某百萬級水電站第三路備用電源設(shè)計(jì)與應(yīng)用

陳 飛，陳鈺林，李 鑫，龍 瑞

（1.廣東能源集團(tuán)天生橋一級水電開發(fā)有限責(zé)任公司水力發(fā)電廠，貴州 興義562400；2.貴州電網(wǎng)有限責(zé)任公司興義安龍供電局，貴州 興義562400）

某水電廠裝機(jī)容量1 200 MW（4×300 MW），是南方電網(wǎng)“黑啟動”電源點(diǎn)，有5段10 kV廠用電，其中4段為電廠的廠用電分段母線，第5段為外來電源點(diǎn)與電廠互為備用的35 kV線路。為了提高電廠廠用電可靠性，電廠又從另一外來電源點(diǎn)引10 kV電源入廠用電Ⅱ段作為10 kV廠用電的第二路備用電源。由于該兩處外來電源均處于高頻落雷區(qū)域，雷雨天氣仍會因惡劣的天氣出現(xiàn)跳閘現(xiàn)象，為了能夠保證電廠在負(fù)荷低谷及機(jī)組全停時(shí)能安全運(yùn)行，并滿足南方電網(wǎng)“黑啟動”的要求，需進(jìn)行第三路備用電源的設(shè)計(jì)與建設(shè)。

1 廠用電運(yùn)行情況

電廠正常運(yùn)行時(shí)，10 kV I、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、V段分段運(yùn)行，I段與Ⅱ段，Ⅱ段與Ⅲ段，Ⅲ段與Ⅳ段，Ⅳ段與V段之間的聯(lián)絡(luò)開關(guān)設(shè)置備用電源自動投入裝置，互為第一備用電源。V段電源設(shè)專用線，引自外來電源點(diǎn)自耦變35 kV側(cè)。

2 負(fù)荷情況分析

根據(jù)《技施設(shè)計(jì)說明》的廠用電設(shè)計(jì)說明，電站的負(fù)荷情況分析如下：

機(jī)組自用電負(fù)荷：P1=470+170.1=640.1（kW），廠房 a、b 段公用電負(fù)荷P2=1387.97+792=2179.97（kW），廠房 c、d 段公用電負(fù)荷P3=1263+633.4=1896.4（kW），廠房照明用電負(fù)荷P4=211.8（kW），放空洞用電負(fù)荷P5=470.1+86=556.1（kW），進(jìn)水口用電負(fù)荷P6=184.8+55=239.8（kW），溢洪道用電負(fù)荷P7=341+221=562（kW），總負(fù)荷P總=（P1+P2+P3+P4+P5+P6+P7）×Kt=6286.17×0.6=3771.7（kW），總廠區(qū)用電同時(shí)率取Kt=0.6。

3 工程設(shè)計(jì)建設(shè)方案

3.1 架空線路設(shè)計(jì)

10 kV配網(wǎng)屬于南方電網(wǎng)系統(tǒng)的一部分，因此其架空線路設(shè)計(jì)必須嚴(yán)格依照國家和南方電網(wǎng)在電力設(shè)計(jì)領(lǐng)域的相關(guān)制度、政策與技術(shù)規(guī)程，例如《架空配電線路設(shè)計(jì)技術(shù)規(guī)程》等，必須積極踐行相關(guān)規(guī)定。要在維護(hù)人身安全的基礎(chǔ)上引入先進(jìn)的設(shè)計(jì)理念，采用先進(jìn)的設(shè)計(jì)工藝，確保系統(tǒng)安全和電廠供電安全，為電廠的安全可靠運(yùn)行提供保障[1]。

為了降低建設(shè)耗資，第三路備用電源線路“T”接于電廠周邊變電站的10 kV線路，再經(jīng)電廠門崗東側(cè)低谷處架線進(jìn)至電廠廠房端部樓西北側(cè)，采用電纜下地進(jìn)入電站10 kV廠用電系統(tǒng)Ⅲ段母線。期間跨越國道公路一條，線路沿線樹木種類以松樹為主，局部地段為灌木雜樹，平均數(shù)高約8 m，胸徑約20 cm，數(shù)量30棵。電廠第三路備用電源設(shè)計(jì)線路長度約868 m。

