西藏林芝冰湖五級電站電氣設(shè)計的影響因素

陳志仙

（福建安瀾水利水電勘察設(shè)計院有限公司，福建 龍巖 364000）

林芝縣冰湖五級水電站位于林芝縣八一鎮(zhèn)內(nèi)，距離八一鎮(zhèn)約6.5 km，系尼洋河左岸支流八及曲河上的梯級水電站，設(shè)計裝機(jī)容量3×7000 kW。電站主廠房地面高程3150 m，布置3 臺混流臥式水輪發(fā)電機(jī)組，副廠房布置于主廠房上游側(cè)，設(shè)有兩層，底層副廠房高程3144.00 m，主要布置水力機(jī)械輔助設(shè)備，上層副廠房高程3150 m即地面層，布置有高壓開關(guān)室、勵磁變室、中央控制室、廠用低壓配電室；電纜敷設(shè)于該層樓板下，高壓開關(guān)柜通過電力電纜敷設(shè)在電纜溝至戶外變壓器。

電站建成后，從電站電氣專業(yè)設(shè)計角度總結(jié)，高海拔地區(qū)和西藏特有的電網(wǎng)要求，在電站的一次設(shè)備選型、布置和二次自動化通信方面，有著和平原地區(qū)及南方水電站以下不同的多個方面要點。

1 設(shè)備選擇與布置

根據(jù)《電力工程電氣設(shè)計手冊（電氣一次部分）》，海拔高程超過1000 m 的屬于高原地區(qū)，冰湖五級電站位于海拔3150 m以上的高程。

因此高海拔地區(qū)的水電站的電氣設(shè)備的外絕緣需要根據(jù)海拔高度進(jìn)行修正，為了使高海拔地區(qū)的電氣設(shè)備具有足夠的耐擊穿能力，必需增大設(shè)備相間的空隙間隙即A1值和設(shè)備絕緣子的爬電距離，所謂的高原型設(shè)備就是廠家根據(jù)海拔高度來進(jìn)行修正計算后的技術(shù)參數(shù)高于標(biāo)準(zhǔn)氣象條件的設(shè)備參數(shù)。根據(jù)《交流電氣裝置的過電壓保護(hù)和絕緣配合》規(guī)范中附錄D 外絕緣放電電壓的氣象條件校正公式，即標(biāo)準(zhǔn)氣象條件下的放電電壓是海拔3150 m的放電電壓的1.49倍。

冰湖電站發(fā)電機(jī)機(jī)端出線為6.3 kV，根據(jù)現(xiàn)行的產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)化的要求，發(fā)電機(jī)6 kV機(jī)端配電設(shè)備的技術(shù)參數(shù)與10 kV 電壓等級的是統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)，開關(guān)設(shè)備絕緣基本采用統(tǒng)一等級，前面氣象條件修正后計算結(jié)果，用10 kV電壓等級的常規(guī)KYN28開關(guān)柜來布置冰湖五級電站的發(fā)電機(jī)機(jī)端配電裝置顯然絕緣等級不夠。高海拔氣象條件的變化，影響了開關(guān)柜內(nèi)真空斷路器的外絕緣，開關(guān)柜內(nèi)電流、電壓互感器及絕緣子套管等的相間距離和絕緣爬距，以及因為散熱差降容使用引起的母線規(guī)格增大，這些增強(qiáng)絕緣等級和降容措施都將使柜內(nèi)元件及開關(guān)柜本體的外形尺寸變大，導(dǎo)致高壓開關(guān)室布置的空間也需要加大，設(shè)備的操作通道也增大。因此在施工設(shè)計階段，開關(guān)柜訂貨時須根據(jù)計算成果跟制造廠家提出必要的技術(shù)要求，采用高原型產(chǎn)品。實際上很多開關(guān)柜廠家沒有研發(fā)針對各海拔高度的高原型標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備，這時需要根據(jù)制造廠家提供的技術(shù)參數(shù)選擇更高一個電壓等級的開關(guān)柜，例如20 kV 等級的高壓開關(guān)柜。在水電站電氣副廠房布置設(shè)計時，需要提前校核業(yè)主意向的設(shè)備廠家的高原型開關(guān)柜或者高一個絕緣等級的高壓開關(guān)柜的外形尺寸，給高壓開關(guān)室留出足夠的布置空間和操作廊道，以免影響后期的運維通道。同樣低壓設(shè)備和變壓器的外絕緣也各自影響著低壓屏和變壓器的外形尺寸，設(shè)計應(yīng)該足夠重視由于設(shè)備外形尺寸增大而引起的布置空間的增大，而不能憑經(jīng)驗采用布置普通型高低壓屏柜的設(shè)計參數(shù)。

