，另預(yù)留1回；220 kV最終出線4回，初期1回至上通壩電站，送電距離約30 km，遠(yuǎn)期2回至上游(無量河)梯級(jí)電站，平均送電距離約50 km，另預(yù)留1回?？梢姡ɑ揠娬緦⒆鳛閰^(qū)域水電站的匯集站在電網(wǎng)中運(yùn)行。

根據(jù)卡基娃生態(tài)電站接入系統(tǒng)報(bào)告及其審查意見，卡基娃生態(tài)小電站采用35 kV一級(jí)電壓，通過1回35 kV線路接入卡基娃升壓站500/220/35 kV聯(lián)絡(luò)變壓器的35 kV側(cè)，送電距離約6 km，另預(yù)留2個(gè)35 kV出線間隔場(chǎng)地。

2.2 電氣接線

電氣主接線主要根據(jù)本電站裝機(jī)臺(tái)數(shù)、接入系統(tǒng)對(duì)本電站送出回路數(shù)，并考慮電站運(yùn)行的安全性、可靠性、靈活性及接線的簡(jiǎn)單、清晰性及合理性等，對(duì)電站各種可能的電氣主接線進(jìn)行技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較，選出電站適合的最優(yōu)方案?？ɑ匏娬倦姎庵鹘泳€為：發(fā)電機(jī)與主變壓器的組合方式采用擴(kuò)大單元接線；裝設(shè)發(fā)電機(jī)出口斷路器；550 kV 升高電壓側(cè)采用雙母線接線；上通壩接入卡基娃的220 kV側(cè)采用線路變壓器組；無量河梯級(jí)電站接入卡基娃的220 kV側(cè)采用單母線接線；生態(tài)電站接入卡基娃大電站的35 kV側(cè)結(jié)合廠用電系統(tǒng)也采用單母線接線”?？ɑ揠娬镜碾姎庵鹘泳€情況如圖1所示。

圖1 電氣主接線示意

3 短路電流計(jì)算

根據(jù)接入系統(tǒng)資料，系統(tǒng)歸算至本電站500 kV母線側(cè)阻抗、線路參數(shù)、以及電站變壓器、發(fā)電機(jī)的阻抗進(jìn)行計(jì)算，各短路點(diǎn)的短路電流計(jì)算成果見表1。

表1 各短路點(diǎn)的短路電流計(jì)算成果

4 主要電氣設(shè)備選擇

電站主要電氣設(shè)備選擇原則為在滿足正常運(yùn)行、短路和過電壓等各種要求的前提下，結(jié)合電站的自然環(huán)境條件，選擇有成熟運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)、技術(shù)先進(jìn)、安裝運(yùn)行維護(hù)方便和經(jīng)濟(jì)合理的產(chǎn)品。由于電站廠址海拔約2 600 m，所有電氣設(shè)備均選擇高原型產(chǎn)品。電站的基本地震烈度為Ⅶ度，電氣設(shè)備選型時(shí)按照Ⅷ度選擇設(shè)計(jì)抗震型產(chǎn)品。

4.1 水輪發(fā)電機(jī)

水輪發(fā)電機(jī)選取4臺(tái)套豎軸懸式、密閉自循環(huán)空氣冷卻器冷卻、三相凸極同步水輪發(fā)電機(jī)，型號(hào)為SF-J110-18/6250，額定功率110 MW，額定容量122.2 MVA，額定電壓13.8 kV，額定電流5 113 A，額定功率因數(shù)0.9(滯后)，額定頻率50 Hz，額定轉(zhuǎn)速333.3 r/min，飛逸轉(zhuǎn)速555 r/min，定子接法為2Y接，額定勵(lì)磁電壓183 V，額定勵(lì)磁電流1 275 A，勵(lì)磁方式為靜止晶閘管勵(lì)磁，旋轉(zhuǎn)方向?yàn)楦┮曧槙r(shí)針，額定點(diǎn)效率不低于98.5%(保證值)，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)慣量GD2為3 250 t·m2，直軸同步電抗Xd為1.02(標(biāo)么值)，直軸超瞬變電抗Xd″飽和值為0.20(標(biāo)么值)，交軸同步電抗Xq不飽和值為0.67(標(biāo)么值)，交軸超瞬變電抗Xq″不飽和值為0.23(標(biāo)么值)，勵(lì)磁繞組短路時(shí)定子繞組時(shí)間常數(shù)Ta為0.32 s，發(fā)電機(jī)總質(zhì)量459 t。

