厄瓜多爾美納斯水電站廠用電系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)研究

楊杰 朱釗 李璇

摘要：為了響應(yīng)“一帶一路”倡議，越來(lái)越多的中國(guó)企業(yè)走出國(guó)門到包括南美洲在內(nèi)的海外建設(shè)水電站。但是南美洲的中低電壓標(biāo)準(zhǔn)體系和中國(guó)中低電壓標(biāo)準(zhǔn)體系完全不同，南美洲水電站對(duì)低壓采用的是三相電壓0.480 kV和0.220 kV兩級(jí)、對(duì)中壓采用的是三相電壓22.000 kV的廠用電系統(tǒng)方案。為此，以位于厄瓜多爾的美納斯水電站為例，從水電站的廠用電中壓和低壓系統(tǒng)的負(fù)荷統(tǒng)計(jì)與用電電壓、接線方案與運(yùn)行方式、設(shè)備選擇配置等方面進(jìn)行了深入分析論證;同時(shí)結(jié)合設(shè)計(jì)方案，對(duì)實(shí)現(xiàn)電站內(nèi)0.480 kV和22.000 kV雙接地問(wèn)題進(jìn)行了比較分析?；诒容^分析結(jié)果，提出了將變壓器接線組別設(shè)計(jì)為Y0/Y0的解決方案。設(shè)計(jì)研究成果可為南美洲水電站的新建或改造提供參考。

關(guān) 鍵 詞：

廠用電系統(tǒng); 接線方案; 接地方式; 中低電壓標(biāo)準(zhǔn)體系; 美納斯水電站; 厄瓜多爾

中圖法分類號(hào)： TM615

文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A

DOI：10.16232/j.cnki.1001-4179.2021.06.018

1 工程介紹

美納斯（MINAS）水電站是一座以發(fā)電為主的引水式電站，地處南美洲厄瓜多爾的西南部，離首都基多500 km，工程主體建筑物包括碾壓混凝土大壩、發(fā)電引水系統(tǒng)（包括調(diào)壓井）、地下廠房、地面開(kāi)關(guān)站和尾水隧洞等。電站裝設(shè)有3臺(tái)單機(jī)容量為90 MW的沖擊式水輪發(fā)電機(jī)組，總裝機(jī)容量為270 MW;采用230.000 kV一級(jí)電壓、2回出線接入電網(wǎng)，電氣主接線為3/2單元接線，發(fā)電機(jī)端電壓為13.800 kV。電站所在國(guó)的配電網(wǎng)的中壓電壓為22.000 kV，低壓為三相0.480 kV、0.220 kV，單相為0.127 kV。

而中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)的配電網(wǎng)的中壓電壓為10.000 kV，低壓為三相0.380 kV，單相為0.220 kV。由于南美洲的中低電壓標(biāo)準(zhǔn)體系與中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)差異較大，本文以厄瓜多爾美納斯水電站為例，對(duì)南美洲水電站廠用電系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)進(jìn)行了深度分析研究。

2 負(fù)荷分析及用電電壓

南美洲的厄瓜多爾美納斯水電站的用電負(fù)荷包括地下廠房的機(jī)組自用電和公用電（含檢修用電）、230.000 kV開(kāi)關(guān)站的用電、大壩用電和進(jìn)水口用電等。在全部機(jī)組正常運(yùn)行和一臺(tái)機(jī)組檢修、其他機(jī)組正常運(yùn)行2種工況下，各用電部位統(tǒng)計(jì)負(fù)荷及計(jì)算負(fù)荷情況列于表1，計(jì)算負(fù)荷采用綜合系數(shù)法計(jì)算[1-3]。

因低壓用電電壓有0.480 kV和0.220 kV 2種，在設(shè)計(jì)中，需要對(duì)各類廠用負(fù)荷的供電電壓按用電負(fù)荷的性質(zhì)和特點(diǎn)進(jìn)行合理規(guī)劃。美納斯水電站的照明用電分電箱全部采用三相電壓0.220 kV進(jìn)線，除戶外路燈和少數(shù)大功率照明燈具外，照明燈具大多采用單相電壓0.127 kV。戶外路燈由于距離較遠(yuǎn)，采用相-相電壓0.220 kV，部分房間的單置空調(diào)也采用相-相電壓0.22 kV。動(dòng)力用電電壓按照功率大小進(jìn)行選擇，機(jī)組自用電和進(jìn)水口用電按功率大小，考慮到小容量的負(fù)荷回路比較多，因此，對(duì)大于10 kW的負(fù)荷電壓采用三相0.480 kV，考慮到小容量的負(fù)荷回路比較少，因此，對(duì)于不大于10 kW的負(fù)荷電壓采用三相0.220 kV。廠內(nèi)公用電（含檢修用電）、230 kV開(kāi)關(guān)站用電和大壩用電按功率大小，大于20 kW的負(fù)荷電壓采用三相0.480 kV，對(duì)于小于或等于20 kW的負(fù)荷電壓采用三相0.220 kV。采用三相0.480 kV和三相0.220 kV的功率分界線，基本上是根據(jù)各用電部位的用電回路負(fù)荷、回路數(shù)等因素進(jìn)行綜合分析后確定的。

