水電站電氣一次設(shè)計(jì)方案的優(yōu)化

楊 倩

(大唐雅安電力開發(fā)有限公司,四川 雅安 625500)

1 工程概況

隨著我國國民經(jīng)濟(jì)的迅速發(fā)展,能源瓶頸問題已經(jīng)成為當(dāng)前制約經(jīng)濟(jì)發(fā)展的重要問題。水力發(fā)電因具有環(huán)保、成本低廉、循環(huán)利用和綜合效益高等突出優(yōu)點(diǎn)而得到了國家政策的大力扶持。因此,鍋浪蹺水電站應(yīng)運(yùn)而生。

鍋浪蹺水電站為混合式開發(fā),壩址位于兩河口下游約700 m處,廠址位于下游約11 km處的傍海腔,與在建的腳基坪電站銜接。電站裝機(jī)3×70 MW,年發(fā)電量7.785 5億kW·h,年利用小時(shí)數(shù)3 707 h,水庫正常蓄水位1 280.00 m,總庫容1.84億m3,具有年調(diào)節(jié)能力。

2 系統(tǒng)接入方式

根據(jù)相關(guān)批復(fù)文件,鍋浪蹺電站以一回220 kV線路接入下游腳基坪220 kV變電站并入四川電網(wǎng)天全變電站,導(dǎo)線型號(hào)暫定為LGJ-400。

2.1 電氣主接線

2.1.1 電氣主接線方案比較

根據(jù)鍋浪蹺電站的出線電壓等級(jí)、出線回路數(shù)、水能特性和電站樞紐總布置等特點(diǎn),電氣主接線應(yīng)力求布置清晰、操作過程簡單、維護(hù)方便、電氣設(shè)備數(shù)量少、一次性投資和運(yùn)行費(fèi)用少[1]。同時(shí),根據(jù)220 kV輸送容量和運(yùn)行方式,初步擬定了三個(gè)接線方案進(jìn)行比較。

三個(gè)主接線方案技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較見表1,經(jīng)綜合分析,方案一接線簡單清晰,運(yùn)行維護(hù)方便靈活,供電可靠性較高。因此,推薦方案一為該電站的電氣主接線方案。

表1 主接線方案比較

2.1.2 廠用電接線和壩區(qū)供電

選配兩臺(tái)1 000 kVA的廠用變壓器分別連接在兩段發(fā)電機(jī)10.5 kV母線I段和Ⅱ段上,低壓側(cè)設(shè)有兩段低壓母線,布置在主廠房設(shè)備廊道內(nèi),低壓母線設(shè)有聯(lián)絡(luò)開關(guān),并設(shè)有自動(dòng)投入裝置。另設(shè)置一回外來電源通過一臺(tái)1 000 kVA變壓器降壓接入廠用母線,3臺(tái)變壓器互為備用。廠內(nèi)設(shè)置一臺(tái)柴油發(fā)電機(jī)作為安保電源。

壩區(qū)供電由發(fā)電機(jī)擴(kuò)大單元10 kV母線通過一臺(tái)630 kVA隔離變壓器引至壩區(qū),通過一臺(tái)630 kVA變壓器降壓至400 V接在壩區(qū)廠用電母線,另設(shè)置一回外來電源通過一臺(tái)630 kVA變壓器降壓接入廠用母線,2臺(tái)變壓器互為備用。由于閘壩有防洪要求,電源必須可靠,因此,在閘壩母線上也設(shè)有一臺(tái)柴油發(fā)電機(jī),作為安保電源。

2.2 短路電流計(jì)算及主要電氣設(shè)備選擇

2.2.1 短路電流計(jì)算

(1)計(jì)算依據(jù)。①根據(jù)方案比較后推薦的主接線;②由于現(xiàn)無系統(tǒng)歸算阻抗值,本電站220 kV母線的短路阻抗按無窮大系統(tǒng)考慮,基準(zhǔn)容量100 MVA,基準(zhǔn)電壓為平均電壓,進(jìn)行短路電流計(jì)算[2]。

