淺談黑河水電廠生活區(qū)鍋爐變設計中電纜選擇的問題

申景濤

(陜西省水利廳，陜西 西安 710004)

1 前言

隨著國家節(jié)能減排政策的要求，各水力發(fā)電站冬季不應再采用燃煤鍋爐取暖，建議采用清潔能源供電。水力發(fā)電站最可靠的清潔能源就是電能，無污染，而且水電站均有生活用電的專用變壓器，但是在國家節(jié)能減排政策以前，大部分水電站生活區(qū)絕大部分采用燃煤鍋爐供暖，主要原因是水電站普遍地理位置偏僻，廠區(qū)和生活區(qū)距離較遠，供電距離較遠；電鍋爐故障時對水電站母線沖擊較大；燃煤價格較低。隨著國家節(jié)能減排政策的出臺，生活區(qū)的供暖成為一個突出的矛盾。

2 工程概況

黑河水電站位于秦嶺周至縣黑峪口，電站裝機3臺，其中8000 kW機組2臺，4000 kW機組1臺，黑河生活基地位于電站下游側2 km處。電鍋爐用電負荷為1500 kW，電源取自壩后電站發(fā)電機6 kV母線。

根據(jù)黑河壩后水電站的運行工況，在冬季枯水期，水量較大時僅為其中一臺8000 kW機組運行，水量較小時僅為一臺4000 kW機組運行，最大出力不足2000 kW。由于電站所在地區(qū)電網(wǎng)條件的限制，其35 kV母聯(lián)斷路器必須斷開運行。鑒于該工程的實際情況，供電電源分別取自壩后電站Ⅰ段及Ⅱ段6.3 kV開關柜柜頂母線。生活區(qū)鍋爐變主接線圖見圖1。

生活區(qū)鍋爐變采用電源進線直接接在發(fā)電機出線側上，位于發(fā)電機斷路器與發(fā)電機之間，當生活區(qū)鍋爐變需要檢修時，此段無明顯斷開點，故設置鍋爐變進線斷路器作為檢修點。

圖1 生活區(qū)鍋爐變主接線圖

3 生活區(qū)鍋爐變難點研究

生活區(qū)鍋爐變既屬于廠用變壓器，但又不同于傳統(tǒng)的廠用變壓器，傳統(tǒng)的廠用變壓器運行負荷連續(xù)且較小，安裝距離近，高壓配電設備選擇簡單。生活區(qū)鍋爐變的特點是負荷大，且不連續(xù)，一般都在生活基地內，距發(fā)電廠房較遠，高壓配電設備配置復雜，尤其是電纜選擇。一是生活區(qū)鍋爐變進線一般直接接在發(fā)電機出線處而不是母線上，故此處的選擇需要考慮熱穩(wěn)定效應；二是從發(fā)電廠房到生活區(qū)鍋爐變處距離較長，采用電纜還是架空導線對于防雷的要求不一樣，需綜合考慮。下面將對這個選擇難點進行論證。

3.1 發(fā)電機出口至生活區(qū)鍋爐變電纜選擇

生活區(qū)電鍋爐變用電負荷較大，又是直接接在發(fā)電機出口端母線上，當生活區(qū)鍋爐變故障發(fā)生在接點處至電鍋爐變進線開關柜之間時，將可能直接影響機組安全運行，所以這段電纜的選擇成為鍋爐變設計的一個難點。根據(jù)已有數(shù)據(jù)：Ⅰ段母線接兩臺8000 kW發(fā)電機，最大運行方式下發(fā)電機母線短路電流20.32 kA；Ⅱ段母線接一臺4000 kW發(fā)電機，最大運行方式下6.3 kV發(fā)電機母線短路電流7.3 kA；電鍋爐變負荷1500 kW，為電阻負載，功率因數(shù)為1，高壓側額定電流145 A，低壓側額定電流2279 A。

高壓側電纜截面根據(jù)額定電流選擇50 mm2可以滿足要求，但是否滿足本工程要求，需要進一步論證。生活區(qū)鍋爐變受到電站條件限制，不能按常規(guī)水電站變壓器那樣選擇，只滿足額定電流，還需校驗低壓側短路時流過保護安裝處的短路電流。與常規(guī)水電站變壓器不同之處在于，首先鍋爐變直接接在發(fā)電機出口端，中間無隔離電器來保護鍋爐變；其次用電負荷在2 km外的生活區(qū)，變壓器保護配置不同于常規(guī)變壓器，那么短路熱效應的時間取值也不同于常規(guī)水電站變壓器，短路熱穩(wěn)定時間應取后備保護動作時間和斷路器全分閘時間之和。

(1)鍋爐變短路熱效應計算電纜導體允許最小截面公式：

(1)

式中：s為導線截面；Qd短路電流的熱效應，由公式(1)可知，導線熱穩(wěn)定效應由導線截面決定。

(2)周期分量熱效應計算公式：

Qd=i″2t

(2)