3 廠用電系統(tǒng)接線方案

美納斯水電站發(fā)電機(jī)機(jī)端電壓為13.800 kV。由表1可知：地下廠房機(jī)組自用電和廠內(nèi)公用電的計(jì)算負(fù)荷共占77.9%（全部機(jī)組正常運(yùn)行）和79.2%（一臺(tái)機(jī)檢修、其他機(jī)組正常運(yùn)行），為了簡(jiǎn)化地下廠房用電系統(tǒng)的接線方式，將地下廠房機(jī)端電壓13.800 kV直接降壓至0.480 kV，以供機(jī)組的自用電和廠內(nèi)公用電。該水電站為長(zhǎng)引水式地下電站，地下廠房距離地面敞開(kāi)式開(kāi)關(guān)站的電氣距離超過(guò)了800 m，開(kāi)關(guān)站距離大壩與進(jìn)水口的電氣距離達(dá)20 km，因此地下廠房至開(kāi)關(guān)站、開(kāi)關(guān)站至大壩與進(jìn)水口之間的供電網(wǎng)絡(luò)，需采用中壓電壓等級(jí)進(jìn)行連接[2，4-6]。

厄瓜多爾電網(wǎng)的中壓配電電壓為22.000 kV，美納斯水電站的中壓系統(tǒng)采用了22.000 kV，將22.000 kV的配電裝置集中設(shè)置在開(kāi)關(guān)站內(nèi)。地下廠房?jī)?nèi)0.480 kV供電系統(tǒng)通過(guò)2回0.480 kV/0.220 kV的升壓配電變升壓至22.000 kV后，再通過(guò)22.000 kV的電纜和開(kāi)關(guān)站連接，開(kāi)關(guān)站22.000 kV的配電裝置再通過(guò)22.000 kV的電纜轉(zhuǎn)架空線向大壩與進(jìn)水口供電。

為了使電站全廠停機(jī)時(shí)的廠用電能夠得到保障，由當(dāng)?shù)嘏潆婋娋W(wǎng)引接1回22.000 kV線路至開(kāi)關(guān)站22.000 kV系統(tǒng)[7]。開(kāi)關(guān)站、大壩、進(jìn)水口分別設(shè)置有22.000 kV降壓為0.480 kV的變電所，以便向開(kāi)關(guān)站、大壩、進(jìn)水口用電設(shè)備供電。為了向照明燈具及小負(fù)荷三相用電設(shè)備供電，在地下廠房機(jī)組自用電與檢修用電、開(kāi)關(guān)站用電、大壩用電、進(jìn)水口用電的0.480 kV供電回路上，分別設(shè)置了0.480 kV/0.220 kV的降壓配電變回路，用于向三相0.220 kV、單相0.127 kV、兩相0.220 kV用電設(shè)備供電。地下廠房用電和開(kāi)關(guān)站、大壩及進(jìn)水口用電接線簡(jiǎn)圖分別如圖1和圖2所示。

4 廠用電系統(tǒng)設(shè)備的選擇

地下廠房發(fā)電機(jī)端13.800 kV電壓側(cè)，通過(guò)2臺(tái)13.800 kV/0.480 kV降壓變，向全廠及壩區(qū)供電。電站發(fā)電機(jī)組為3臺(tái)，為了保證運(yùn)行的靈活性及可靠性，在1號(hào)和2號(hào)發(fā)電機(jī)端均引接13.800 kV相互閉鎖的回路至1臺(tái)13.800 kV/0.480 kV降壓變，在2號(hào)和3號(hào)發(fā)電機(jī)端也均引接13.800 kV相互閉鎖的回路至另1臺(tái)13.800 kV/0.480 kV降壓變，

為滿足廠用電及壩區(qū)各部位的用電負(fù)荷需求，根據(jù)表1，

將每臺(tái)降壓變的容量選擇為2 500 kVA。地下廠房0.480 kV/22.000 kV的升壓變也設(shè)置有2臺(tái)，每臺(tái)容量?jī)H需滿足機(jī)組的自用電和全廠公用電的需求，通過(guò)根據(jù)表1進(jìn)行計(jì)算，選擇為2 000 kVA。

