西藏林芝冰湖五級電站電氣設計的影響因素

陳志仙

（福建安瀾水利水電勘察設計院有限公司，福建 龍巖 364000）

林芝縣冰湖五級水電站位于林芝縣八一鎮內，距離八一鎮約6.5 km，系尼洋河左岸支流八及曲河上的梯級水電站，設計裝機容量3×7000 kW。電站主廠房地面高程3150 m，布置3 臺混流臥式水輪發電機組，副廠房布置于主廠房上游側，設有兩層，底層副廠房高程3144.00 m，主要布置水力機械輔助設備，上層副廠房高程3150 m即地面層，布置有高壓開關室、勵磁變室、中央控制室、廠用低壓配電室；電纜敷設于該層樓板下，高壓開關柜通過電力電纜敷設在電纜溝至戶外變壓器。

電站建成后，從電站電氣專業設計角度總結，高海拔地區和西藏特有的電網要求，在電站的一次設備選型、布置和二次自動化通信方面，有著和平原地區及南方水電站以下不同的多個方面要點。

1 設備選擇與布置

根據《電力工程電氣設計手冊（電氣一次部分）》，海拔高程超過1000 m 的屬于高原地區，冰湖五級電站位于海拔3150 m以上的高程。

因此高海拔地區的水電站的電氣設備的外絕緣需要根據海拔高度進行修正，為了使高海拔地區的電氣設備具有足夠的耐擊穿能力，必需增大設備相間的空隙間隙即A1值和設備絕緣子的爬電距離，所謂的高原型設備就是廠家根據海拔高度來進行修正計算后的技術參數高于標準氣象條件的設備參數。根據《交流電氣裝置的過電壓保護和絕緣配合》規范中附錄D 外絕緣放電電壓的氣象條件校正公式，即標準氣象條件下的放電電壓是海拔3150 m的放電電壓的1.49倍。

冰湖電站發電機機端出線為6.3 kV，根據現行的產品標準化的要求，發電機6 kV機端配電設備的技術參數與10 kV 電壓等級的是統一標準，開關設備絕緣基本采用統一等級，前面氣象條件修正后計算結果，用10 kV電壓等級的常規KYN28開關柜來布置冰湖五級電站的發電機機端配電裝置顯然絕緣等級不夠。高海拔氣象條件的變化，影響了開關柜內真空斷路器的外絕緣，開關柜內電流、電壓互感器及絕緣子套管等的相間距離和絕緣爬距，以及因為散熱差降容使用引起的母線規格增大，這些增強絕緣等級和降容措施都將使柜內元件及開關柜本體的外形尺寸變大，導致高壓開關室布置的空間也需要加大，設備的操作通道也增大。因此在施工設計階段，開關柜訂貨時須根據計算成果跟制造廠家提出必要的技術要求，采用高原型產品。實際上很多開關柜廠家沒有研發針對各海拔高度的高原型標準設備，這時需要根據制造廠家提供的技術參數選擇更高一個電壓等級的開關柜，例如20 kV 等級的高壓開關柜。在水電站電氣副廠房布置設計時，需要提前校核業主意向的設備廠家的高原型開關柜或者高一個絕緣等級的高壓開關柜的外形尺寸，給高壓開關室留出足夠的布置空間和操作廊道，以免影響后期的運維通道。同樣低壓設備和變壓器的外絕緣也各自影響著低壓屏和變壓器的外形尺寸，設計應該足夠重視由于設備外形尺寸增大而引起的布置空間的增大，而不能憑經驗采用布置普通型高低壓屏柜的設計參數。

