東莊水電站發(fā)電機電壓配電裝置選擇布置分析

宋 蕊，梁春龍，王 帥

（陜西省水利電力勘測設計研究院，陜西 西安 710001）

0 引言

東莊水利樞紐工程壩址位于涇河干流,距西安市約90 km。水電站為地下式廠房布置，電氣設備均位于地下主、副廠房內，其中發(fā)電機電壓配電裝置集中布置在主廠房與主變室之間的母線洞內，密度高且布置復雜。母線洞由于受到廠房開挖和巖石穩(wěn)定性的限制，電氣設備布置場地非常有限。因此，發(fā)電機電壓配電裝置的選擇和電氣設備布置的合理緊湊，在水電站電氣設計中值得重點分析。

1 工程概況

涇河東莊水利樞紐工程是陜西省實施西部大開發(fā)戰(zhàn)略、加快關中經濟區(qū)發(fā)展的重大水利項目。工程開發(fā)任務為：以防洪減淤為主，兼顧供水、發(fā)電、改善生態(tài)等綜合利用。東莊水電站為引水式地下廠房結構，裝設4臺混流式水輪發(fā)電機組，總裝機容量110 MW（2×35 MW+2×20 MW），年均發(fā)電量為2.85億kW·h，裝機年利用小時為2592 h。35 MW的機組按日調峰4 h～6 h運行，20 MW的機組按日20 h～18 h運行，按生態(tài)基流、工業(yè)供水流量、灌溉流量以及棄水流量進行發(fā)電。

電站以110 kV一級電壓接入電力系統(tǒng)，110 kV出線2回，以110 kV同塔雙回架空線路“π”接入110 kV淳西變—東莊變線路中的一回，形成淳西變—水電站升壓站—東莊施工變—淳西變環(huán)網。

電氣主接線形式采用擴大單元+擴大單元，具有接線簡單清晰，運行維護便利，設備數量較少，任何一臺機組停機時不影響廠用電源供電，繼電保護配置清晰簡單，便于實現自動化，具有投資較少等優(yōu)點。接線圖見圖1。

圖1 東莊水電站電氣主接線圖

2 發(fā)電機電壓配電裝置選擇與布置分析

2.1 發(fā)電機電壓配電裝置選擇

2.1.1 短路電流計算

根據電力接入系統(tǒng)參數，東莊水電站的最大運行工況下短路電流計算結果見表1。

表1 三相短路電流計算結果表

短路類型 短路點 分類 短路電流（kA）廠用變T1低壓側周期分量（kA）（t=0 s）三相短路發(fā)電機G1、G2供 25.16系統(tǒng)及G3、G4供 34.15合計 59.31廠用變T2低壓側周期分量（kA）（t=0 s）發(fā)電機G3、G4供 14.38系統(tǒng)及G1、G2供 21.96合計 36.34 110kV母線周期分量（kA）（t=0 s）發(fā)電機G1～G4供 4.9系統(tǒng)供 10.245合計 15.145

由表1可以看出，每臺發(fā)電機端最大的短路電流由其他發(fā)電機及系統(tǒng)供給，最高達46.73 kA，其直流分量達42.4%，廠用變最大短路電流來自發(fā)電機及系統(tǒng)側，高達59.31 kA。

2.1.2 發(fā)電機斷路器選擇

根據短路電流計算結果，發(fā)電機端短路電流較大且直流分量較高，在擴大單元回路接線的發(fā)電機出口處裝設專用的發(fā)電機斷路器。

目前，發(fā)電機斷路器有六氟化硫和真空型兩種結構。SF6斷路器的滅弧和絕緣性能優(yōu)越，但體積大、價格較高、維護工作量大。真空斷路器具有較高可靠性、體積小、壽命長、價格較便宜、維護工作量小等優(yōu)點。由于發(fā)電機斷路器柜布置在地下廠房母線洞內，布置場地空間緊張，真空斷路器在參數性能上完全能滿足作為發(fā)電機斷路器的要求，且柜體尺寸小。選用真空型發(fā)電機斷路器，短路開斷電流50/63 kA。

2.1.3 發(fā)電機中性點設備

根據已建成電站統(tǒng)計資料表明，發(fā)電機單相接地故障在發(fā)電機運行事故中所占比例最大。發(fā)電機作為水電站的核心設備，合理選擇其中性點接地方式，對保證發(fā)電機的安全運行尤為重要。

發(fā)電機定子繞組發(fā)生單相接地故障時，接地點流過的電流是發(fā)電機本身及其引出回路所連接元件的對地電容電流。經計算，35 MW發(fā)電機的對地電容電流為2.5 A，20 MW發(fā)電機的對地電容電流為1.9 A。選擇經配電變高電阻接地的接地方式可以在發(fā)電機內部發(fā)生單相接地故障時瞬時切機，可減小發(fā)電機故障范圍。經配電變高電阻接地的接地方式優(yōu)點如下：

