《水力發(fā)電廠高壓電氣設(shè)備選擇及布置設(shè)計規(guī)范》修訂說明及淺析

黃 凱，溫鳳香，秦 瑩

（中國電建集團成都勘測設(shè)計研究院有限公司，四川 成都 610072）

0 前 言

DL／T5396—2007《水力發(fā)電廠高壓電氣設(shè)備選擇及布置設(shè)計規(guī)范》［1］（簡稱“原規(guī)范”）自2008年6月1日實施以來，在水電廠高壓電氣設(shè)備選擇及布置工作中發(fā)揮了重要的規(guī)范、指導(dǎo)作用。近年來，隨著水電工程的快速開發(fā)和高壓電氣設(shè)備制造技術(shù)的不斷發(fā)展，使得高壓電氣設(shè)備新的制造技術(shù)更成熟，高壓電氣設(shè)備的選擇及布置在水力工程設(shè)計中積累了更多的成功經(jīng)驗，同時相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)也對水力發(fā)電廠高壓電氣設(shè)備的選擇及布置提出了新的要求。因此，為了更好地適應(yīng)技術(shù)進步，使得高壓電氣設(shè)備選擇及布置設(shè)計更加符合安全實用、技術(shù)先進的合理要求，也符合現(xiàn)行最新規(guī)范要求，將成熟、可靠的新技術(shù)與新經(jīng)驗引入規(guī)范，并滿足《工程建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)編寫指南》2018年版的編制要求，因此修訂DL／T5396—2007《水力發(fā)電廠高壓電氣設(shè)備選擇及布置設(shè)計規(guī)范》是必要的。

根據(jù)國家能源局文件《國家能源局關(guān)于下達2016年能源領(lǐng)域行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)制（修）訂計劃的通知》（國能科技［2016］238號）的要求，編制組2016年開始組織開展《水力發(fā)電廠高壓電氣設(shè)備選擇及布置設(shè)計規(guī)范》［1］的修訂工作。從制定修訂規(guī)范大綱起，編制初稿、征求意見稿、修訂送審稿及最終審定稿，歷經(jīng)3年，新規(guī)范NB／T10345—2019《水力發(fā)電廠高壓電氣設(shè)備選擇及布置設(shè)計規(guī)范》于2019年12月獲得國家能源局批準(zhǔn)并予以正式發(fā)布。

1 修訂原則

修訂規(guī)范依據(jù)的主要原則如下：①貫徹執(zhí)行國家的有關(guān)法律、法規(guī)和方針政策，做到安全適用、技術(shù)先進、經(jīng)濟合理；②嚴(yán)格遵守《工程建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)編寫規(guī)定》（建標(biāo)［2008］182號）的要求；③充分借鑒現(xiàn)行有關(guān)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范，技術(shù)內(nèi)容保持協(xié)調(diào)一致；④系統(tǒng)總結(jié)近年來水電廠高壓電氣設(shè)備選擇及布置設(shè)計中的新問題及新技術(shù)的應(yīng)用，并將成熟的技術(shù)、成功的經(jīng)驗和新的要求納入規(guī)范。

2 主要修訂內(nèi)容

2.1 規(guī)范適用的電壓范圍

原規(guī)范中，水力發(fā)電廠標(biāo)稱電壓適用范圍為“3～500kV”。隨著近年來大容量、遠距離送電需求，水力發(fā)電廠接入系統(tǒng)最高電壓等級已提高至750kV（如拉西瓦水電站750kV接入系統(tǒng)）。因此，本次修訂將規(guī)范中“水力發(fā)電廠標(biāo)稱電壓”的適用范圍調(diào)整為“3～750kV”。