式中：i″為短路電流最大周期分量，t=tp+td其中tp為繼電保護裝置后備保護動作時間，td為斷路器全分閘時間。

(3)非周期分量熱效應依據(jù)公式(3)計算可得

Qt=Ti″2

(3)

綜上所述：Qd=Qt+Qd

周期分量和非周期分量下的熱效應之和，即導線短路熱效應。本電站機組容量較小，可不考慮非周期分量的影響。根據(jù)公式(1)可得出周期熱效應，經(jīng)計算線纜截面應大于127.43 mm2，選擇150 mm2。

上述參數(shù)不能作為廠用變壓器選擇依據(jù)，若直接作為廠用變壓器選擇依據(jù)，則會造成電纜截面偏小，當發(fā)生短路電流時，若短路時間大于時間t，就會造成安全事故。同樣從原理定性討論主接線時，鍋爐變和廠用變的供電電源均取自發(fā)電機母線，發(fā)電機母線的截面是按發(fā)電機短路電流和系統(tǒng)側短路電流疊加而成的最大短路電流選擇的，廠用變壓器是直接接在發(fā)電機母線上，所以不用考慮母線截面問題。但是鍋爐變位于2 km以外，中間有部分高壓線路，若把這部分高壓線路當做發(fā)電機母線的延伸段，截面需要按短路電流最大值校驗，則電纜截面選擇會偏大，造成浪費。為了不造成材料的浪費，故廠用變高壓進線截面按電纜熱效應校驗，計算得出新的電纜截面，是小于將高壓線路作為發(fā)電機母線延伸的截面，從而使設計更合理。

3.2 進線采用架空線和電纜的設計

3.2.1 架空線設計方案

當選擇鍋爐變壓器的電纜截面后，需要選擇連接方式，有高壓架空線連接和高壓電纜兩種方式。采用兩種連接方式均可，但都存在過電壓保護的問題。當采用高壓電纜連接時，從壩后電站發(fā)電機出口端引出后采用架空線路的方式引至鍋爐變的高壓進線，主要存在的問題是當架空線路發(fā)生雷電過電壓時，雷電流會沿著架空線傳遞到發(fā)電機出口端，并傳遞到發(fā)電機，對發(fā)電機產(chǎn)生危害，所以架空線路過電流、過電壓保護是必須要解決的一個問題。根據(jù)規(guī)范《交流電氣的過電壓保護和絕緣配合設計規(guī)范》規(guī)定要保障電機安全的要求，就需要增加出線電抗器限制過電流，增加電容器防止過電壓(本文只討論過電流問題)。

3.2.2 電纜設計方案

鍋爐變高壓進線也可以采用地埋10 kV電纜。電纜引自發(fā)電機出口端，通過直埋方式至鍋爐變壓高壓側戶內開關柜處。當發(fā)生雷電過電壓時，雷電流流向鍋爐變側經(jīng)避雷器導入大地，保證了鍋爐變安全。流向發(fā)電機母線側，經(jīng)過近2 km的電纜至發(fā)電機母線側電流衰減至安全數(shù)值以下。

3.2.3 改進方案

通過對鍋爐變進線采用架空線和電纜方案的比較可知，全程采用架空線為保證發(fā)電機安全需增加出線電抗器來降低雷電流，此方案增加了相關設備和土建費用；全程采用電纜雖然可以保證發(fā)電機安全，但是電纜價格較高，施工難度較大。

既然增加電抗器是為了降低雷電流，通過計算電抗器的阻抗，用部分電纜代替電抗器，只要電纜的阻抗不小于電抗器的阻抗就可以起到降低雷電流的目的。

(1)計算電抗器阻抗：

xl=ωl=2πf

(4)

式中：l表示電抗器值。

經(jīng)計算，xl=0.094。

(2)電纜阻抗：

(5)

式中：ρ為電阻率，銅取0.0182，鋁0.0283。

Z≈xl=0.75R

(6)

由公式(5)和(6)計算可得，電纜長度150 m，電纜阻抗等于電抗器阻抗。

通過上式的驗證，采用電纜加架空線的方案是可以起到保護發(fā)電機安全運行的要求的，即減少了增加的設備，又降低工程施工費用。

4 結論

隨著國家節(jié)能減排的政策出臺，會有越來越多的水電站生活區(qū)放棄燃煤鍋爐，改用電鍋爐取暖。電鍋爐的電源取自電廠將是一種重要的方案，因為鍋爐變與廠用變在電站用電負荷的不同，所以鍋爐變在發(fā)電機出口電纜截面的選擇、鍋爐變進線方式均不同于廠用變壓器。本文通過對鍋爐變設計過程中幾個重點問題研究，有效解決了截面選擇和出線方式的問題，對此類工程提供了一定的工程設計借鑒。