在開(kāi)關(guān)站設(shè)置有1臺(tái)降壓變，其容量除了可以滿足開(kāi)關(guān)站的用電需求外，還需滿足應(yīng)急工況下接在0.480 kV母線上的1 000 kVA的柴油發(fā)電機(jī)的用電需求;升壓為22.000 kV后，為了滿足地下廠房供電的需求，降壓變?nèi)萘窟x擇為1 000 kVA;地下廠房因?yàn)椴裼桶l(fā)電機(jī)運(yùn)行排煙困難，所以需設(shè)置應(yīng)急柴油發(fā)電機(jī)，并將其就近布置在開(kāi)關(guān)站。

大壩、進(jìn)水口各設(shè)置有1臺(tái)0.220 kV/0.480 kV降壓變，考慮到閘門同時(shí)啟動(dòng)的需要，將容量分別選擇為500 kVA和200 kVA。

5 廠用電運(yùn)行方式與中性點(diǎn)接地研究

關(guān)于廠用電系統(tǒng)的運(yùn)行方式，美納斯水電站水庫(kù)容量比較小，雨季時(shí)（每年12月至次年5月），河流來(lái)水較多，電站機(jī)組一般開(kāi)啟1～3臺(tái)，以承擔(dān)電網(wǎng)基荷，而電站廠用電則由本電站發(fā)電機(jī)提供;旱季時(shí)，河流來(lái)水較少（每年6～11月），電站機(jī)組承擔(dān)電網(wǎng)腰荷或峰荷，此時(shí)電站機(jī)組啟停較頻繁，可能會(huì)全廠停機(jī)，為了避免開(kāi)關(guān)的頻繁操作影響到機(jī)組運(yùn)行的可靠性，電站廠用電由電網(wǎng)22.000 kV外來(lái)電源提供。另外，作為地下廠房和開(kāi)關(guān)站應(yīng)急的保安電源，并同時(shí)滿足1臺(tái)機(jī)組啟動(dòng)的用電負(fù)荷要求，在開(kāi)關(guān)站設(shè)置了1臺(tái)1 000 kVA的柴油發(fā)電機(jī);作為壩區(qū)的防洪應(yīng)急保安電源，在大壩設(shè)置了1臺(tái)700 kVA的柴油發(fā)電機(jī)。

美納斯當(dāng)?shù)仉娋W(wǎng)0.480 kV系統(tǒng)和22.000 kV系統(tǒng)均為接地系統(tǒng)，與中國(guó)電網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)低壓0.380 kV為接地系統(tǒng)、中壓10.000 kV為不接地系統(tǒng)不同，美納斯水電站在進(jìn)行地下廠房0.480 kV/22.000 kV升壓變的接線組別選擇設(shè)計(jì)時(shí)[8]，碰到了一個(gè)與系統(tǒng)接地相關(guān)聯(lián)的問(wèn)題，即按傳統(tǒng)方法，0.480 kV/22.000 kV升壓變的接線組別應(yīng)選擇為Y0/Δ或Δ/Y0。若選取Y0/Δ，會(huì)造成電站22.000 kV電壓側(cè)無(wú)接地點(diǎn)，在地下廠房向開(kāi)關(guān)站22.000 kV系統(tǒng)供電運(yùn)行的方式下，就會(huì)使開(kāi)關(guān)站22.000 kV來(lái)自電網(wǎng)的電源線路處于斷開(kāi)的狀態(tài)，而電站22.000 kV電氣設(shè)備的絕緣水平又不滿足無(wú)接地系統(tǒng)的絕緣要求;若選取Δ/Y0，在電站全廠停機(jī)或機(jī)組調(diào)峰頻繁啟停、電站廠用電由開(kāi)關(guān)站22.000 kV來(lái)自電網(wǎng)的電源線路提供運(yùn)行的方式下，地下廠房13.800 kV/0.480 kV降壓變就會(huì)處于斷開(kāi)狀態(tài)，地下廠房0.480 kV系統(tǒng)無(wú)接地點(diǎn)，則不滿足電站低壓0.480 kV電氣設(shè)備的運(yùn)行要求。如果選取Y0/Y0接線組別，由于配電變壓器采用心式鐵心結(jié)構(gòu)，3次諧波不能沿鐵心閉合，只有借道油箱壁閉合，因此會(huì)在油箱壁或其他鐵構(gòu)件中產(chǎn)生渦流損耗，從而會(huì)降低配電變壓器效率，相關(guān)電機(jī)學(xué)文獻(xiàn)[9]也提到，配電變壓器容量不大于1 600 kVA時(shí)才采用這種接線組別。