4.2 500 kV變壓器

主變壓器布置在主廠房下游側(cè)的550 kV GIS樓下游側(cè)(室外)，300 MVA自耦聯(lián)絡(luò)變壓器布置在主廠房上游側(cè)的252 kV GIS樓室內(nèi)(兩側(cè)開敞)，750 kVA自耦變壓器布置在廠房下游側(cè)500/220 kV升壓站內(nèi)252 kV GIS樓室內(nèi)(三側(cè)開敞)。綜合考慮卡基娃電站內(nèi)500 kV各容量變壓器采用組合式三相變壓器、單相變壓器組和現(xiàn)場(chǎng)組裝三相變壓器的可能性，根據(jù)電站設(shè)備招標(biāo)時(shí)對(duì)外公路運(yùn)輸重量不超過100 t的對(duì)外運(yùn)輸條件限制，并兼顧方便運(yùn)行，變壓器結(jié)構(gòu)型式應(yīng)統(tǒng)一，最終選擇卡基娃500 kV變壓器均為現(xiàn)場(chǎng)組裝三相變壓器。根據(jù)各變壓器的布置情況，變壓器最終冷卻方式選定為OFAF。

500 kV主變壓器選定為戶外油浸組合式三相雙繞組銅線圈強(qiáng)迫油循環(huán)風(fēng)冷電力變壓器，型號(hào)為SFP10-JT-250000/500，額定容量250 MVA，額定頻率50 Hz，額定變比550/13.8 kV，阻抗電壓13.6%，冷卻方式為OFAF，聯(lián)結(jié)組別YN、d11，中性點(diǎn)接地方式為直接接地，從工廠至現(xiàn)場(chǎng)最大運(yùn)輸重約 39 t。

上通壩接入卡基娃的300 MVA自耦聯(lián)絡(luò)變壓器選定為戶內(nèi)油浸現(xiàn)場(chǎng)組裝式自耦三相銅線圈強(qiáng)迫油循環(huán)風(fēng)冷電力變壓器，型號(hào)為OSFP10-JT-300000/500，額定容量300 MVA，額定頻率50 Hz，額定變比550/242/38.5 kV，阻抗電壓分別為高中14%、高低50%、中低35%，冷卻方式OFAF，聯(lián)結(jié)組別YN、a0、d11，中性點(diǎn)接地方式直接接地，從工廠至現(xiàn)場(chǎng)最大運(yùn)輸重約39 t。

無量河上游梯級(jí)電站接入卡基娃水電站部分屬于本電站二期工程，采用容量為750 MVA的自耦聯(lián)絡(luò)變壓器，現(xiàn)場(chǎng)組裝式，布置在廠房尾水下游側(cè)的220/500 kV的升壓站內(nèi)。具體參數(shù)待二期工程技施時(shí)招標(biāo)完成后確定。

4.3 高壓配電裝置

根據(jù)電站樞紐布置，電站地處高山峽谷，地勢(shì)陡峭，并綜合考慮地震條件，550 kV和252 kV配電裝置選擇采用SF6氣體絕緣金屬封閉開關(guān)設(shè)備(GIS)。500 kV出線場(chǎng)布置在下游550 kV GIS樓頂，220 kV出線場(chǎng)布置在上游252 kV GIS樓頂。

550 kV GIS布置在下游550 kV GIS室內(nèi)，型號(hào)為ZF8A-550，額定電壓550 kV，額定電流3 150 A，額定短時(shí)耐受電流(有效值，3 s)63 kA，額定峰值耐受電流171 kA，斷路器額定開斷電流63 kA，斷路器、隔離開關(guān)、快速接地開關(guān)、檢修接地開關(guān)的操動(dòng)機(jī)構(gòu)均為電動(dòng)/手動(dòng)，額定絕緣水平(在電氣設(shè)備運(yùn)行地點(diǎn)需達(dá)到的參數(shù))：雷電沖擊耐受電壓(峰值)相對(duì)地為1 675 kV，斷口間為1 675+450 kV，1 min工頻耐受電壓(有效值)相對(duì)地為740 kV，斷口間為740+318 kV。

252 kV GIS布置在上游252 kV GIS室內(nèi)，型號(hào)為ZF9-252，額定電壓252 kV，額定電流2 000 A，額定短時(shí)耐受電流(有效值，3 s)50 kA，額定峰值耐受電流125 kA，斷路器額定開斷電流50 kA，斷路器、隔離開關(guān)、快速接地開關(guān)、檢修接地開關(guān)的操動(dòng)機(jī)構(gòu)均為電動(dòng)/手動(dòng)，額定絕緣水平(在電氣設(shè)備運(yùn)行地點(diǎn)需達(dá)到的參數(shù))：雷電沖擊耐受電壓(峰值)相對(duì)地為1 050 kV，斷口間為1 050+205 kV，一分鐘工頻耐受電壓(有效值)相對(duì)地為460 kV，斷口間為460+145 kV。