2 110 kV升壓站的布置設計

施工階段比較了110 kV升壓站的布置型式，主要比較戶外常規中型布置方式和戶外GIS 與戶內GIS全封閉組合電器3種布置方式，冰湖五級電站地處高海拔，空氣較為稀薄，日夜溫差大、日照強，紫外線強，較為惡劣的氣候直接影響了電氣設備的外絕緣的老化和損壞；同時該電站所在地區秋冬季節風沙大，風沙會腐蝕和覆蓋布置于戶外的隔離開關及裸露在外面的電氣設備的觸頭，使觸頭元件接觸不良，觸頭電阻加大和散熱變差；考慮在高海拔偏遠的地區專業檢修費用也較高，而且往往在最惡劣的天氣情況下，最容易發生電氣設備故障，檢修人員和檢修工作很難及時到位快速展開，綜上因素，戶外裸露帶電部分的設備布置方式，不適宜在惡劣的環境因素下使用，設計不推薦戶外敞開式的中型布置方案。

進一步對比較戶內和戶外GIS 全封閉式組合電器設備進行經濟技術比較，通過與國內GIS 制造廠家技術咨詢，大型廠家具有針對高原型的成套GIS設備，冰湖五級電站的廠區具有足夠的戶外空間，林芝地區土建三材成本較高，比較了戶內GIS 室的土建投資和戶內外GIS 的設備差價，最后選定戶外GIS 布置方案,在經濟上優于戶內設備，采用的戶外封閉組合電器，在檢修和巡視上都減輕了很大的工作量，供電的可靠性也得到保證。

冰湖五級電站處于高海拔寒冷地區，GIS 組合電器還應向制造廠家提出附加電熱加溫裝置，防止SF6氣體液化。在布置上除了對設備的外絕緣引起的設備間距和布置空間的變化外，針對冬季，電站110 kV變壓器和出線桿塔的帶電部分對地距離也是需要考慮的一個重要因數，設計前期針對電站所在地的降雪厚度和凍土深度進行調查和勘察，對電站50 年一遇的積雪厚度資料進行收集，根據歷年的氣象資料，降雪厚度30～50 mm和凍土深度140 mm不會引起戶外出線桿塔帶電部分對地高度和接地帶的埋深情況。

3 廠用負荷的統計

冰湖五級電站地處高海拔地區，在冬季的寒冷天氣，也是枯水季節，電站的機組常處于部分機組停機的狀態，發電機的發電時產生的熱風不足以供廠房內取暖用，須在廠房內設置采暖設施和廠外的電熱除冰設施，廠用電負荷統計時，要根據四季變化的負荷取可能出現的最大的負荷，本電站在冬季一臺機組檢修，另兩臺運行時，同時投入取暖設備時廠用負荷達到最大，其中加熱采暖設備的負荷達到了平時廠用電負荷的20%，因此選用的廠用變壓器容量根據冬季采暖加熱的最大負荷而擴容20%。

4 關于接入系統設備的布置

西藏電網主要以220 kV電壓等級為主網架，通過+400 kV 的直流線路將原來孤網運行的西藏電網和西北電網相連，電網存在主力電源出力占比大，因此存在“大直流、小電網、大機小網”的現象，骨干環網構架依然薄弱，光伏風電等新能源的接入對電網安全穩定運行的影響越來越大，由于電網負荷特性和電源出力特性不匹配，電源點的接入需要著重保障電網的穩定性，所以冰湖五級電站的接入系統安全穩定裝置，相比同規模接入國網框架建設現代化地區的水電站，對西藏電網穩定性的影響作用更大，在安穩控制和調度自動化裝置的軟件和硬件配置要求更高，系統要求了更多的安穩設施和調度自動化設備。

根據西藏電網的雙平面建設，冰湖五級電站需要配置兩套的電力調度數據網接入設備，并配置1套安全防護設備。

為了實現西藏電網實時動態安全監測，電站內應設置一套相量測量裝置（PMU），用于測量110 kV線路的三相電壓、三相電流等相量。

系統要求電站配置安全自動化裝置，根據電網運行的方式，如果直流換流站閉鎖或者接入系統的林芝中心變的聯絡線故障，為電網穩定運行，接收系統發來的切除冰湖五級站的機組（高周高壓切機），設置了安全穩控主機柜和從機柜。