針對(duì)上述問(wèn)題，對(duì)0.480 kV系統(tǒng)和開(kāi)關(guān)站22.000 kV系統(tǒng)的雙接地問(wèn)題進(jìn)行了專題研究和方案比較。第一個(gè)方案，是考慮了在地下廠房0.480 kV或開(kāi)關(guān)站22.000 kV母線上設(shè)置人工接地點(diǎn)的方案，這樣就需配置2臺(tái)接地變壓器（一段母線一臺(tái)），而且經(jīng)估算，接地變壓器容量需幾百千伏安，體積較大，設(shè)備布置較困難，運(yùn)行也更復(fù)雜。

另外一個(gè)方案是設(shè)置變壓器平衡繞組。該方案需將原0.480 kV/22.000 kV雙繞組升壓變?cè)鲈O(shè)一個(gè)平衡繞組，而且需要將變壓器改為Y0/Y0/Δ接線組別的三卷式變壓器。但是這個(gè)方案又增加了配電變壓器的制造難度，且在干式變壓器中，這種型式的制造經(jīng)驗(yàn)很少。

經(jīng)過(guò)與設(shè)備制造單位進(jìn)行充分溝通，并查找了2015年版的干式電力變壓器國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 10228—2015[10]，認(rèn)為在采用新的工藝及材料后，0.480 kV/22.000 kV干式變壓器Y0/Y0接線組別的制造容量可達(dá)2 500 kVA，在該容量下，Y0/Y0接線組別的變壓器是安全可靠的。因此，設(shè)計(jì)中將地下廠房0.480 kV/22.000 kV、2 000 kVA升壓變的接線組別設(shè)計(jì)為Y0/Y0，這樣既滿足了電站各種運(yùn)行方式的要求，電氣設(shè)備布置也無(wú)需進(jìn)行較大調(diào)整，從而也解決了地下廠房0.480 kV系統(tǒng)和開(kāi)關(guān)站22.000 kV系統(tǒng)的雙接地問(wèn)題。

6 結(jié) 論

南美洲的厄瓜多爾美納斯水電站首臺(tái)機(jī)組于2018年9月26日一次并網(wǎng)成功，監(jiān)測(cè)顯示電站各系統(tǒng)運(yùn)行正常，主要電氣設(shè)備運(yùn)行參數(shù)優(yōu)良。通過(guò)對(duì)該項(xiàng)目的設(shè)計(jì)過(guò)程進(jìn)行總結(jié)，發(fā)現(xiàn)在對(duì)南美洲厄瓜多爾美納斯水電站的廠用電系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，對(duì)出現(xiàn)的關(guān)鍵問(wèn)題給予了很好的解決，可為今后類似工程提供借鑒。

（1） 南美洲國(guó)家低壓系統(tǒng)的三相電壓有0.480 kV和0.220 kV 2種，因此在設(shè)計(jì)中，需要對(duì)各類廠用電負(fù)荷的供電電壓按用電負(fù)荷的性質(zhì)和特點(diǎn)進(jìn)行合理規(guī)劃。

（2） 地下廠房發(fā)電機(jī)機(jī)端電壓可直接降壓至0.480 kV，供廠房?jī)?nèi)用電;廠外用電則通過(guò)變壓器將0.480 kV升壓至中壓22.000 kV后才能提供用電，為了簡(jiǎn)化布置，地下廠房?jī)?nèi)不設(shè)置22.000 kV開(kāi)關(guān)裝置。

（3） 南美洲國(guó)家的中壓22.000 kV和低壓0.480 kV均為接地系統(tǒng)，在容量不大于2 500 kVA時(shí)，可選用接線組別為Y0/Y0的0.480 kV/22.000 kV變壓器，這樣可以同時(shí)解決0.480 kV系統(tǒng)和22.000 kV系統(tǒng)的雙接地問(wèn)題。

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（編輯：趙秋云）

Research on design of auxiliary power system plan for Minas Hydropower Station in Ecuador

YANG Jie，ZHU Zhao，LI Xuan

（Changjiang Survey，Planning，Design and Research Co.，Ltd.，Wuhan 430010，China）

Abstract：

With the implementation of “the Belt and Road”，more and more Chinese companies are building hydropower stations overseas，including South America.The low and medium voltage standard system in South America is completely different with that in China，namely the low voltage of the South American hydropower stations adopts two-stage of the three-phase voltage 480V and 220V，and the medium voltage adopts the auxiliary power system plan with the three-phase voltage 22kV.Taking the Minas Hydropower Station in Ecuador as an example，we made in-depth analysis and demonstration on load statistics and the power voltage for low and medium voltage in auxiliary power system，wiring plan and operation mode，equipment selection and configuration，etc.Combining with the design plan，we compared and analyzed the problem of realizing 480V and 22kV double grounding in the power station，and proposed a solution of designing transformer wiring group as Y0/Y0.The results of design analysis can provide references for new construction or renovation of hydropower stations in South America.

Key words：

auxiliary power system;wiring plan;grounding mode;low and medium voltage standard system;Minas Hydropower Station;Ecuador