白云電站生態(tài)機(jī)組電氣設(shè)計(jì)方案研究

高春娥

（邵陽(yáng)市水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)院，湖南 邵陽(yáng) 422099）

水電站的建設(shè)會(huì)造成壩址下游部分河段減水或脫水，對(duì)水環(huán)境和水生生物造成不利影響，為全面貫徹習(xí)近平生態(tài)文明思想，堅(jiān)定不移地走生態(tài)優(yōu)先，綠色發(fā)展之路，國(guó)電湖南巫水水電開(kāi)發(fā)有限公司為徹底解決白云電站生態(tài)流量下泄的問(wèn)題，決定對(duì)電站進(jìn)行生態(tài)改造，投資建設(shè)生態(tài)機(jī)組。本文就白云電站生態(tài)機(jī)組電氣設(shè)計(jì)進(jìn)行探討，為同類(lèi)電站改造設(shè)計(jì)提供參考。

1 電站基本情況

白云電站位于湖南省邵陽(yáng)市城步苗族自治縣境內(nèi),下距城步縣城5 km，壩址控制流域面積為556 km2，大壩為面板堆石壩，壩高為120 m，庫(kù)容為3.60 億m3，有效庫(kù)容為2.19 億m3，為巫水干流最上一級(jí)，屬多年調(diào)節(jié)的“龍頭水庫(kù)”電站，是一座以發(fā)電為主，兼有防洪、灌溉和城市供水等綜合效益的水電工程。

白云電站為壩后式水電站，電站樞紐工程由大壩、泄洪隧洞、發(fā)電引水隧洞、發(fā)電廠房與110 kV 開(kāi)關(guān)站四部分組成。電站設(shè)計(jì)流量為60.30 m3/s，設(shè)計(jì)水頭為90 m，總裝機(jī)為48 MW（3×16 MW）。電站于1992 年3月開(kāi)工興建，1999 年2 臺(tái)機(jī)組試運(yùn)行，2005 年第3 臺(tái)機(jī)組并網(wǎng)發(fā)電，多年平均發(fā)電量為7 326.18 萬(wàn)kW·h。2018 年電站進(jìn)行了增效擴(kuò)容改造，對(duì)機(jī)電設(shè)備進(jìn)行了全面改造，所有的電氣一、二次設(shè)備進(jìn)行了更新。電站目前是邵陽(yáng)電網(wǎng)具有調(diào)節(jié)能力的最大水力發(fā)電廠，參與電網(wǎng)調(diào)峰、調(diào)頻任務(wù),在邵陽(yáng)西部電網(wǎng)起到骨干電源作用，是電網(wǎng)黑啟動(dòng)電源和融冰電源，必要時(shí)獨(dú)立擔(dān)負(fù)地區(qū)負(fù)荷和線路融冰備用電源。為滿足下游河道生態(tài)的要求和城鄉(xiāng)居民生產(chǎn)生活用水需要，同時(shí)提高水能資源利用效率，電站于2020 年初啟動(dòng)了生態(tài)機(jī)組項(xiàng)目前期工作。

2 電站總體布置

白云電站工程主要由大壩、泄洪隧洞、發(fā)電引水隧洞、電站廠房及110 kV 升壓站等部分組成。大壩為混凝土面板堆石壩,壩頂高程為550 m，最大壩高120 m。泄洪隧洞設(shè)在大壩左岸，發(fā)電引水隧洞設(shè)在大壩右岸，兼作放空水庫(kù)或緊急輔助泄洪之用，進(jìn)口高程為475 m，設(shè)置1 扇4 m×7 m（寬×高）鋼質(zhì)平板閘門(mén)控制，動(dòng)水啟閉，洞身縱軸線成龍?zhí)ь^形狀，其尾部設(shè)岔洞分為左右內(nèi)支洞，右支洞為放空洞，左支洞引水至電站廠房，設(shè)3 根岔管分別引至3 臺(tái)機(jī)組。廠房為壩后式發(fā)電廠房,總裝機(jī)容量為48 MW，裝設(shè)3 臺(tái)單機(jī)容量為16 MW 的立式混流式水輪發(fā)電機(jī)組，主廠房分為發(fā)電機(jī)層、水輪機(jī)層、蝶閥層，副廠房位于主廠房上游側(cè)，水輪機(jī)層靠安裝場(chǎng)側(cè)439.50 m 層布置了油水氣等輔助設(shè)備，靠主機(jī)段上游側(cè)440.50 m 層則布置了勵(lì)磁變、中性點(diǎn)接地變壓器、電纜夾層和絕緣銅管母線等，發(fā)電機(jī)層445.70 m機(jī)旁屏布置在對(duì)應(yīng)機(jī)組的上游側(cè)，高低壓配電室布置于發(fā)電機(jī)層主機(jī)段的上游側(cè)，中控室則布置于449.95 m層左端；110 kVA 升壓站布置于大壩與副廠房之間，電站采用兩回110 kV 輸電線路并網(wǎng)。

