雷公灘水電站擴機工程電氣設計方案

王 兵，肖建倫，張慧媛

(貴州省水利水電勘測設計研究院有限公司，貴陽 550002)

1 工程概況

雷公灘水電站位于蒙江干流下游貴州省黔南布依族苗族自治州羅甸縣境內，水電站已于1997年建成發電，電站裝機2×4.2MW，保證出力2240kW(P=90%)，年利用小時數6190h，年發電量5200kW·h。但其水量利用系數較低，每年均有大量棄水發生，資源浪費較為嚴重。隨著上游雙河口電站梯級的建成投產，這種棄水浪費資源的現象更為嚴重。擴機工程建成投產后，大大提高了蒙江水能資源的利用水平。因此在已建2×4.2MW電站的基礎上進行擴機很有必要，對擴機容量進行技術經濟論證，最后確定擴機容量為20 MW。

2 接入電力系統方式

已建雷公灘水電站裝機2臺，容量為2×4.2MW，電站35kV出線接至1.5KM處110kV雷公灘變電站35kV母線側。雷公灘水電站擴機工程擬建廠區位于原電站的河對岸。

雷公灘水電站擴機工程的接入電力系統方式初步擬定為：電站擴機工程以一回110kV線路接入110kV雷公灘變電站(業主自建，已投入運行)110 kV母線上，導線采用LGJ-120。

3 電氣主接線設計

3.1 主接線方案

根據雷公灘水電站原有裝機規模(2×4.2MW)、擴機規模(1×20 MW)及初步擬定的接入系統方案，雷公灘水電站擴機方案的電氣主接線為：發電機出口采用10.5kV電壓等級，發電機出口采用為單母線接線方式，升壓變選用一臺容量25MVA的雙線圈變壓器,高壓側電壓等級110kV，高壓側采用變壓器-線路組接線方式。

3.2 廠用電系統方案

本電站擴機工程廠用電系統供電范圍包括公用設備、廠內控制、檢修、照明及取水口閘門等負荷用電。廠用電采用10/0.4KV一級電壓配電,為保證供電質量，設計方案考慮了兩回廠用電源，一回引自發電機出口10.5kV母線，另一回接至已建雷公灘電站一廠0.4KV廠用電側，雷公灘電站一廠廠用變壓器容量為315KVA,兩回廠用電源互為明備用。電站擴機工程主要廠用電負荷見表1，根據下表廠用電用電負荷情況，廠用電計算負荷為254.67 KVA，故選用一臺SCB11-315KVA戶內干式降壓變壓器作為電站廠用變壓器。

表1 廠區主要用電負荷統計表

4 主要電氣設備選擇

4.1 短路電流計算

根據擴機電站接入系統方式,此設計階段以羅甸縣變電站220kV母線側為無窮大系統。電站系統網絡阻抗圖如下圖1，計算結果見表2。

圖1 雷公灘水電站擴機網絡阻抗圖

表2 短路電流計算結果

4.2 主要電氣設備選擇

根據短路電流計算結果以及本電站升壓站高壓配電裝置的布置方式選擇電氣設備，并能滿足正常運行、短路和過電壓等各種工況的要求[1]。初選主要電氣設備的參數如下：

1)水輪發電機：①型號：SF20-56/730；②額定出力：20MW；③額定電壓：10.5 kV；④額定電流：1293.82A；⑤功率因數：0.85；⑥額定頻率：50 Hz。

2)發電機電壓母線(共箱自冷式封閉母線)：①母線型式:BGF-10KV/2000A；②額定電壓:10.5KV；③額定電流:2000A；④冷卻方式:自冷式。

3) 發電機專用斷路器柜：①額定電壓：12 kV；②額定電流 ：2000A；③額定開斷電流：40kA；④直流分量百分比： ≥75%；⑤額定動穩定電流：80 kA。

4)12kV高壓開關柜：①型號：KYN28-12；②臺數：5臺；③額定絕緣水平：42/75 kV；④防護等級： IP2X；⑤額定開斷電流：40kA；⑥直流分量百分比： >40%；⑦4S熱穩定電流：40kA；⑧額定動穩定電流：80 kA。

5)主變壓器1臺：①型式：SF11-25000/110；②額定容量：25000kVA；③電壓：121±2×2.5%/10.5kV；④結線組別：YN,d11；⑤調壓方式：無勵磁；⑥阻抗電壓：10.5%；⑦冷卻方式：風冷。

6)廠用變：①型式：SCB11-315/10.5；②額定容量：315kVA；③電壓：10.5±2×2.5%/0.4kV；④結線組別：YN,d11；⑤調壓方式：無勵磁；⑥阻抗電壓：4%。