4.4 發(fā)電電壓設(shè)備

發(fā)電機(jī)電壓母線采用離相封閉母線，設(shè)SF6絕緣發(fā)電機(jī)出口專用斷路器。

4.4.1 發(fā)電機(jī)出口離相封閉母線

發(fā)電機(jī)電壓母線采用全連式離相封閉母線。廠用分支及勵(lì)磁分支回路均采用離相封閉母線，以減少短路故障幾率，提高運(yùn)行可靠性。本電站離相封閉母線采用自然空氣冷卻方式，帶熱風(fēng)保養(yǎng)防結(jié)露裝置。

封閉母線額定電壓13.8 kV，額定頻率50 Hz，匯流母線、單元母線和分支母線的額定電流分別為12 500 A、6 300 A和630 A，相間距分別為1 350 mm、1 200 mm(機(jī)端出口處短段為1 100 mm)和1 350/1 200 mm，2 s額定短時(shí)耐受電流分別為125 kA、125 kA和160 kA，額定絕緣水平為雷電沖擊耐受電壓為125 kV、1 min工頻干式耐受電壓為 68 kV，防護(hù)等級(jí)均為IP54。

4.4.2 發(fā)電機(jī)出口斷路器

根據(jù)發(fā)電機(jī)回路電流和電壓參數(shù)，選用SF6型斷路器。型號(hào)FKG1N，額定電壓(最高運(yùn)行電壓UN)27.5 kV，額定頻率50 Hz，相數(shù)為3相，運(yùn)行地點(diǎn)需達(dá)到額定絕緣水平為雷電沖擊耐壓(1.2/50 μs)相對(duì)地100 kV，斷口間115 kV，1 min 工頻耐壓(干試)為相對(duì)地53 kV，斷口間63 kV，額定電流10 600 A，額定短時(shí)耐受電流(有效值/s)為120 kA/3 s，斷路器系統(tǒng)源分?jǐn)嗄芰?20 kA，額定峰值耐受電流為340 kA，斷路器操動(dòng)機(jī)構(gòu)為彈簧，隔離開關(guān)和接地開關(guān)操動(dòng)機(jī)構(gòu)均為電動(dòng)和手動(dòng)。

4.5 廠用電系統(tǒng)設(shè)備

根據(jù)DL/T5186《水力發(fā)電廠機(jī)電設(shè)計(jì)規(guī)范》的相關(guān)要求，為提高主回路的可靠性，與離相封閉母線連接的2臺(tái)高壓廠用變壓器均采用單相變壓器組，與廠用分支離相封閉母線直接連接；其余變壓器采用三相變壓器。根據(jù)廠區(qū)樞紐布置情況，所有廠用電變壓器均布置在戶內(nèi)，因此所有廠用變壓器均采用了樹脂澆注干式變壓器。其中13.8 kV高壓廠用變壓器組和35 kV外來電變壓器三相總?cè)萘烤鶠? 100 kVA，10.5 kV變壓器全部采用SC(B)13一級(jí)能效節(jié)能型產(chǎn)品。

本電站40.5 kV開關(guān)柜采用KYN61-40.5型戶內(nèi)金屬鎧裝移開式開關(guān)柜，開關(guān)柜內(nèi)裝設(shè)HVX-40.5型真空斷路器；12 kV開關(guān)柜采用UniGear ZS1型戶內(nèi)金屬鎧裝移開式開關(guān)柜，開關(guān)柜內(nèi)裝設(shè)ABB VD4型真空斷路器；廠用0.4 kV低壓配電柜全部采用MNS 2.0型抽屜式低壓配電盤，以提高廠用電的供電可靠性和縮短因檢修停電的時(shí)間。

在廠內(nèi)設(shè)有1 臺(tái)在電站使用地點(diǎn)出力不小于400 kW 的柴油發(fā)電機(jī)組作為保安電源，當(dāng)電站所有正常交流電源失去時(shí)，啟動(dòng)柴油發(fā)電機(jī)組，為電站水輪發(fā)電機(jī)組和滲漏排水泵等提供應(yīng)急供電電源。