3 生態(tài)機(jī)組總體設(shè)計(jì)方案

3.1 生態(tài)流量核定

根據(jù)邵陽(yáng)市人民政府批復(fù)的《城步苗族自治縣小水電清理整改“一站一策”實(shí)施方案》，白云電站必須下泄的生態(tài)流量為1.85 m3/s。

3.2 生態(tài)機(jī)組裝機(jī)規(guī)模的確定

根據(jù)白云電站調(diào)度運(yùn)行要求及水庫(kù)多年來(lái)的實(shí)際水位運(yùn)行范圍，生態(tài)機(jī)組的設(shè)計(jì)水頭確定為90 m，為確保電站實(shí)時(shí)下泄流量不小于1.85 m3/s，經(jīng)計(jì)算并考慮機(jī)組容量的標(biāo)準(zhǔn)系列，生態(tài)機(jī)組的最小裝機(jī)容量為1 600 kW，機(jī)組最大水頭對(duì)應(yīng)發(fā)電流量為1.99 m3/s，機(jī)組最小水頭對(duì)應(yīng)的發(fā)電流量為3.31 m3/s，機(jī)組對(duì)應(yīng)額定流量為2.26 m3/s，生態(tài)機(jī)組正常運(yùn)行期間均能滿足生態(tài)流量的泄放要求。

3.3 生態(tài)機(jī)組引水及廠房布置方案

白云電站廠房布置于原河槽峽谷內(nèi)，原主副廠房?jī)?nèi)布置緊湊，沒(méi)有合適的空間布置生態(tài)機(jī)組，廠房?jī)砂稙槎盖偷膸r石，往兩岸拓展布置困難，經(jīng)比較推薦生態(tài)機(jī)組廠房布置于電站主廠房下游右岸回車(chē)場(chǎng)靠河側(cè)，生態(tài)機(jī)組自1#機(jī)組蝶閥前壓力管道引水，沿主廠房射流泵廊道，打穿4.2 m 厚電站下游鋼筋混凝土側(cè)墻即可將壓力管道鋪設(shè)至生態(tài)機(jī)組廠房。根據(jù)電站設(shè)計(jì)水頭和生態(tài)流量的下泄要求，選用1 臺(tái)1 600 kW 的混流式臥式水輪發(fā)電機(jī)組可滿足電站生態(tài)改造的要求。

4 生態(tài)機(jī)組電氣設(shè)計(jì)方案擬定

4.1 白云電站主接線形式

電站3 臺(tái)16 MW 機(jī)組采用110 kV 一級(jí)電壓接入電力系統(tǒng)，110 kV 側(cè)接線為單母線接線，出線2 回,分別接至110 kV 茅坪線和城步八角亭線，送電距離分別為29 km 和8 km。10 kV 側(cè)采用單母線分段接線，設(shè)置2 臺(tái)升壓變壓器，2 臺(tái)主變壓器分別為S11-50000/110和S11-25000/110，設(shè)置2 臺(tái)630 kVA 廠用變和2 臺(tái)250 kVA 壩區(qū)變分別接至兩段10 kV 分段母線上，廠用電0.4 kV 側(cè)接線采用單母線分段接線。