2.2 氣候環(huán)境條件

原規(guī)范4.0.8條中，對水力發(fā)電廠設(shè)計中所使用的導(dǎo)體、電氣設(shè)備環(huán)境溫度的選擇進行了較為詳細的規(guī)定，此次修訂基本沿用了原有要求。但鑒于目前越來越多的水電廠在高寒惡劣環(huán)境下開發(fā)，SF6氣體在超低溫下液化的問題已成為一個新的課題，因此新規(guī)范增加了關(guān)于屋外SF6絕緣設(shè)備環(huán)境溫度的選擇，采用SF6氣體絕緣的電氣設(shè)備應(yīng)選擇極端最低溫度進行考核。

2.3 導(dǎo)體的選擇

導(dǎo)體部分修編時，為便于設(shè)計者對規(guī)范的使用，編制組對原規(guī)范的章節(jié)進行了系統(tǒng)整理。根據(jù)水力發(fā)電廠電氣一次專業(yè)設(shè)計的慣例，將發(fā)電廠可能使用的所有導(dǎo)體按使用地點劃分為發(fā)電機電壓回路母線、110kV及以上高壓配電裝置導(dǎo)體兩大類，再根據(jù)兩類導(dǎo)體的電流大小、結(jié)構(gòu)特點及發(fā)電廠機組的型式等因素，針對每一種導(dǎo)體分別進行詳細規(guī)定。

對于金屬封閉母線，原規(guī)范只對金屬封閉母線進行了統(tǒng)一規(guī)定（原規(guī)范5.1.3及5.1.4條），但在水力發(fā)電廠的實際使用中，離相封閉母線與共箱封閉母線的選擇、結(jié)構(gòu)、使用條件均有較大差別；近年來國家和行業(yè)也分別出具了不同的規(guī)范，參見NB／T 25035—2014《發(fā)電廠共箱封閉母線技術(shù)要求》［2］與NB／T25036—2014《發(fā)電廠離相封閉母線技術(shù)要求》［3］，因此在此次修編中將離相封閉母線與共箱封閉母線分別進行了詳細規(guī)定。

根據(jù)目前水力發(fā)電廠的導(dǎo)體使用情況，新增了固體絕緣管型母線的選擇內(nèi)容，并對原規(guī)范里的軟導(dǎo)線、電纜及GIL等導(dǎo)體的一些規(guī)定進行了修改及補充。

2.4 主變壓器的型式選擇

關(guān)于主變壓器型式的選擇，原規(guī)范5.2.2條規(guī)定“主變壓器應(yīng)優(yōu)先采用三相式。當(dāng)運輸條件和布置場地受限制時，宜選用三相組合式變壓器；如運輸條件受限制但布置場地不受限制時，可選用單相變壓器組”。相對而言，單相變壓器組雖然在可靠性方面高于三相組合式變壓器，且具有安裝方便、干擾小、備用相設(shè)置方便等優(yōu)點，但其具有布置困難、占地面積大等缺點。單相變壓器組及三相組合式變壓器目前在國內(nèi)水力發(fā)電廠中都已具有了多年成熟、可靠的設(shè)計運行經(jīng)驗。例如，某設(shè)計單位設(shè)計的錦屏一級水電站（6組3×234MVA＋1臺234MVA備用變壓器）、官地水電站（4組3×233MVA＋1臺233MVA備用變壓器）采用了500kV單相變壓器組；溪洛渡水電站（18組860MW＋2組860MVA備用變壓器）、黃金坪水電站（3組222.3MVA＋1組306MVA）、瀑布溝水電站（6組3×233MVA）采用了500kV三相組合式變壓器。

