水電站電氣主接線優(yōu)化設(shè)計(jì)

王晨曦

四川省水利水電勘測設(shè)計(jì)研究院有限公司 四川 成都 610000

引言

對于傳統(tǒng)水電站電氣主線路設(shè)計(jì)工作中，涉及的設(shè)計(jì)內(nèi)容主要有短路分析、配電設(shè)備、無功補(bǔ)償、變壓器等，其中短路計(jì)算和設(shè)備的選取是傳統(tǒng)電氣設(shè)計(jì)模式下的重點(diǎn)任務(wù)，在傳統(tǒng)設(shè)計(jì)思路下，對于電氣主接線方式的了解不太深入，而在目前電力技術(shù)高速發(fā)展的背景下，電氣主接線已經(jīng)成為一項(xiàng)新式的重要接線方式，在水電站電氣設(shè)計(jì)領(lǐng)域獲得了大范圍運(yùn)用，同時(shí)也逐漸在實(shí)際水電建筑中發(fā)揮出越來越重要的作用，所以，在開展電氣設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)當(dāng)對主接線設(shè)計(jì)進(jìn)行重點(diǎn)關(guān)注，加強(qiáng)對其設(shè)計(jì)方案的優(yōu)化調(diào)整。

1 小型水電站電氣主接線設(shè)計(jì)的注意事項(xiàng)

1.1 解決近區(qū)負(fù)荷的供電問題

水電站和火電廠之間存在一定差異，通常是一次建設(shè)完畢，后續(xù)不會進(jìn)行擴(kuò)建；而且水電站開機(jī)程序非常簡單，機(jī)組啟動速度較快，同時(shí)還較易實(shí)現(xiàn)自動化與智能化；和負(fù)荷中心間隔距離較遠(yuǎn)，不存在較大的近區(qū)負(fù)荷，使用升高電壓運(yùn)送電能，出線回路不多，大多數(shù)是調(diào)峰運(yùn)作，啟停非常頻繁[1]；和火電廠與降壓變電所有所不同，通常不會預(yù)先留設(shè)出線回路；水電廠內(nèi)所用電能負(fù)荷較低，通常不會從高壓側(cè)接線，而且備用廠用電源能夠由地區(qū)配電網(wǎng)或者是保留施工變電站提供；水電站大多修建在狹小的山區(qū)地帶，開關(guān)站往往不會作為分配或者是中轉(zhuǎn)電能的變電站，對于電氣主接線而言愈是簡單、清晰愈佳；處于相同河流上的梯級水電站或者是地理位置臨近的幾處水電站，電站相互間不僅存在電能的聯(lián)系，同時(shí)還在水方面存在聯(lián)系；水電站在進(jìn)行電氣主接線設(shè)計(jì)過程中，需要合理解決近區(qū)負(fù)荷的供電需求。

1.2 過電壓保護(hù)和接地設(shè)計(jì)

過電壓保護(hù)與接地設(shè)計(jì)應(yīng)當(dāng)按照實(shí)際水電站工程情況進(jìn)行設(shè)計(jì)。比如，在進(jìn)行某一處小型水電站設(shè)計(jì)時(shí)，可采取下述方法實(shí)行過電壓保護(hù)與接地設(shè)計(jì)：①直擊雷保護(hù)。把避雷設(shè)備安裝在電站的屋頂處，再將接地扁鋼和地網(wǎng)進(jìn)行連接，可以充分避免水電站受到直擊雷的危害，避雷帶要和尾水接地網(wǎng)進(jìn)行連接。升壓站的直擊雷防護(hù)需要采取兩支高度為24m的避雷針作為保護(hù)，而且每一支避雷針都需要單獨(dú)設(shè)置。對于雷電侵入波的過壓保護(hù)，需要在升壓站35kV進(jìn)線設(shè)置一道長度在1～2km左右的避雷線，將雷電沿著導(dǎo)線侵入的坡度控制在可承受的范圍內(nèi)，讓經(jīng)過避雷器的沖擊電流值不高于5kA。并且，為避免雷電波流至升壓站使得現(xiàn)場機(jī)械設(shè)備受到損壞，需要在35kV母線安裝一組氧化鋅Y5W-42/134型避雷裝置。因?yàn)槔纂姴軌蜓刂?10kV線路進(jìn)行攻擊，所以需要在此線路中安裝避雷線，把浪涌保護(hù)裝置安裝在低壓配電柜中發(fā)揮出保護(hù)效果[2]。②接地。避雷接地主要是由垂直接地體與水平接地體構(gòu)成，前者是由十條長度為2.5m的50×5的角鋼構(gòu)成，后者則是由長度為30m的40×4扁鋼構(gòu)成，且接地電阻值不得高于10Ω。神電站的工作節(jié)點(diǎn)則是由40×4的扁鋼水平接地體構(gòu)成，在設(shè)備接地部位一同設(shè)置12條長度為2.5m的50×50角鋼垂直接地體，且接地電阻值不可超過4Ω。廠房主要是鋼筋砼結(jié)構(gòu)，對于廠房基礎(chǔ)鋼筋和接地網(wǎng)應(yīng)當(dāng)進(jìn)行連接處理。

