水電站接入近距離變電站主接線優化設計的探討

丁潔晶，馬志龍，張曉軍

（1.杭州水利水電勘測設計院有限公司，浙江 杭州 310012；2.水利部海委引灤工程管理局大黑汀水庫管理處，天津 300384）

水電站接入近距離變電站主接線優化設計的探討

丁潔晶1，馬志龍1，張曉軍2

（1.杭州水利水電勘測設計院有限公司，浙江 杭州 310012；2.水利部海委引灤工程管理局大黑汀水庫管理處，天津 300384）

一般水電站與電網變電站距離較遠，它們的主接線各自獨立，水電站出線通過輸電線路接入電網變電站。當水電站與電網變電站距離較近時，在滿足電站與變電站運行管理的前提下，可將主接線設計優化，以節省項目的建設成本，簡化運行操作。本文以格魯吉亞KHELVACHAUR-I水電項目的施工設計為案例，通過對相關設備的選型、計算校驗及分析，并在滿足相關標準規范和當地運行管理要求的前提下，取消了輸電線路兩側的開關及保護，僅保留電站廠房內36 kV開關及保護設備，以“站變合一”的方式優化了變電站主接線的設計。

水電站；變電站；優化設計；站變合一

1 工程概況

格魯吉亞共和國KHELVACHAURI-1水電站項目坐落于黑海東部克魯河下游，電站及開關站廠址位于巴統省喬治區。電站共裝設6臺貫流式水輪發電機組（5×9100kW+1×1980kW），總裝機47.48MW，電站電氣主接線采用發電機-變壓器單元接線，5臺9 100 kW發電機各通過1臺11 000 kVA變壓器升壓成34.5 kV電壓，1臺1 980 kW發電機通過1臺2 400 kVA變壓器升壓成34.5 kV電壓。電站升壓變34.5 kV側為單母線接線，電站采用34.5 kV一回電纜出線，至距電站廠址約300 m的110 kV KHELVACHAURI-1變電站，電站主接線示意圖見圖1。

圖1 KHELVACHAURI-1水電站主接線示意圖

110 kV KHELVACHAURI-1變電站為KHELVACHAURI-1及KHELVACHAURI-2水電站共用的樞紐變電站，變電站內設 2臺 50（62.5）MVA-110/34.5 kV主變壓器，主變110 kV側采用主母線和旁路母線接線，110 kV側設置3回出線，分別至Batumi變電站和KIRNATI水電站，另一回出線預留；1號主變34.5 kV側與KHELVACHAURI-1電站廠房36 kV出線相連，兩者相距約為300 m，2號主變為預留位置。變電站主接線方案見圖2。

圖2 KHELVACHAURI-1變電站設計主接線示意圖

2 優化設計方案的提出

原工程主接線方案中，在KHELVACHAURI-1電站廠房處36 kV出線側設置有36 kV開關、配電裝置柜及相關的保護設備；而在110 kV KHELVACHAURI-1變電站，36 kV進線和110 kV主變低壓側均設置有36 kV開關、配電裝置柜及相關的保護設備。

根據本工程實際情況，即電站至變電站的輸電線路較短，約為300 m電纜線路；電站和變電站屬同一個建設單位和運行管理單位；業主希望電站與變電站建成后統一運行管理；且投資方也有優化電站與變電站36 kV系統接線的意向。

因此，我們提出了取消輸電線路兩側的36 kV開關及保護設備，即取消廠房36 kV出線和變電站36 kV進線的開關和保護設備，將變電站110 kV主變低壓側的開關及保護設備移至300 m外的廠房內，即利用電站36kV出線開關柜作為變電站110kV主變低壓側開關柜，相當于取消了變電站內整套36 kV開關柜及相關的保護設備。實際上，優化后的主接線方案把電站和變電站兩個獨立的工程合二為一，構成了一個整體，即“站變合一”。此方案對于變電站來說，既降低了工程的建設成本，又簡化了電站和變電站的操作流程。優化后的變電站主接線見圖3。

圖3 優化后的變電站主接線示意圖

3 對于優化設計方案的可行性研究

對于優化設計方案是否滿足規程規范及電站安全運行的要求，我們通過下列相關設備的選型計算和校驗進行可行性研究。

3.1 主變低壓側電纜的選擇與校驗

3.1.1 按允許載流量選擇電纜

已知1號主變額定容量SN（62 500 kVA）及低壓側額定電壓Ue（34.5 kV），

根據電流計算公式：

取橋架敷設系數為0.7，則主變低壓側電纜要求持續工作電流Ix取為1 494 A。

選擇3×3×（YJV-35-1×240）電纜作為1號主變低壓側接入電纜。

查電纜樣本，電纜YJV-35-1×240在40℃時，其在空氣中的允許載流量IY為650 A，本例采用3根并用出線，則3根電纜總允許載流量I3-Y為1 950 A。

因此，3根電纜總允許載流量I3-Y大于主變低壓側要求持續工作電流Ix，滿足要求。

3.1.2 校驗主變低壓測電纜的電壓降

已知1號主變低壓側接入電纜長度L=300 m；低壓側額定電壓Ue（34.5 kV）。

查35 kV交聯聚乙烯絕緣電纜的參數表得，電纜感抗X為0.18 Ω/km，電纜電阻R為0.060 1 Ω/km。

根據電壓損失計算公式：

計算得電纜電壓損失△U%為0.21%，即△U%＜10%，電纜電壓損失校驗滿足要求。

3.2 電流互感器二次電纜的選擇與校驗

3.2.1 電流互感器交流回路二次電纜的選擇

已知主變壓器低壓側36kV電流互感器（CT）額定電流比為：1200/1/1/1A；準確度等級為：5P20/5P20/0.5；

二次繞組的額定容量為：30VA/30VA/30VA

根據設計規范及主變距離低壓柜距離較遠的實情，二次控制電纜采用4 mm2截面的銅導線。

3.2.2 電流互感器（CT）負荷校驗

根據電流互感器（CT）二次回路阻抗計算公式：

Z2=Zj+Zx+Zc

公式中：Zj-測量、保護裝置電流線圈的阻抗，單位為Ω；

Zx-二次電纜的阻抗，單位為Ω；

Zc-連接導線的接觸電阻，一般取0.1 Ω。

由電流互感器（CT）產品參數可知，保護裝置或測量儀表二次電流功率消耗均不大于0.5 VA，所以，計算得測量、保護電流互感器（CT）電流線圈的阻抗Zj為0.5 Ω。