在原規(guī)范發(fā)布時，國內(nèi)已有500kV電壓等級的變壓器采用解體運輸變壓器，但當(dāng)時國內(nèi)生產(chǎn)解體運輸變壓器廠家僅有一家，尚且缺乏解體運輸變壓器在大型水電站實際的運行經(jīng)驗以證明其可靠性，所以原規(guī)范正文沒有規(guī)定解體運輸變壓器型式。近十幾年來，隨著國內(nèi)水電行業(yè)的高速發(fā)展，裝機容量的提高及廠區(qū)地理位置的限制，使得水力發(fā)電廠主變壓器即使采用組合式三相或單相變壓器組，仍然受到對外重大件運輸?shù)南拗?，同時行業(yè)的發(fā)展推動了國內(nèi)制造廠解體運輸變壓器技術(shù)的進步，解體運輸變壓器在大型水電站中不斷投入使用。目前某單位設(shè)計的龍頭石水電站、大崗山水電站、長河壩水電站、猴子巖水電站等發(fā)電廠的500kV主變壓器均采用解體運輸變壓器，已安全運行多年，積累了多年的設(shè)計運行經(jīng)驗。因此，本次修編時，增加了解體運輸變壓器型式。

綜上，修編組認(rèn)為目前國內(nèi)具有較強的單相變壓器組、三相組合式變壓器及解體運輸變壓器的設(shè)計制造能力及成熟的運行經(jīng)驗，因受運輸條件限制，水電工程的變壓器可根據(jù)不同電站的邊界條件，通過技術(shù)經(jīng)濟比較來選擇不同的型式。故主變壓器型式的選擇條文修訂為“主變壓器應(yīng)優(yōu)先采用三相變壓器，當(dāng)運輸條件受限制時可選用三相組合式電力變壓器、單相變壓器組或解體運輸電力變壓器”。

2.5 真空發(fā)電機斷路器兩側(cè)裝設(shè)阻容吸收裝置

此次修編中增加了“4.4.6真空發(fā)電機斷路器兩側(cè)宜裝設(shè)阻容吸收裝置”的要求。目前，中小型水力發(fā)電廠的發(fā)電機斷路器已廣泛采用真空發(fā)電機斷路器，斷路器操作過電壓保護裝置采用阻容吸收裝置，具體應(yīng)設(shè)置在一側(cè)還是兩側(cè)均需裝設(shè)是需要進行計算來確定的。編制組在調(diào)研收集資料時發(fā)現(xiàn)，由于阻容吸收裝置的參數(shù)計算較為復(fù)雜，不少發(fā)電廠在未經(jīng)計算情況下僅在一側(cè)設(shè)置阻容吸收裝置，其過電壓保護可能存在風(fēng)險。由于阻容吸收裝置造價較低、安全可靠性高且?guī)缀醪粫黾舆\行維護工作量，因此增加條款予以規(guī)定。

2.6 發(fā)電機中性點設(shè)備的選擇

原規(guī)范“5.14消弧線圈及接地變壓器”的章節(jié)中僅對發(fā)電機中性點消弧線圈及接地變壓器的容量計算等進行了規(guī)定。但在實際設(shè)計過程中，接地變壓器是為實現(xiàn)發(fā)電機高電阻或高阻抗接地而設(shè)置的，在設(shè)計選擇時除接地變壓器容量的選擇外，電阻器的參數(shù)選擇也是一個重點。因此為便于設(shè)計人員使用，本次規(guī)范修編增加了發(fā)電機回路電容電流、中性點接入電阻和變壓器二次側(cè)接地電阻的計算公式，更好地滿足設(shè)計人員進行發(fā)電機中性點設(shè)備參數(shù)計算選擇的需求。

目前，水力發(fā)電廠的發(fā)電機接地變壓器普遍采用干式變壓器，關(guān)于接地變壓器的過負(fù)荷系數(shù)，編制組查閱了現(xiàn)行的規(guī)范，如NB／T35067—2015《水力發(fā)電廠過電壓保護和絕緣配合設(shè)計技術(shù)導(dǎo)則》［4］、T／CESS0094—2019《發(fā)電機中性點經(jīng)變壓器接地成套裝置技術(shù)條件》［5］等，由于缺乏干式變壓器的過負(fù)荷技術(shù)曲線，暫時均參照油浸式變壓器的過負(fù)荷曲線（見圖1）。根據(jù)圖1顯示，按照常規(guī)設(shè)計時選擇10min耐受進行校驗的條件，變壓器過負(fù)荷倍數(shù)約為2.6倍。但在實際設(shè)計過程中發(fā)現(xiàn)，各生產(chǎn)廠家干式變壓器的過負(fù)荷能力與油浸式變壓器均有一定差異，因此在本次修編時，編制組調(diào)研了國內(nèi)部分中性點設(shè)備及干式變壓器廠的產(chǎn)品性能，得到其不同干變的過負(fù)荷系數(shù)（見表1）。