1.3 微機(jī)監(jiān)控綜合及自動化系統(tǒng)

按照小型水電站的基本狀況與滿足減少值班人員數(shù)量的需求，可主要使用計(jì)算機(jī)監(jiān)控方式，并輔以常規(guī)監(jiān)控，比如采取亞太公司研發(fā)的分層分布式結(jié)構(gòu)的DZWX-2000水電站計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)，該系統(tǒng)主要構(gòu)成包括上位機(jī)系統(tǒng)、當(dāng)?shù)乜刂颇K、水輪機(jī)操控系統(tǒng)、勵(lì)磁屏等。其中，上位機(jī)所涵蓋的設(shè)備有一臺監(jiān)控主機(jī)、打印機(jī)以及可以持續(xù)使用的電源；當(dāng)?shù)乜刂颇K一共有6組，而機(jī)組當(dāng)?shù)乜刂颇K、水輪機(jī)調(diào)速裝置、可控硅勵(lì)磁設(shè)備各有2組。

首先，上位機(jī)和調(diào)度中心或者是信管系統(tǒng)之間的通信也采取SDT通信協(xié)議加以實(shí)現(xiàn)，或是可以按照實(shí)際需求將水電站的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)發(fā)送至辦公室或廠長個(gè)人終端；其次，監(jiān)控主機(jī)能夠自動化地做好對水電站實(shí)時(shí)情況的收集、整理、監(jiān)控、對于監(jiān)控對象運(yùn)行參數(shù)實(shí)行調(diào)整、發(fā)出警告以及意外事故的登記、遙控操作、水電站歷史信息查詢、報(bào)表匯總與處理，實(shí)時(shí)顯示出電站運(yùn)作狀態(tài)與參數(shù)情況等；最后，危機(jī)自動控制系統(tǒng)需采取一機(jī)一屏的模式，將一次設(shè)備與二次設(shè)備組建成一整塊屏幕。而屏內(nèi)一次設(shè)備主要有隔離刀開關(guān)裝置、自動空氣開關(guān)、電流/電壓互感裝置以及熔斷器等，二次設(shè)備不僅有微機(jī)測量、保護(hù)以及控制裝置，還要安裝一機(jī)一臺同期表[3]。

1.4 發(fā)電機(jī)斷路器的裝設(shè)方案

對于每一個(gè)發(fā)電機(jī)-變壓器單元的機(jī)端都需要安裝發(fā)電機(jī)出口斷路器，此項(xiàng)措施的優(yōu)勢體現(xiàn)在：①②③安裝發(fā)電機(jī)斷路器之后，水電站同期能夠不在變壓器高壓端進(jìn)行，而是能夠基于斷路器完成。若是使用220kVGIS斷路器，因?yàn)槠洳⒎鞘侨嗦?lián)動，而在同期操作過程中存在出現(xiàn)單相或者是兩相拒動的概率，并且發(fā)電機(jī)斷路器屬于三相聯(lián)動，相間分合閘不同期時(shí)間較短，并不會產(chǎn)生單相或者是兩相拒動的問題，并且，在同期中只用率先操控一組13.8kV隔離開關(guān)便能夠做到同期操作，可以操作的設(shè)備數(shù)量不多，顯著降低了誤操作的概率。此外，GIS高壓斷路器使用壽命為分合閘總循環(huán)次數(shù)5000次不檢修與替換零部件，而根據(jù)《高壓交流發(fā)電機(jī)斷路器》GB/T 14824-2008中的相關(guān)規(guī)定，需要進(jìn)行頻繁操作的發(fā)電機(jī)斷路器，其不檢修總操作次數(shù)可以為10000次。從此方面來看，發(fā)電機(jī)斷路器比較適合運(yùn)用在需要頻繁操作的場合中。

2 水電站電氣主接線設(shè)計(jì)方案

2.1 發(fā)電機(jī)電壓側(cè)接線

主變壓器作為水電站運(yùn)作期間的關(guān)鍵設(shè)備，技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)按照水電站建設(shè)規(guī)模合理設(shè)置主變壓器的安裝數(shù)目，以建設(shè)較為普遍的中小型水電站為例，通常會設(shè)有2臺主變壓器，在此條件下，對于發(fā)電機(jī)電壓側(cè)接線方法主要包括下述幾種。

2.1.1 單母線與單母線分段接線。單母線接線方式最為突出的優(yōu)勢便是接線流程十分簡單易行，不過也存在嚴(yán)重的缺陷，比如當(dāng)母線出現(xiàn)故障，則為確保檢修人員的人身安全以及有關(guān)電氣機(jī)械設(shè)備的安全性，一般要求將水電站全部設(shè)備都停止運(yùn)行，這樣就會對水電站的正常運(yùn)作帶來影響。針對此問題，技術(shù)人員慢慢提出了單母線分段接線方式，即把母線之間通過并聯(lián)的形式加以連接，如果其中某一段母線出現(xiàn)了故障，則只用啟動備用線路便可使水電廠持續(xù)、穩(wěn)定、安全運(yùn)作，有效確保了線路運(yùn)作的安全性，并且單母線分段接線方式具有各條線路連接十分清晰明了的特征，水電廠內(nèi)不同電氣機(jī)械設(shè)備相互間的工作并不會因?yàn)楣收隙艿接绊?，極大程度上提高了電氣主接線設(shè)計(jì)的合理程度。