（1）限制接地故障電流值，減少諧波過電壓，保證接地故障時立即跳閘停機。（2）故障后，發(fā)電機立即脫網，提高發(fā)電機運行的可靠性。（3）過電壓倍數不超過2.6倍相電壓，使過電壓限制在發(fā)電機絕緣水平允許的范圍之內。

經計算，20 MW發(fā)電機二次側電阻值1.4Ω，35 MW發(fā)電機二次側電阻值1.1Ω，因此選擇接地變壓器一次側電壓二次電壓0.22 kV，額定容量20 kV·A。

2.1.4 大容量快速開關

根據短路電流計算結果，廠用變分支短路電流高達9.31 kA，會導致廠用變及隔離變的爆炸事故，加之斷路器實際開斷時間約0.06 s，在短路故障切除以前，主機、主變都將受到周波短路電流的沖擊，這勢必會損壞設備。因此，在兩臺隔離變高壓側加裝大容量快速開關裝置與真空斷路器配合使用（簡稱FSR）。

載流橋體FS在短路故障時快速分斷，短路電流流入高壓限流熔斷器FU中熔斷，過電壓限制在設備允許的2.5倍相電壓以內，在非線性電阻FR中快速衰減。短路電流只上升到預期短路電流峰值的1/5至1/10。

因此，采用大容量快速開關確保了分斷短路電流的快速性和限流性，使發(fā)電機回路的電氣設備免受短路沖擊，并限制了操作過電壓，延長斷路器的使用壽命，降低設備的成本且安裝維護方便。

2.2 發(fā)電機電壓配電裝置的布置

電站廠房采用地下廠房型式，主廠房、主變洞、尾水閘室按典型的三洞室型式布置。主廠房發(fā)電機層至主變洞之間設置發(fā)電機電壓母線洞，每兩個水輪機組單元分別對應1條母線洞，發(fā)電機母線洞設置與發(fā)電機層、主變壓器室同層。

地下廠房內電氣設備布置在滿足電氣運行要求的前提下主接線盡量簡化，便于電氣設備的布置。電氣設備布置緊湊，減少土建開挖，節(jié)省工程投資。

2.2.1 母線洞單層布置

發(fā)電機電壓配電裝置主要包括發(fā)電機出口斷路器、勵磁變、電壓互感器避雷器柜、廠用分支大容量快速開關柜、電流互感器柜等。首先應根據電氣設備自身特點組合并柜，減少設備數量。發(fā)電機斷路器柜內包含斷路器、避雷器、電流互感器等；發(fā)電機出口若干電壓互感器可組柜；發(fā)電機出口電流互感器安裝于發(fā)電機主引出線機墩壁處。由于發(fā)電機出口斷路器選擇為真空型，尺寸較小，機端電設備均采用XGN2-12固定柜型式，按機組單元一列式布置于主廠房下游側單層母線洞內。

2.2.2 母線洞布置高程及尺寸

為了減少與水機預埋管道的交叉，避免電纜通道進入水輪機層開電纜溝從而影響渦殼混凝土保護層，將母線洞布置與主廠房發(fā)電機層同層。布置在母線洞內的發(fā)電機電壓配電裝置與主廠房發(fā)電機層同層，設備運輸便利、值班人員巡視、觀察方便。發(fā)電機電壓配電裝置的電纜溝與水輪機層電纜橋架之間方便連通。母線洞尺寸為30 m（長）×6 m（寬）×6.5 m（高），設備柜前預留3 m操作及搬運通道，背后通道為1.2 m。洞內設有電纜溝連通至全廠電纜溝（電纜橋架）。母線洞電氣設備斷面布置圖見圖2。

圖2 母線洞電氣設備斷面布置圖

3 結語

通過分析短路電流計算結果，確定了主接線采用擴大單元+擴大單元的形式，通過研究發(fā)電機電壓配電裝置內各個電氣設備的性能和分析類似工程電氣設備的應用情況，進行了發(fā)電機電壓配電裝置的型式及參數選擇，優(yōu)選了真空斷路器、高電阻接地裝置、大容量快速開關裝置等電氣設備。

發(fā)電機電壓配電裝置的布置結合地下廠房結構的特點，確定了母線洞單層布置方案，在確保發(fā)電送電安全可靠的前提下，減少了土建開挖投資，電氣設備數量較少，設備的日常運行維護工作方便，體現了較優(yōu)的經濟、社會效益，為同類型水電站地下廠房發(fā)電機電壓設備的優(yōu)化設計積累了經驗。