4.2 生態(tài)機(jī)組接線方案擬定

根據(jù)電站現(xiàn)場(chǎng)情況設(shè)計(jì)擬定了兩個(gè)接線方案（見(jiàn)圖1）。

圖1 主接線方案比較圖

方案一：生態(tài)機(jī)組發(fā)電機(jī)電壓選用6.3 kV，設(shè)置1臺(tái)2 000 kVA 升壓變壓器升壓至10 kV 電壓，就近接至附近的10 kV 農(nóng)村供電線路上，從而并入大電網(wǎng)，10 kV并網(wǎng)線路長(zhǎng)約1 km，發(fā)電機(jī)與升壓變壓器采用單元接線方式，發(fā)電機(jī)出口設(shè)置1 臺(tái)廠用變?yōu)槿珡S3 臺(tái)主機(jī)組停電期間提供廠用電源。

方案二：白云電站1#～3#主機(jī)組的發(fā)電機(jī)電壓為10.5 kV，2 臺(tái)主變壓器的容量分別為50 000 kVA 和25 000 kVA，主變壓器的電壓變比為121±2×2.5%/10.5 kV，電站現(xiàn)有裝機(jī)為3×16 000 kW，2 臺(tái)主變壓器容量均有富裕，即使在洪水季節(jié)搶水發(fā)電，3 臺(tái)主機(jī)組和生態(tài)機(jī)組全開(kāi)的情況下，2 臺(tái)主變的富裕度均可滿足生態(tài)機(jī)組的升壓容量，為節(jié)省工程投資，生態(tài)機(jī)組可不設(shè)升壓變壓器，利用現(xiàn)有主變壓器升壓上網(wǎng)，現(xiàn)有電站的發(fā)電機(jī)母線電壓為10.5 kV，因此，生態(tài)機(jī)組的發(fā)電機(jī)額定電壓可采用10.5 kV，機(jī)組發(fā)電后直接接至原主機(jī)組10 kV發(fā)電機(jī)電壓Ⅰ段母線上（利用Ⅰ段母線上近區(qū)變開(kāi)關(guān)柜位置），3 臺(tái)主機(jī)組停運(yùn)期間可通過(guò)接通10 kV 分段母線斷路器，利用電站2#升壓變壓器（25 000 kVA）升壓到110 kV 母線，通過(guò)110 kV 茅坪線和八角亭線并入大電網(wǎng)。

方案一生態(tài)機(jī)組可完全獨(dú)立運(yùn)行，對(duì)主機(jī)組接線及運(yùn)行無(wú)干擾，但需增加升壓變壓器、升高電壓側(cè)的一二次設(shè)備、廠用變及10 kV 并網(wǎng)線路等投資，同時(shí)生態(tài)機(jī)組通過(guò)附近的10 kV 農(nóng)村供電線路并網(wǎng)，可靠性較低，并網(wǎng)線路的容量受限，也降低了生態(tài)流量下泄的保證率。方案二發(fā)電機(jī)采用10 kV 電壓級(jí)，比方案一發(fā)電機(jī)的絕緣要求更高，機(jī)組價(jià)格相對(duì)高，同時(shí)生態(tài)機(jī)組利用2#主變升壓，主變?nèi)萘肯鄬?duì)于生態(tài)機(jī)組容量較大，運(yùn)行中存在大馬拉小車(chē)現(xiàn)象，會(huì)增加主變的空載損耗；方案二可充分利用電站原有的升壓設(shè)備和上網(wǎng)線路解決生態(tài)機(jī)組的并網(wǎng)問(wèn)題，并在全廠3 臺(tái)主機(jī)組停電期間利用已設(shè)置的廠用變?yōu)殡娬咎峁S用電；方案二總體建設(shè)投資比方案一少，增加的設(shè)備少，也減少了電站建成后的運(yùn)行成本，生態(tài)機(jī)組升壓后通過(guò)110 kV 線路并入大電網(wǎng)，運(yùn)行可靠性高，線損低，同時(shí)也提高了生態(tài)流量下泄的保證率。

經(jīng)綜合比較，推薦方案二為生態(tài)機(jī)組的接線方案。

5 充分利用電站現(xiàn)有設(shè)備

生態(tài)機(jī)組為1 臺(tái)1 600 kW 的混流式臥式機(jī)組，機(jī)組的用油量和用氣量少，原電站具有完整的油處理系統(tǒng)和低壓氣系統(tǒng)，完全能滿足新增生態(tài)機(jī)組的用油和用氣要求，因此，為節(jié)約工程投資，生態(tài)機(jī)組項(xiàng)目不再另行配備油氣系統(tǒng)。