5 生態(tài)電站

生態(tài)電站的電氣主接線為：發(fā)電機(jī)為臥式機(jī)組，型號(hào)為SFW6200-8/2160，出口電壓為6.3 kV，每臺(tái)發(fā)電機(jī)出口設(shè)置發(fā)電機(jī)斷路器，兩臺(tái)發(fā)電機(jī)組成擴(kuò)大單元接線，經(jīng)主變壓器升壓至35 kV，35 kV側(cè)為單母線接線，出線共4回35 kV出線，其中1回至卡基娃首部大壩，1回經(jīng)約7 km后至卡基娃大電站廠房，另2回預(yù)留備用。

發(fā)電機(jī)額定電壓為6.3 kV、額定電流約702 A，發(fā)電機(jī)出口采用ZB-YJVD-8.7/15 kV，1×500 mm2型單芯電力電纜，發(fā)電機(jī)出口斷路器選擇額定電流為1 250 A，額定短路開斷電流為40 kA的真空斷路器，主變壓器額定容量16 000 kVA，連接組別Y、d11，冷卻方式ONAN，阻抗電壓Uk為8%，主變中性點(diǎn)不接地，安裝在戶外。

6 主要技術(shù)特點(diǎn)

卡基娃水電站電壓等級(jí)多，本電站含有500 kV、220 kV、35 kV、10 kV、6.3 kV及0.4 kV等主要電壓等級(jí)，涵蓋了500 kV以下、除110 kV以外的各種電壓等級(jí)，因此本電站的電氣接線相當(dāng)復(fù)雜。

由于對(duì)外運(yùn)輸條件的限制，兼顧投產(chǎn)后運(yùn)行維護(hù)的便利性，本電站500 kV變壓器統(tǒng)一結(jié)構(gòu)型式變壓器只能采用現(xiàn)場(chǎng)組裝變壓器。本電站海拔約2 600 m，在如此高海拔條件下同時(shí)完成多臺(tái)500 kV常規(guī)三相變壓器和自耦變壓器的現(xiàn)場(chǎng)組裝，在國(guó)內(nèi)水電站建設(shè)中少見。

本電站升壓站為本區(qū)域內(nèi)的樞紐變電站，除滿足電站機(jī)組送出的需求外，還兼顧了本區(qū)域內(nèi)上通壩、上游無量河梯級(jí)等其它多個(gè)電站的送出。鑒于目前國(guó)內(nèi)220 kV及以下送出線路一般由項(xiàng)目業(yè)主承擔(dān)自行建設(shè)、系統(tǒng)變電站由電網(wǎng)公司承建，本電站若只按自身裝機(jī)容量考慮，采用220 kV電壓等級(jí)送至系統(tǒng)即可滿足要求，因此在本電站內(nèi)設(shè)置500 kV樞紐變電站，既為電站業(yè)主節(jié)省了220 kV送出線路的投資，又為電網(wǎng)公司節(jié)省在本區(qū)域內(nèi)建設(shè)220 kV變電站的投資。

卡基娃水電站廠區(qū)地處深山峽谷，樞紐布置緊湊，且電站所在地區(qū)為高土壤電阻率地區(qū)，出線電壓等級(jí)為500 kV，對(duì)接地阻抗要求較高。為滿足相關(guān)規(guī)范對(duì)接地阻抗的要求，除利用廠房底板、尾水渠敷設(shè)接地網(wǎng)及引水隧洞末端的壓力管道作為接地體外，還利用調(diào)壓井前的部分引水隧洞敷設(shè)了接地網(wǎng)，同時(shí)在尾水沿岸增設(shè)深井接地井。上下游側(cè)GIS樓周邊及下游尾水平臺(tái)路面鋪設(shè)厚度不小于50 mm的瀝青路面，并進(jìn)行接觸電勢(shì)差、跨步電勢(shì)差實(shí)測(cè)，確保接觸電勢(shì)和跨步電勢(shì)滿足相關(guān)規(guī)范的要求。

7 結(jié) 語

卡基娃水電站結(jié)合工程實(shí)際情況，采用了供電可靠、運(yùn)行靈活、簡(jiǎn)單清晰的電氣主接線和廠用電接線，主要電氣設(shè)備選型等相關(guān)電氣一次設(shè)計(jì)滿足規(guī)程規(guī)范要求，電氣設(shè)備布置清晰、合理。首臺(tái)機(jī)組于2015年3月投產(chǎn)發(fā)電，4臺(tái)機(jī)組于2015年12月全部投產(chǎn)發(fā)電，從發(fā)電至今運(yùn)行狀況良好，達(dá)到了設(shè)計(jì)預(yù)期要求。