二次控制電纜采用4 mm2截面的銅導線，查表得，電纜阻抗值為：R=5.197 Ω/km，X=0.119 Ω/km，電纜長度按300 m計算，

導線Zx=5.198×0.3=1.56 Ω；得二次控制電纜阻抗Zx為1.56 Ω。

因此，電流互感器（CT）二次回路阻抗Z2=Zj+Zx+Zc=0.5+1.56+0.1=2.66 Ω。

已知CT二次電流I=1 A

CT二次負荷S=I2Z2=12×2.66=2.66 VA＜30 VA

所以，計算得其二次負荷S為2.66 VA，小于其額定容量30 VA，滿足規范要求。

3.3 電壓互感器二次電纜的選擇與校驗

3.3.1 電壓互感器（PT）二次電纜的選擇

已知主變壓器低壓側36 kV電壓互感器（PT）選擇參數如下：

根據設計規范及常規設計經驗，電壓互感器（PT）二次控制電纜采用2.5 mm2截面銅導線。

3.3.2 電壓互感器（PT）的二次負荷校驗

根據電壓互感器（PT）二次回路阻抗計算公式：

Z2=Zj+Zx+Zc

公式中：Zj-測量、保護裝置電流線圈的阻抗，單位為Ω；

Zx-二次電纜及導線的阻抗，單位為Ω；Zc-連接導線的接觸阻抗，一般取0.1Ω。

由電壓互感器（PT）產品參數可知，保護裝置或測量儀表二次電流功率消耗均不大于1 VA，所以，計算得測量、保護電壓互感器（PT）電流線圈的阻抗

二次控制電纜采用2.5 mm2截面的銅導線，查表得，電纜阻抗值為：R=8.4 Ω/km X=0.27 Ω/km，電纜長度按300 m計算，

導線Zx=8.404×0.3=2.52 Ω，得二次控制電纜阻抗Zx為2.52 Ω。

Z2=Zj+Zx+Zc=3333+2.52+0.1=3335.92 Ω

故，電壓互感器（PT）二次回路阻抗 Z2為3 335.92 Ω，

所以，計算得其二次負荷S為1 VA，小于其額定容量90 VA，滿足規范要求。

3.3.3 電壓互感器（PT）二次控制電纜的電壓降校驗根據二次控制電纜電壓損失計算公式：

計算得電纜電壓損失△U%為0.078%，滿足電壓互感器（PT）二次回路電纜電壓損失△U%＜3%的規范要求，二次控制電纜選用合適。

3.4 二次控制及信號回路的電纜選擇及校驗

3.4.1 控制電纜的選擇

經統計計算，本控制及信號回路的最大功率不大于50 W，根據設計規范及設計經驗，控制電纜采用2.5 mm2截面的銅導線。

3.4.2 二次控制電纜的電壓降校驗

已知控制及信號回路采用DC 110 V系統，U=110 V。

計算得本回路的二次裝置電阻R=U2/P=1102÷ 50=242 Ω

已知控制電纜距離按照300 m考慮，導線采用2.5 mm2截面的銅導體。

導線電阻Rx=2×（8.4×0.3）=5.04 Ω；

根據二次回路電阻計算公式：R2=Rj+Rx+Rc=242+5.04+0.1=247.14 Ω

其中，連接導線的接觸電阻Rc依然取0.1Ω。

根據二次控制電纜電壓損失計算公式：

計算得電纜電壓損失△U%為2%，滿足控制及信號回路電纜電壓損失△U%＜10%的規范要求，二次控制電纜選用合適。

4 結論

通過前文的選擇、計算及校驗可以看出，本工程取消變電站主變低壓側的開關及保護設備，采用“站變合一”主接線方案，技術上可行，經濟上合理。既節約了工程項目的建設成本（約100萬美元），又簡化了電站和變電站的操作流程，同時也降低了項目將來的運行成本。因此，優化后的施工設計方案得到了業主的肯定和好評。

綜上所述，對于中小型水電站與近距離變電站的工程，在地方電力系統中，只要建設與運行管理是同一個單位，就可以推廣采用“站變合一”主接線方案，對節省工程投資，降低電站和變電站運行成本，具有一定的現實意義。

［1］格魯吉亞KHELVACHAURI-1水電站合同及技術文件［Z］，2012.

［2］中國航空工業規劃設計研究院，等.工業與民用配電設計手冊［M］.3版.北京：中國電力出版社，2005.

［3］國家發展和改革委員會.DL/T 5186-2004水利發電廠機電設計規范［S］，2004.

［4］國家發展和改革委員會.DL/T 5056-2007變電所總布置設計技術規程［S］，2007.

［5］國家住建部和質檢總局.GB/T 50062-2008電力裝置的繼電保護和自動裝置設計規范［S］，2008.

TM645.1

B

1672-5387（2016）07-0029-04

10.13599/j.cnki.11-5130.2016.07.009

2016-05-04

丁潔晶（1982-），女，工程師，從事水電站及水利泵站的電氣一次、二次設計工作。