電網要求電站配置一套針對110 kV電壓等級的故障錄波裝置，同時全站還要求配置1 套獨立的保護故障信息管理子站，把電站110 kV線路保護、發變組保護、故障錄波等裝裝置的保護信息接入該管理子站，并通過調度數據網通道遠傳至區調主站系統。

電站需要配置1 臺安全Ⅲ區工作站，具備調度運行、保護、自動化參數設置、調度兩票管理等功能，采用2 Mbit/s專線與各級調度主站交換信息。

系統通信方面，電站采用雙光纖通信電路，需要配置1 臺SDH 622 Mbit/s 光傳輸設備，配置一套PCM脈沖編碼調制設備供調度電話使用。

冰湖五級電站的裝機規模屬于小水電，與南方接入構架堅強的國網系統的同規模小水電相比，西藏電網要求電站配置的安穩裝置和調度自動化裝置要求更高，通信更加可靠緊密，這些裝置使電站廠內、外通信電源的容量也增大，聯絡各子站的布線柜也增加。冰湖五級水電站接入系統方案是由另一家當地設計院設計，在施工設計前期，這些有關系統安穩裝置的屏柜和通信設備還沒有訂貨，為不致引起電氣二次設備布置空間不足而影響土建專業的設計，與接入系統設計單位充分溝通、緊密聯系，根據既有電站的安穩、通信遠動設備，確定屏柜的布置方案，留出適當的備用屏位置，冰湖五級電站設計繼電保護屏和安穩裝置、遠動通信屏統一布置在中央控制室，電站部分繼電保護屏柜和安全穩定、遠動通信屏柜分列布置，設計后期階段統計這些安穩遠動通信屏比國網片區同規模水電站多增加了5面屏，中央控制室需要更大的布置空間。

5 變壓器油的選擇

由于受高原地區空氣稀薄、對流減弱的影響，變壓器的允許溫升受到影響，根據歷史數據，冰湖五級電站所在地最低氣溫達到-15.3 ℃，同時由于電站水庫是日調節水庫，枯水季節存在著1#、2#機組與1#主變停運的情況，在寒冷天氣下停運的變壓器油容易凝結，影響間歇性的開機，因此在訂購變壓器時，應該注意變壓器制造廠家的技術參數，其中除了高原地區特有的絕緣增強，變壓器油的凝固點需要低于最低氣溫-15.3 ℃，需要采用DB-25 號以上的變壓器油防凍，保證極端氣候下變壓器體自身的安全和運行時的散熱問題。

另外，對于變壓器油的密度也需要著重關注，按照IEC 60296變壓器油的密度，需要小于0.895 g/mL，冰的密度是0.9 g/mL，變壓器停運后的這個參數直接影響了在寒冷天氣下變壓器油的運行，如果廠家的油密度高于這個值，那么在0 ℃以下的溫度下停運的變壓器油中的水分會凝結成冰浮在油面上。這些浮冰粘附在電極上，當變壓器投入運行時冰結晶融化增加導電性，可能出現放電的危險，而且變壓器油的密度大于0.895 g/mL，實際上很可能內含了超標的水分，因此設備采購的技術參數中對變壓器油的密度也要著重提出要求，密度不能超過標準值。

6 結束語

西藏冰湖五級電站根據海拔的氣象條件對設備的外絕緣放電電壓進行修正，加強設備的絕緣要求，采用的高原型設備相比平原地區的水電站增大了高低壓配電室的布置空間和操作通道；根據西藏電網的特點和穩定運行的要求，電站接入系統要求的安全穩定控制裝置、調度自動化裝置和系統遠動通信裝置，使得布置電氣二次設備的中控室的空間也增大；110 kV升壓站經過經濟技術比較后，采用三相共箱的戶外GIS 封閉式組合電器，廠用電的負荷容量在冬季采暖設備投入時達到最大，廠用變容量增大為315 kVA。由此可見，高原電站和西藏電網的特殊地理位置與網架特點，使得冰湖五級電站的電氣一二次設備的選型、布置和其他方方面面的因素與平原地區同規模電站相比，需要考慮更高的技術要求，更全面地設計要素。