2 110 kV升壓站的布置設(shè)計

施工階段比較了110 kV升壓站的布置型式，主要比較戶外常規(guī)中型布置方式和戶外GIS 與戶內(nèi)GIS全封閉組合電器3種布置方式，冰湖五級電站地處高海拔，空氣較為稀薄，日夜溫差大、日照強(qiáng)，紫外線強(qiáng)，較為惡劣的氣候直接影響了電氣設(shè)備的外絕緣的老化和損壞；同時該電站所在地區(qū)秋冬季節(jié)風(fēng)沙大，風(fēng)沙會腐蝕和覆蓋布置于戶外的隔離開關(guān)及裸露在外面的電氣設(shè)備的觸頭，使觸頭元件接觸不良，觸頭電阻加大和散熱變差；考慮在高海拔偏遠(yuǎn)的地區(qū)專業(yè)檢修費用也較高，而且往往在最惡劣的天氣情況下，最容易發(fā)生電氣設(shè)備故障，檢修人員和檢修工作很難及時到位快速展開，綜上因素，戶外裸露帶電部分的設(shè)備布置方式，不適宜在惡劣的環(huán)境因素下使用，設(shè)計不推薦戶外敞開式的中型布置方案。

進(jìn)一步對比較戶內(nèi)和戶外GIS 全封閉式組合電器設(shè)備進(jìn)行經(jīng)濟(jì)技術(shù)比較，通過與國內(nèi)GIS 制造廠家技術(shù)咨詢，大型廠家具有針對高原型的成套GIS設(shè)備，冰湖五級電站的廠區(qū)具有足夠的戶外空間，林芝地區(qū)土建三材成本較高，比較了戶內(nèi)GIS 室的土建投資和戶內(nèi)外GIS 的設(shè)備差價，最后選定戶外GIS 布置方案,在經(jīng)濟(jì)上優(yōu)于戶內(nèi)設(shè)備，采用的戶外封閉組合電器，在檢修和巡視上都減輕了很大的工作量，供電的可靠性也得到保證。

冰湖五級電站處于高海拔寒冷地區(qū)，GIS 組合電器還應(yīng)向制造廠家提出附加電熱加溫裝置，防止SF6氣體液化。在布置上除了對設(shè)備的外絕緣引起的設(shè)備間距和布置空間的變化外，針對冬季，電站110 kV變壓器和出線桿塔的帶電部分對地距離也是需要考慮的一個重要因數(shù)，設(shè)計前期針對電站所在地的降雪厚度和凍土深度進(jìn)行調(diào)查和勘察，對電站50 年一遇的積雪厚度資料進(jìn)行收集，根據(jù)歷年的氣象資料，降雪厚度30～50 mm和凍土深度140 mm不會引起戶外出線桿塔帶電部分對地高度和接地帶的埋深情況。

3 廠用負(fù)荷的統(tǒng)計

冰湖五級電站地處高海拔地區(qū)，在冬季的寒冷天氣，也是枯水季節(jié)，電站的機(jī)組常處于部分機(jī)組停機(jī)的狀態(tài)，發(fā)電機(jī)的發(fā)電時產(chǎn)生的熱風(fēng)不足以供廠房內(nèi)取暖用，須在廠房內(nèi)設(shè)置采暖設(shè)施和廠外的電熱除冰設(shè)施，廠用電負(fù)荷統(tǒng)計時，要根據(jù)四季變化的負(fù)荷取可能出現(xiàn)的最大的負(fù)荷，本電站在冬季一臺機(jī)組檢修，另兩臺運行時，同時投入取暖設(shè)備時廠用負(fù)荷達(dá)到最大，其中加熱采暖設(shè)備的負(fù)荷達(dá)到了平時廠用電負(fù)荷的20%，因此選用的廠用變壓器容量根據(jù)冬季采暖加熱的最大負(fù)荷而擴(kuò)容20%。