7)110KV斷路器(1臺)：①型式:LW46-126；②額定電壓：126KV；③額定電流：1250A；④額定開斷電流: 40KA。

8)110KV隔離開關-雙接地(2組)：①型式:GW4D-126(ⅡDW)；②額定電壓：126KV；③額定電流：630A；④額定開斷電流: 31.5KA。

9)110KV電流互感器(1組)：① 型式:LGB-110；②額定電流比:2×150/1A；③準確級:5P20/5P20/5P20/0.2S。

5 過電壓保護及接地

5.1 直擊雷保護

擴建電站110KV電氣設備采用獨立避雷針作直擊雷保護，保護主變壓器和110kV出線設備，并在廠房頂沿墻敷設避雷帶，以作廠房直擊雷的保護。

5.2 過電壓保護

根據相關規范要求，擴建電站在發電機出口、10.5kV母線以及主變的高壓側各裝設一組避雷器。并在110kV線路側配置一組氧化鋅避雷器，110kV架空輸電線路全線裝設避雷線。

5.3 接地

擴建電站接地接入110kV系大電流接地系統。對不同用途和不同電壓的電氣設備的接地均使用一個統一的接地網，其總接地電阻值要求不大于2000/I歐。

1)主接地網

擴建電站由廠房接地網、尾水渠接地網、大壩及雷公灘電站原廠接地網構成主接地網，各接地網之間用50×6 mm的鍍鋅扁鋼連接。擴建電站廠房各層均暗敷成閉合回路的水平接地干線，以便各級電壓電氣設備接地。接地干線采用50×6 mm的鍍鋅扁鋼，設備與接地干線連接采用鍍鋅扁鋼。建筑物層間用多根垂直接地干線連成一體，并與主接地網連接。

2)均衡電位接地

擴建電站廠房各層鋼筋混凝土樓板以及側墻，每隔4-5m利用結構鋼筋焊接成不大于5m×5m的網孔，形成均壓接地網。均壓接地網與接地干線連接，整個廠房形成一個接地籠。對于110kV升壓站，利用50mm×6 mm的鍍鋅扁鋼焊接成不大于5m×5m的網孔，形成均壓接地網，另在升壓站設置多根3m深的垂直接地極，且在出線構架附近設置3個50m深孔接地極。水平接地帶與尾水接地網連接，用以改善升壓站的沖擊接地電阻。

6 自動控制

為適應蒙江流域梯級電站系統調度的調控要求，確定雷公灘水電站擴機工程采用計算機監控系統。該系統能按照蒙江流域梯級調度要求，并根據電站設備狀況及運行特征參數，完成對電站機電設備的自動監控，實現電站機電設備的最優運行。本電站計算機監控系統擬采用分層分布式結構，設置主控級和現地控制級，系統網絡結構采用100Mbps單星形光纖以太網。

由于原雷公灘水電站二次設備仍然采用常規繼電器方式，現階段無法滿足計算機監控系統的要求。在擴建電站計算機監控系統中設置對原雷公灘水電站及壩區設備的遠方控制系統，待原雷公灘水電站二次設備技術改造完成后通過光纖以太網與新擴建雷公灘水電站計算機監控系統連接。

擴建電站自動監視控制設計范圍包括：水輪發電機組及輔助系統設備監控、升壓站設備監控、廠用電系統設備監控、全廠公用系統設備監控、取水口閘門的實時數據監控。計算機監控系統主控級設2臺系統數據服務器兼操作員工作站、1臺工程師工作站、1臺調度通信工作站、時鐘同步裝置和語音報警等。按監控對象對擴建電站水輪發電機組設置1套機組LCU， 1套110kV升壓站、公用設備LCU，共計2套現地控制單元。LCU直接監控被監控設備的生產過程，既可作為分布系統中的現地智能終端，又可作為獨立裝置單獨運行[2]。

7 繼電保護

根據電氣主接線，擴建電站電氣設備的保護均采用微機型保護裝置。電站電氣設備和線路的保護配置如下：

發電機保護：①縱聯差保護; ②復合電壓起動過電流保護; ③過電壓保護；④失磁保護; ⑤發電機逆功率保護; ⑥過負荷保護; ⑦定于繞阻一點接地保護; ⑧勵磁回路一點接地保護; ⑨勵磁變壓器電流速斷和過電流保護。

主變壓器保護：①縱聯差動保護；②高壓側復合電壓起動過電流保護；③高壓側過負荷保護；④低壓側復合電壓起動過電流保護；⑤低壓側過負荷保護；⑥瓦斯保護；⑦溫度升高保護；⑧壓力釋放保護；⑨油面降低保護。

110KV線路保護：110kV線路保護配置：①光纖差動保護；②三段式距離保護；③三段式零序保護；④檢同期和檢無壓三相一次重合閘。

8 結 語

雷公灘水電站建成已運行20多年，文章重點介紹水電站增效擴容方案電氣設計的主要技術問題，包括電氣一次、電氣二次等內容，對主要設備選型、技術參數等進行了概括和論述。