通過對供電設(shè)備的負(fù)荷預(yù)測與分析，結(jié)合負(fù)荷分布情況，第三路備用電源線負(fù)荷約為1 021.9 kW，取經(jīng)濟(jì)電流密度J=1.15 A/mm2（Tmax＜5 000 h），則電廠第三路備用電源建設(shè)工程架空線路所需導(dǎo)線截面為：

其中：P30為線路計(jì)算負(fù)荷（kW）；U為線路額定電壓（kV）；J為線路經(jīng)濟(jì)電流密度（A/mm2）；cosφ為功率因數(shù)，取0.9。

通過對供電設(shè)備的負(fù)荷預(yù)測，結(jié)合負(fù)荷分布情況，第三路備用電源線負(fù)荷約為1 021.9 kW，取經(jīng)濟(jì)電流密度J=2.25 A/mm2（Tmax＜5 000 h），則電廠第三路備用電源建設(shè)工程電力電纜所需導(dǎo)線截面為：

其中：P30為線路計(jì)算負(fù)荷（kW）；U為線路額定電壓（kV）；J為線路經(jīng)濟(jì)電流密度（A/mm2）；cosφ為功率因數(shù)，取0.9。

根據(jù)配電網(wǎng)規(guī)劃設(shè)計(jì)原則及實(shí)際運(yùn)行情況，考慮線纜預(yù)留一定的供電能力及結(jié)合現(xiàn)有線路運(yùn)行情況，線路線纜型號選擇如表1所示。

表1 線路線纜選型

3.2 桿塔選型

桿塔選型原則：根據(jù)線路所符合的氣象條件結(jié)合技術(shù)上安全可靠、經(jīng)濟(jì)合理的原則，綜合地形、地貌及氣象條件，選用中國南方電網(wǎng)公司《10 kV和35 kV配網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)》中的10 kV線路桿塔，該系列桿塔安全可靠、經(jīng)濟(jì)合理，符合線路設(shè)計(jì)要求。

桿塔使用情況如表2所示。

表2 桿塔設(shè)計(jì)選型

考慮到線路沿線周邊樹木較高，且線路途經(jīng)廠區(qū)綠化帶，故在線路架設(shè)時(shí)采用了兩基鐵塔，增加架空線弧垂的離地高度。

3.3 防雷接地措施

根據(jù)GB 50150-2016《電氣裝置安裝工程電氣設(shè)備交接試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)》的要求，電廠第三路備用電源設(shè)計(jì)建設(shè)工程的防雷接地措施主要包括以下3個(gè)方面[2]。

（1）10 kV線路設(shè)備安裝跌落式氧化鋅避雷器，避雷器應(yīng)良好接地，其接地電阻不應(yīng)大于10 Ω。

（2）在架空線路上方架設(shè)避雷線，以保護(hù)架空線路免受直接雷擊。

（3）接地裝置所有鐵塔均須接地，接地電阻不超過30 Ω。

3.4 隔離變壓器選型

（1）隔離變壓器主要是用于電氣回路隔離，實(shí)現(xiàn)電氣系統(tǒng)一次側(cè)和二次側(cè)的有效隔離，并且隔離變壓器在電網(wǎng)中的應(yīng)用可以有效抑制電力系統(tǒng)的高頻雜波，提高電網(wǎng)供電的穩(wěn)定性，因此應(yīng)合理應(yīng)用隔離變壓器，保障隔離變壓器良好的應(yīng)用性能[3]。

（2）為了對變壓器容量進(jìn)行選擇確定，計(jì)算隔離變?nèi)萘繒r(shí)只選取電廠廠區(qū)重要負(fù)荷進(jìn)行計(jì)算。電廠廠區(qū)重要負(fù)荷如表3所示。