4 關(guān)于接入系統(tǒng)設(shè)備的布置

西藏電網(wǎng)主要以220 kV電壓等級為主網(wǎng)架，通過+400 kV 的直流線路將原來孤網(wǎng)運行的西藏電網(wǎng)和西北電網(wǎng)相連，電網(wǎng)存在主力電源出力占比大，因此存在“大直流、小電網(wǎng)、大機(jī)小網(wǎng)”的現(xiàn)象，骨干環(huán)網(wǎng)構(gòu)架依然薄弱，光伏風(fēng)電等新能源的接入對電網(wǎng)安全穩(wěn)定運行的影響越來越大，由于電網(wǎng)負(fù)荷特性和電源出力特性不匹配，電源點的接入需要著重保障電網(wǎng)的穩(wěn)定性，所以冰湖五級電站的接入系統(tǒng)安全穩(wěn)定裝置，相比同規(guī)模接入國網(wǎng)框架建設(shè)現(xiàn)代化地區(qū)的水電站，對西藏電網(wǎng)穩(wěn)定性的影響作用更大，在安穩(wěn)控制和調(diào)度自動化裝置的軟件和硬件配置要求更高，系統(tǒng)要求了更多的安穩(wěn)設(shè)施和調(diào)度自動化設(shè)備。

根據(jù)西藏電網(wǎng)的雙平面建設(shè)，冰湖五級電站需要配置兩套的電力調(diào)度數(shù)據(jù)網(wǎng)接入設(shè)備，并配置1套安全防護(hù)設(shè)備。

為了實現(xiàn)西藏電網(wǎng)實時動態(tài)安全監(jiān)測，電站內(nèi)應(yīng)設(shè)置一套相量測量裝置（PMU），用于測量110 kV線路的三相電壓、三相電流等相量。

系統(tǒng)要求電站配置安全自動化裝置，根據(jù)電網(wǎng)運行的方式，如果直流換流站閉鎖或者接入系統(tǒng)的林芝中心變的聯(lián)絡(luò)線故障，為電網(wǎng)穩(wěn)定運行，接收系統(tǒng)發(fā)來的切除冰湖五級站的機(jī)組（高周高壓切機(jī)），設(shè)置了安全穩(wěn)控主機(jī)柜和從機(jī)柜。

電網(wǎng)要求電站配置一套針對110 kV電壓等級的故障錄波裝置，同時全站還要求配置1 套獨立的保護(hù)故障信息管理子站，把電站110 kV線路保護(hù)、發(fā)變組保護(hù)、故障錄波等裝裝置的保護(hù)信息接入該管理子站，并通過調(diào)度數(shù)據(jù)網(wǎng)通道遠(yuǎn)傳至區(qū)調(diào)主站系統(tǒng)。

電站需要配置1 臺安全Ⅲ區(qū)工作站，具備調(diào)度運行、保護(hù)、自動化參數(shù)設(shè)置、調(diào)度兩票管理等功能，采用2 Mbit/s專線與各級調(diào)度主站交換信息。

系統(tǒng)通信方面，電站采用雙光纖通信電路，需要配置1 臺SDH 622 Mbit/s 光傳輸設(shè)備，配置一套PCM脈沖編碼調(diào)制設(shè)備供調(diào)度電話使用。