(2)為了校驗(yàn)該電站各電壓級(jí)所選電氣設(shè)備在三相短路時(shí),各支路電氣設(shè)備是否滿足動(dòng)、熱穩(wěn)定要求,須選擇各電壓級(jí)短路電流最大點(diǎn)進(jìn)行短路電流計(jì)算。根據(jù)設(shè)計(jì)推薦的電站電氣主接線方案,分別在220 kV母線上選擇d-1短路點(diǎn)和10.5 kV發(fā)電機(jī)電壓母線上選擇的d-2、d-3短路點(diǎn)進(jìn)行三相短路電流計(jì)算(圖1),短路電流計(jì)算成果見表2。

圖1 三相短路電流計(jì)算接線圖

表2 短路電流計(jì)算結(jié)果表

2.2.2 電氣設(shè)備選擇

2.2.2.1 電站環(huán)境

多年平均氣溫 17 ℃

極端最高氣溫 36.8 ℃

極端最低氣溫 -4.2 ℃

多年平均相對濕度 84%

最大風(fēng)速 17 m/s

多年平均雷暴日 31.8 d

地震烈度 Ⅷ度

2.2.2.2 主要電氣設(shè)備

(1)水輪發(fā)電機(jī)主要技術(shù)參數(shù)

發(fā)電機(jī)型號(hào) SF70-14/450

額定容量 70 MW

額定電壓 10.5 kV

額定電流 4 398 A

功率因數(shù) 0.875

額定頻率 50(Hz)

額定轉(zhuǎn)速 428.6 r/min

縱軸超瞬變電抗Xd≈0.18

短路比 ≥1.05

絕緣等級(jí) F級(jí)

勵(lì)磁方式 自并激

(2)主變壓器選擇

①主變壓器選擇原則

a.無近區(qū)負(fù)荷,保證本電站三臺(tái)機(jī)組額定負(fù)荷(3×70 MW)全部送出,不因變壓器的容量選小了而受到限制,又不能因變壓器的容量選擇太大而造成變壓器長期欠載運(yùn)行而增加空載損耗;

b.變壓器的運(yùn)輸重量(帶油或充氮運(yùn)輸)及運(yùn)輸尺寸,不能超過公路、鐵路、橋梁設(shè)計(jì)的承載能力和隧洞尺寸,鍋浪蹺電站最大一臺(tái)主變壓器不帶油運(yùn)輸重量不大于120 t,按現(xiàn)有的運(yùn)輸公路均能滿足設(shè)備運(yùn)輸要求;

c.根據(jù)上述原則,鍋浪蹺電站選擇標(biāo)準(zhǔn)型號(hào)SF10-160000/220型變壓器一臺(tái)和SF10-80000/220型變壓器一臺(tái),能把鍋浪蹺電站的全部電能送入系統(tǒng)。

②變壓器參數(shù)

a.一號(hào)變壓器參數(shù)

型式 戶外雙圈油浸風(fēng)冷式

型號(hào) SF10-80000/220

額定容量 80 MVA

額定電壓 242±2×2.5%/10.5 kV

阻抗電壓 10.5%

接線組別 YN.d11

調(diào)壓方式 無勵(lì)磁調(diào)壓

b.二號(hào)變壓器參數(shù)

型式 戶外雙圈油浸風(fēng)冷式

型號(hào) SF10-160000/220

額定容量 160 MVA

額定電壓 242±2×2.5%/10.5 kV

阻抗電壓 10.5%

接線組別 YN.d11

調(diào)壓方式 無勵(lì)磁調(diào)壓

③220 kV電氣設(shè)備

220 kV電氣設(shè)備的選型關(guān)系到電站運(yùn)行的可靠性、經(jīng)濟(jì)性以及樞紐布置方案。從設(shè)備選型上該電站可以選用戶外敞開設(shè)備,也可以選用GIS設(shè)備。為了增加供電可靠性,為了檢修和維護(hù)的便利,選用GIS設(shè)備布置比較合適。GIS設(shè)備主要技術(shù)參數(shù)如下:

額定電壓 252 kV

額定電流 2 500 A

開斷電流 40 kA

④發(fā)電機(jī)電壓配電裝置設(shè)備

發(fā)電機(jī)回路和廠用變高壓側(cè)回路電氣設(shè)備均按其設(shè)備的額定電壓、額定電流大于或等于回路的最高工作電壓和持續(xù)工作電流進(jìn)行選擇,按該回路所選斷路器、 隔離開關(guān)的額定開斷電流4秒熱穩(wěn)定電流、 斷流容量進(jìn)行校驗(yàn)均滿足要求[3]。柜內(nèi)電氣設(shè)備參數(shù)如下:

型式 專用發(fā)電機(jī)出口斷路器

型號(hào) -10/6 300 A-100

額定電壓 10 kV

最高工作電壓 11.5 kV

額定電流 6 300 A

額定開斷電流 100 kA

4 s 熱穩(wěn)定電流 100 kA

數(shù)量 3套

發(fā)電機(jī)出口電壓互感器的配電裝置,初步選為XGN2-10 3150A/6300 A型開關(guān)柜,其元件的動(dòng)、熱穩(wěn)定及熔斷器開斷容量均滿足短路參數(shù)要求。并以接入系統(tǒng)報(bào)告為依據(jù)進(jìn)行設(shè)備選型復(fù)核。

⑤導(dǎo)體設(shè)計(jì)

發(fā)電機(jī)的出線端子到變壓器低壓側(cè)回路選用離相封閉母線,單元接線段電流為5 kA,擴(kuò)大單元母線至變壓器段電流為10 kA。

⑥廠用變壓器及廠用低壓屏

廠用變壓器選擇原則根據(jù)該電站裝機(jī)容量的1%～2%進(jìn)行初選,選擇一臺(tái)630 kVA干式變壓器及兩臺(tái)1 000 kVA干式變壓器作為該電站廠區(qū)廠用變壓器,三臺(tái)變壓器互為備用;選擇兩臺(tái)630 kVA干式變壓器作為該電站壩區(qū)廠用變壓器,兩臺(tái)變壓器互為備用。其參數(shù)如下:

型式 戶內(nèi)三相干式變壓器

型號(hào) SCB10-630/10

額定容量 630 kVA

額定電壓比 10.5±2×2.5%/0.4 kV

阻抗電壓 4%

接線組別 D,yn11

型式 戶內(nèi)三相干式變壓器

型號(hào) SCB10-1000/10

額定容量 1 000 kVA

額定電壓比 10.5±2×2.5%/0.4 kV

阻抗電壓 6%

接線組別 D,yn11

型式 戶內(nèi)三相干式變壓器(隔離變壓器)

型號(hào) SCB10-630/10

額定容量 630 kVA

額定電壓比 10.5±2×2.5%/10.5 kV

阻抗電壓 4%

接線組別 D,yn11

廠用配電屏選用技術(shù)性能好,運(yùn)行可靠,維護(hù)方便的GCS型配電屏。

2.3 過電壓保護(hù)及接地

2.3.1 過電壓保護(hù)

2.3.1.1 壓器中性點(diǎn)過電壓保護(hù)

為了防止變壓器中性點(diǎn)的避雷器在斷路器非同期合閘時(shí)而爆炸,采用保護(hù)間隙和配合避雷器保護(hù)變壓器中性點(diǎn)[4]。保護(hù)間隙距離在250～350 mm范圍內(nèi)調(diào)節(jié);中性點(diǎn)的運(yùn)行方式根椐系統(tǒng)調(diào)度而定。變壓器中性點(diǎn)隔離開關(guān),其中性點(diǎn)裝有避雷器保護(hù)時(shí),其電壓等級(jí)應(yīng)與避雷器額定電壓配合。

2.3.1.2 直擊雷保護(hù)

主、副廠房及GIS屋頂設(shè)置避雷帶,并在建筑物每根柱內(nèi)設(shè)引下線,與全廠接地網(wǎng)相連接,以加強(qiáng)避雷帶的散流作用。閘門啟閉機(jī)平臺(tái)的欄桿全部接地。雷電侵入波的保護(hù)措施是:在各電壓母線上配置相應(yīng)的氧化鋅避雷器。

為防止真空斷路器快速切除發(fā)電機(jī)時(shí)使發(fā)電機(jī)端引起過電壓幅值和電壓上升速度,在發(fā)電機(jī)出口端裝設(shè)氧化鋅避雷器[5]。另外,要求220 kV所有出線上全線架設(shè)避雷線。