根據(jù)表3中所統(tǒng)計(jì)的電廠廠區(qū)重要負(fù)荷情況，取用電負(fù)荷率Kf=0.75，網(wǎng)損率Kv=1.05，用電同時(shí)率Kt=1，cosφ×η=0.75。計(jì)算外引電源隔離變?nèi)萘浚篠=Kf×Kt×Kv×Pmax/（cosφ×η）=0.75×1×1.05×1021.9/0.75=1073（kVA）＜1250（kVA），因此，隔離變?nèi)萘縎取1 250 kVA即可滿足電廠廠區(qū)重要負(fù)荷供電需求。

3.5 繼電保護(hù)整定計(jì)算

供電網(wǎng)絡(luò)中發(fā)生短路時(shí)，很大的短路電流會使電器設(shè)備過熱或受電動力作用而遭到損壞，同時(shí)使網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的電壓大大降低，因而破壞了網(wǎng)絡(luò)內(nèi)用電設(shè)備的正常工作。為了消除或減輕短路的后果，就需要計(jì)算短路電流，以正確地選擇電器設(shè)備、設(shè)計(jì)繼電保護(hù)和選用限制短路電流的元件[4]。電廠第三路備用電源的電流保護(hù)選用三段式電流保護(hù)。

（1）基準(zhǔn)值選取

各參數(shù)基準(zhǔn)值見表4所示。

（2）元件標(biāo)么值計(jì)算

系統(tǒng)阻抗標(biāo)幺值：Xx*=0.183

線路阻抗標(biāo)幺值：XL*=XL/ZB=2.4/1.1025=2.1769

表3 電廠廠區(qū)重要負(fù)荷

表4 電流保護(hù)基準(zhǔn)值

（3）短路電流的計(jì)算

（4）電流速斷保護(hù)整定計(jì)算

按保證小方式下10 kV母線兩相短路的靈敏系數(shù)Klm≥1.5的要求進(jìn)行計(jì)算。

一次值：Iop1×k1=2018.31/1.5=1345.33（A）

二次值：Iop1×k2=Iop1×k1/nTA=1345.33 A/（200/5）=33.63（A）

動作時(shí)間：Top=T+ΔT=0.14+0.3=0.44（s）

（5）過流保護(hù)整定計(jì)算

與相鄰線路過流保護(hù)動作一次值：201 A配合。I2≥Kp×IL1，其中Kp為配合系數(shù)，取 1.1；IL1為相鄰線路過流保護(hù)值。

一次值：Iop2×k1=201×1.1=221.1（A）

二次值：Iop2×k2=Iop2×k1/nTA=221.1/（200/5）=5.53（A）

動作時(shí)間：Top=T+ΔT=1+0.3=1.3（s）

（6）相電流過負(fù)荷定值整定計(jì)算

經(jīng)查JL/LB1 A-120/25導(dǎo)線在25℃時(shí)的載流量為380 A[5]。Kfh×If/Nct，其中，Kfh為負(fù)荷系數(shù)，取 0.95；If為線路安全載流量，T接本分支按負(fù)荷占比70%計(jì)算。

一 次 值：Iop×f1=Kfh×If×0.7=0.95×380×0.7=252.7（A）

二次值：Iop×f2=Iop×f1/nTA=252.7/（200/5）=6.32（A）

綜合上述計(jì)算結(jié)果，電廠第三路備用電源的繼電保護(hù)整定計(jì)算結(jié)果如表5所示。

表5 電廠第三路備用電源繼電保護(hù)整定計(jì)算結(jié)果

4 結(jié)語

電廠第三路備用電源建設(shè)工程設(shè)計(jì)的線路路徑長868 m，其中架空路徑長613 m、電纜路徑長255 m。有10 m拔梢桿2基，15 m耐張門型桿2基，21 m耐張塔2基。在電廠端部樓西北側(cè)設(shè)1 250 kVA干式無載調(diào)壓隔離變壓器1臺。導(dǎo)地線路徑長565 m。線路接入電廠10 kV廠用電III段分段母線作為第三路備用電源。電廠第三路備用電源建設(shè)完成后，在雷雨天氣、負(fù)荷低谷及機(jī)組全停時(shí)為該電站10 kV廠用電提供安全可靠的外來電源支撐，不論是“黑啟動”時(shí)還是在日常廠用電的使用中，都大大提高了電廠廠用電的供電可靠性。