生態(tài)機(jī)組廠房的廠用電負(fù)荷較小，原電站設(shè)有2臺(tái)SCB11-630/10 型廠用變，經(jīng)廠用電負(fù)荷統(tǒng)計(jì)復(fù)核，原電站的廠用變?nèi)萘磕軡M足生態(tài)機(jī)組廠用電負(fù)荷的要求，同時(shí)原廠用低壓配電屏內(nèi)備用饋線回路較多，生態(tài)機(jī)組廠用電可由原廠用配電屏引接。

生態(tài)機(jī)組的發(fā)電機(jī)開(kāi)關(guān)柜利用已退出運(yùn)行的近區(qū)變開(kāi)關(guān)柜進(jìn)行改造，更換柜內(nèi)電流互感器。生態(tài)機(jī)組的計(jì)量表計(jì)統(tǒng)一安裝于原中控室內(nèi)的計(jì)量屏內(nèi)。

生態(tài)機(jī)組電氣控制、保護(hù)、操作、自動(dòng)裝置、事故照明等采用的直流電源也全部從原電站直流饋線柜引接。

生態(tài)機(jī)組建成后其遙測(cè)、遙信、遙控、遙調(diào)均由原電站統(tǒng)一進(jìn)行，其控制保護(hù)系統(tǒng)接入原電站的后臺(tái)監(jiān)控系統(tǒng)，不再設(shè)置單獨(dú)的后臺(tái)監(jiān)控系統(tǒng)，并可滿足遠(yuǎn)程監(jiān)控的要求。

6 設(shè)備布置與原電站布局完美結(jié)合

生態(tài)機(jī)組廠房分為機(jī)組層和安裝場(chǎng)層，機(jī)組層地面高程為440.84 m，安裝場(chǎng)層地面高程為445.70 m，機(jī)組層在機(jī)組段布置了1 臺(tái)1 600 kW 的混流式臥式機(jī)組，機(jī)組軸線與廠房縱軸線垂直，安裝場(chǎng)布置在主廠房的下游側(cè)，安裝場(chǎng)長(zhǎng)6.50 m，機(jī)組段長(zhǎng)12 m，機(jī)組中心線距廠房上游墻為7.50 m，為方便生態(tài)機(jī)組引接至主機(jī)組10 kV 母線上，生態(tài)機(jī)組發(fā)電機(jī)斷路器開(kāi)關(guān)柜布置于主廠房10 kV 高壓開(kāi)關(guān)室Ⅰ段母線上的近區(qū)變開(kāi)關(guān)柜處（因廠供分家近區(qū)變已退出運(yùn)行），發(fā)電機(jī)TV柜和發(fā)電機(jī)勵(lì)磁變進(jìn)線開(kāi)關(guān)柜及勵(lì)磁變壓器布置于機(jī)組下游側(cè)安裝場(chǎng)下配電間，機(jī)組LCU 屏、測(cè)溫制動(dòng)屏、勵(lì)磁屏和控制保護(hù)屏布置在生態(tài)機(jī)組廠房安裝場(chǎng)層控制間（廠房上游側(cè)），調(diào)速器及油壓裝置布置在機(jī)組段上游側(cè)。生態(tài)機(jī)組進(jìn)入到原廠房的電纜均利用原有的電纜橋架和電纜通道，盡可能減少施工時(shí)段對(duì)原電站設(shè)備的影響。

7 結(jié) 論

白云電站生態(tài)機(jī)組于2021 年5 月建成投產(chǎn)，通過(guò)兩年的運(yùn)行證明，生態(tài)機(jī)組電氣接線方案簡(jiǎn)單，操作方便，設(shè)備布局合理，對(duì)主機(jī)組的正常運(yùn)行無(wú)影響，同時(shí)，充分利用了電站原有設(shè)備，減少了工程投資，項(xiàng)目的實(shí)施使水能資源得到了充分的利用，確保了白云電站下游河段生態(tài)流量的足額下泄，項(xiàng)目生態(tài)效益明顯，經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益顯著。