冰湖五級電站的裝機(jī)規(guī)模屬于小水電，與南方接入構(gòu)架堅強(qiáng)的國網(wǎng)系統(tǒng)的同規(guī)模小水電相比，西藏電網(wǎng)要求電站配置的安穩(wěn)裝置和調(diào)度自動化裝置要求更高，通信更加可靠緊密，這些裝置使電站廠內(nèi)、外通信電源的容量也增大，聯(lián)絡(luò)各子站的布線柜也增加。冰湖五級水電站接入系統(tǒng)方案是由另一家當(dāng)?shù)卦O(shè)計院設(shè)計，在施工設(shè)計前期，這些有關(guān)系統(tǒng)安穩(wěn)裝置的屏柜和通信設(shè)備還沒有訂貨，為不致引起電氣二次設(shè)備布置空間不足而影響土建專業(yè)的設(shè)計，與接入系統(tǒng)設(shè)計單位充分溝通、緊密聯(lián)系，根據(jù)既有電站的安穩(wěn)、通信遠(yuǎn)動設(shè)備，確定屏柜的布置方案，留出適當(dāng)?shù)膫溆闷廖恢?，冰湖五級電站設(shè)計繼電保護(hù)屏和安穩(wěn)裝置、遠(yuǎn)動通信屏統(tǒng)一布置在中央控制室，電站部分繼電保護(hù)屏柜和安全穩(wěn)定、遠(yuǎn)動通信屏柜分列布置，設(shè)計后期階段統(tǒng)計這些安穩(wěn)遠(yuǎn)動通信屏比國網(wǎng)片區(qū)同規(guī)模水電站多增加了5面屏，中央控制室需要更大的布置空間。

5 變壓器油的選擇

由于受高原地區(qū)空氣稀薄、對流減弱的影響，變壓器的允許溫升受到影響，根據(jù)歷史數(shù)據(jù)，冰湖五級電站所在地最低氣溫達(dá)到-15.3 ℃，同時由于電站水庫是日調(diào)節(jié)水庫，枯水季節(jié)存在著1#、2#機(jī)組與1#主變停運的情況，在寒冷天氣下停運的變壓器油容易凝結(jié)，影響間歇性的開機(jī)，因此在訂購變壓器時，應(yīng)該注意變壓器制造廠家的技術(shù)參數(shù)，其中除了高原地區(qū)特有的絕緣增強(qiáng)，變壓器油的凝固點需要低于最低氣溫-15.3 ℃，需要采用DB-25 號以上的變壓器油防凍，保證極端氣候下變壓器體自身的安全和運行時的散熱問題。

另外，對于變壓器油的密度也需要著重關(guān)注，按照IEC 60296變壓器油的密度，需要小于0.895 g/mL，冰的密度是0.9 g/mL，變壓器停運后的這個參數(shù)直接影響了在寒冷天氣下變壓器油的運行，如果廠家的油密度高于這個值，那么在0 ℃以下的溫度下停運的變壓器油中的水分會凝結(jié)成冰浮在油面上。這些浮冰粘附在電極上，當(dāng)變壓器投入運行時冰結(jié)晶融化增加導(dǎo)電性，可能出現(xiàn)放電的危險，而且變壓器油的密度大于0.895 g/mL，實際上很可能內(nèi)含了超標(biāo)的水分，因此設(shè)備采購的技術(shù)參數(shù)中對變壓器油的密度也要著重提出要求，密度不能超過標(biāo)準(zhǔn)值。

6 結(jié)束語

西藏冰湖五級電站根據(jù)海拔的氣象條件對設(shè)備的外絕緣放電電壓進(jìn)行修正，加強(qiáng)設(shè)備的絕緣要求，采用的高原型設(shè)備相比平原地區(qū)的水電站增大了高低壓配電室的布置空間和操作通道；根據(jù)西藏電網(wǎng)的特點和穩(wěn)定運行的要求，電站接入系統(tǒng)要求的安全穩(wěn)定控制裝置、調(diào)度自動化裝置和系統(tǒng)遠(yuǎn)動通信裝置，使得布置電氣二次設(shè)備的中控室的空間也增大；110 kV升壓站經(jīng)過經(jīng)濟(jì)技術(shù)比較后，采用三相共箱的戶外GIS 封閉式組合電器，廠用電的負(fù)荷容量在冬季采暖設(shè)備投入時達(dá)到最大，廠用變?nèi)萘吭龃鬄?15 kVA。由此可見，高原電站和西藏電網(wǎng)的特殊地理位置與網(wǎng)架特點，使得冰湖五級電站的電氣一二次設(shè)備的選型、布置和其他方方面面的因素與平原地區(qū)同規(guī)模電站相比，需要考慮更高的技術(shù)要求，更全面地設(shè)計要素。