2.1.2 單元接線方式。也就是在主變壓器下分別接通2條直線，其中一條要求裝設(shè)廠用變壓器，另外一條要求裝設(shè)發(fā)電機(jī)組，采用線路分流的形式大幅提高了水電站主接線的穩(wěn)定程度，有效確保了主變壓器和發(fā)電機(jī)的容量匹配性，充分減少了因?yàn)榘l(fā)電機(jī)運(yùn)作而引起的連接線路受熱故障的問題發(fā)生，不過此時(shí)投資金額會有所提高，就實(shí)際使用角度考慮，單元連接的方式具有較高的應(yīng)用價(jià)值。

2.1.3 擴(kuò)大單元接線。將單元接線予以擴(kuò)大，有效簡化了電氣結(jié)構(gòu)，例如原本要求安裝兩臺主變壓器，而在此接線方式下，只用使用一臺主變壓器便可以完成對應(yīng)的工作要求，即使有一臺主變壓器出現(xiàn)了故障，其他備用變壓器也會接替其位置發(fā)揮應(yīng)有的作用，確保水電站持續(xù)穩(wěn)定運(yùn)行[4]。

2.2 升高電壓側(cè)的接線模式

一般而言，水電站的主變壓器會用到兩繞組變壓器，此種變壓器具有非常高的絕緣性以及耐高溫效果，尤其是在夏季高溫天氣時(shí)，居民用電量大幅提高，水電站所承受的載荷壓力比較高，采取繞組變壓器能夠有效減輕水電廠的運(yùn)作壓力。而在采取升高電壓側(cè)接線方式期間，根據(jù)接線位置的差別，又可將其細(xì)分成下述幾種方式。

2.2.1 變壓器線路組接線。此種接線方式具有簡單易操作的特征，是通過采取外增倒流線路的措施來提高變壓器運(yùn)作效率，相較于變壓器來說，連接導(dǎo)線的電阻整體上能夠忽略不計(jì)，因此有可能發(fā)生的變壓器短路故障再加之主接線電氣設(shè)計(jì)采取的圍單線路連接方式，在實(shí)行維修工作期間就必須將整個(gè)水電站都進(jìn)行停電，所以許多水電站漸漸不再采取此種接線方法[5]。

2.2.2 單母線與單母線分段接線。不同于發(fā)電機(jī)電壓側(cè)接線方式，在升高電壓側(cè)單母線分段接線所花費(fèi)的成本不高，并且在具體線路中所使用的電氣裝置數(shù)目和種類都非常單一，此種接線方法會導(dǎo)致同條母線承擔(dān)的電流/電壓值減小，適合使用的范圍較小。因此，在水電站具體開展電氣主接線設(shè)計(jì)工作時(shí)，技術(shù)工作人員可通過將某段母線和發(fā)電機(jī)組進(jìn)行連接的措施來發(fā)揮出繼電保護(hù)的效果，并且，還能夠在母線周圍增設(shè)隔離開關(guān)，如果其中一段母線出現(xiàn)故障，則隔離開關(guān)便會發(fā)揮出相應(yīng)的保護(hù)功能，充分防止在實(shí)行檢修維護(hù)期間出現(xiàn)斷電的情況。

2.2.3 橋形連接。有些水電站采取的是“兩進(jìn)兩出”的形式，如果采用單母線和單母線分段接線的方法，由于兩回路間變壓器功率存在差異，所以，電氣主接線無法直接接通起來，如此便會導(dǎo)致水電站發(fā)電功率減小。但橋形連接可以很好地實(shí)現(xiàn)對功率的平衡調(diào)控，從而提高水電站內(nèi)電氣主接線設(shè)計(jì)的合理、科學(xué)與穩(wěn)定性。

3 結(jié)束語

綜上所述，水電站是當(dāng)前國內(nèi)電力能源的關(guān)鍵性生產(chǎn)方式之一，特別是隨著社會經(jīng)濟(jì)的蓬勃發(fā)展，各行各業(yè)以及人們的日常生活都開始對電力資源有了更高的要求，水電廠承受的供電載荷大幅提高，加強(qiáng)對水電站電氣主接線的改進(jìn)設(shè)計(jì)，可以大幅提高電力系統(tǒng)運(yùn)作的安全和穩(wěn)定程度，更好地滿足新時(shí)代背景下人們對于水電站電能供應(yīng)的需求，使得水電站的安全程度和社會經(jīng)濟(jì)效益一同提高，有助于帶動水電產(chǎn)業(yè)朝著新的發(fā)展階段邁進(jìn)。