2.3.2 接地

電站最高電壓為220 kV,主變中性點(diǎn)為直接接地或不接地方式運(yùn)行,屬于大接地短路電流系統(tǒng)。電站的接地電阻需滿足設(shè)計(jì)規(guī)范要求。

電站的接地包括主廠房、副廠房、GIS室和閘壩等處。為了充分利用自然接地體的散流作用,將各處水工建筑物內(nèi)的主鋼筋和金屬結(jié)構(gòu)互相焊接,形成電氣通路的5 m×5 m網(wǎng)孔。主、副廠房各層均敷設(shè)接地干線并與閘門、尾水門和壓力鋼管等自然接地體相連牢固焊接形成一個(gè)主接地網(wǎng)與自然接地體相連的總接地網(wǎng)。 避雷針到被保護(hù)設(shè)備的空氣和地中距離均符合規(guī)范要求。在深化設(shè)計(jì)時(shí),將根據(jù)實(shí)測的土壤電阻率估算接地電阻值,當(dāng)計(jì)算的接地電阻值不能滿足要求時(shí),可在尾水渠中設(shè)置人工接地裝置或在尾水渠中敷設(shè)接地模塊的方法降低接地電阻。

2.4 電氣設(shè)備布置

2.4.1 樞紐總布置

電氣設(shè)備布置分四部分,即主廠房、變壓器場、GIS和閘壩用電配電房。

2.4.2 主廠房電氣設(shè)備布置

發(fā)電機(jī)層(993.30 m高程)下游側(cè)布置機(jī)旁屏36面,分機(jī)組段呈“一”字形布置。

發(fā)電機(jī)層下游側(cè)電氣廊道(993.30 m高程)布置有1F、2F、3F機(jī)組段相對應(yīng)的10 kV高壓GCB斷路器3套,還布置有0.4 kV低壓配電屏GCS型30面。水輪機(jī)層下游側(cè)電氣廊道(987.30 m高程)布置有母線PT兩套,FURV限流熔斷器3套,發(fā)電機(jī)出口PT3套。勵(lì)磁變壓器3套,右側(cè)布置有廠用變壓器3臺(tái),隔離變壓器1臺(tái)。

緊靠電氣廊道下游側(cè)為母線廊道(993.30 m高程),水輪機(jī)層下游側(cè)為母線電纜廊道(987.30 m高程),母線電纜廊道布置有電纜橋架,10 kV離相封閉母線。

離相封閉母線從發(fā)電機(jī)風(fēng)罩壁上引出,經(jīng)GCB及其他電氣設(shè)備后通過母線電纜廊道引至變壓器。

2.4.3 副廠房電氣設(shè)備布置

副廠房設(shè)在主廠房安裝間下游側(cè),緊靠主廠房安裝間布置。

副廠房為一層建筑,布置在電氣廊道上方。

高程為999.30 m,設(shè)有計(jì)算機(jī)室、中控室、通訊室和辦公室等。

2.4.4 升壓變電站電氣設(shè)備布置

變壓器場布置在副廠房下游側(cè),并設(shè)置事故排油坑。

開關(guān)站為GIS布置,220 kVGIS布置在變壓器場下方,因其布置清晰,運(yùn)行、檢修和巡視安全、方便。

3 結(jié) 語

鍋浪蹺水電站結(jié)合工程實(shí)際情況,對相關(guān)的電氣設(shè)備的選型和設(shè)計(jì)合理。水電站進(jìn)行試運(yùn)行后,所有設(shè)備工作正常,其各項(xiàng)指標(biāo)均滿足設(shè)計(jì)要求。電氣主接線的方案選擇,接線簡單,運(yùn)行維護(hù)方便靈活,供電可靠性高,經(jīng)濟(jì)性強(qiáng)。同時(shí),電氣設(shè)備作為水電站的核心部分,其選型計(jì)算是否合理對整個(gè)工程有著巨大影響,也會(huì)影響配套設(shè)施、廠房設(shè)計(jì)等幾乎所有工作,作為技術(shù)人員,應(yīng)當(dāng)給予高度重視。