表1 干式變壓器（單相）事故過負(fù)荷能力調(diào)研

圖1 過負(fù)荷系數(shù)與變壓器故障運行時間的關(guān)系曲線

由于發(fā)電機接地變壓器一般容量較小、投資較低，因此，為了安全可靠，本規(guī)范修編時取用了調(diào)研數(shù)據(jù)中較為保守的數(shù)值（見表2）作為設(shè)計人員在缺乏資料時借鑒使用，在確定廠家后可根據(jù)產(chǎn)品實際能力復(fù)核。

表2 干式變壓器事故過負(fù)荷能力

2.7 氧化鋅避雷器的選擇

首先，參照國家現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)GB／T50064—2014《交流電氣裝置的過電壓保護和絕緣配合設(shè)計規(guī)范》［6］及NB／T35067—2015《水力發(fā)電廠過電壓保護和絕緣配合設(shè)計技術(shù)導(dǎo)則》［4］，進行了下列調(diào)整：避雷器額定電壓選擇時，10s以上切除故障的系數(shù)K值由1.3調(diào)整為1.25；110～220kV系統(tǒng)的暫態(tài)過電壓（有效值）由調(diào)整為

其次，關(guān)于保護發(fā)電機的避雷器的持續(xù)運行電壓，原規(guī)范條文要求“5.15.2……保護發(fā)電機的避雷器額定電壓按1.25倍發(fā)電機額定電壓選擇；5.15.3避雷器持續(xù)運行電壓應(yīng)大于或等于0.8倍避雷器額定電壓，且不得低于以下要求……保護發(fā)電機避雷器持續(xù)運行電壓不得小于發(fā)電機額定電壓”。在規(guī)范征求稿審查會上，根據(jù)評審專家的意見，氧化鋅避雷器其持續(xù)運行電壓一般為額定電壓的0.76～0.8，這是由產(chǎn)品自身特性決定的。我們在選擇保護發(fā)電機的避雷器時，主要是以滿足額定電壓來進行選擇，而持續(xù)運行電壓可根據(jù)產(chǎn)品特性決定，無法進行強制性要求。因此，在新規(guī)范里刪除了“保護發(fā)電機避雷器持續(xù)運行電壓不得小于發(fā)電機額定電壓的要求”。

2.8 其 他

為了完善設(shè)備類型，在此次修訂中補充完善了廠用電變壓器、熔斷器、套管、絕緣子、線路阻波器等水力發(fā)電廠中使用的電氣設(shè)備章節(jié)。

3 結(jié) 語

行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)是規(guī)范設(shè)計行業(yè)必要的基礎(chǔ)及依據(jù)，此次修訂結(jié)合多年來水電行業(yè)的發(fā)展經(jīng)驗，擴大了規(guī)范的范圍，刪減了部分已不適用的規(guī)定及要求，與國家現(xiàn)行的其他相關(guān)規(guī)范保持了一致性；另外，補充完善了水力發(fā)電廠高壓電氣設(shè)備的種類及型式，并對原規(guī)范部分條文的內(nèi)容及章節(jié)進行了修訂調(diào)整，使得條理更加清晰，更有利于設(shè)計人員使用，提高了設(shè)計效率，也更能滿足目前水電行業(yè)設(shè)計的需要。