安谷水電站電氣一次設(shè)計

張 梅， 向 重 平， 王 濤

(1.四川省水利水電勘測設(shè)計研究院，四川 成都 610072；2.四川圣達水電開發(fā)有限公司，四川 樂山 614900)

1 工程概況

安谷水電站工程是大渡河干流梯級開發(fā)中的最后一級，壩址位于樂山市市中區(qū)與沙灣區(qū)接壤的安谷河段生姜坡。電站裝機容量為772 MW，裝設(shè)4臺、單機容量為190 MW和1臺12 MW的軸流轉(zhuǎn)槳式水輪發(fā)電機組，多年平均發(fā)電量31.44億kW·h。工程樞紐主要由非溢流壩、泄洪沖沙閘、左岸副壩、右岸副壩、電站主廠房、尾水渠、船閘等建筑物組成。

工程于2012年3月1日正式開工建設(shè)。2014年12月8日首臺機組投產(chǎn)發(fā)電。2015年8月28日全部機組投產(chǎn)發(fā)電。

2 接入電力系統(tǒng)的方式及電氣主接線

2.1 接入電力系統(tǒng)的方式

根據(jù)2012年6月四川西星電力科技咨詢有限公司的《四川省大渡河安谷水電站接入系統(tǒng)方案調(diào)整報告》及四川省電力公司川發(fā)展[2013]53號《關(guān)于大渡河安谷水電站接入系統(tǒng)方案調(diào)整的批復(fù)》，安谷水電站接入系統(tǒng)的方式為：電站出線電壓等級采用220 kV一級電壓，出線2回接入南天500 kV變電站220 kV母線，并入國家電網(wǎng)，送電距離為15 km。電站220 kV側(cè)短路水平按50 kA考慮。

根據(jù)2013年11月19日四川電力設(shè)計咨詢有限責(zé)任公司的《關(guān)于安谷水電站升壓變阻抗調(diào)整為高阻抗的說明函》，為滿足安谷水電站接入電網(wǎng)后的電網(wǎng)運行安全要求，安谷水電站4臺220 MVA升壓變壓器阻抗值均由常規(guī)Uk%=14%提高到Uk%=18%。

2.2 電氣主接線

根據(jù)接入系統(tǒng)資料，結(jié)合該電站裝機單機容量較大、年利用小時數(shù)高及樞紐布置較困難等特點，分別擬定了三種主接線方案并進行了技術(shù)經(jīng)濟比較，最終確定電氣主接線形式：5臺發(fā)電機側(cè)均采用發(fā)電機-變壓器單元接線，發(fā)電機出口設(shè)斷路器，220 kV側(cè)采用雙母線接線形式，共有兩回出線接入系統(tǒng)。220 kV高壓配電裝置采用GIS設(shè)備。

3 廠用電系統(tǒng)

電站廠用電系統(tǒng)采用10 kV和0.4 kV兩級電壓供電。10 kV廠用電系統(tǒng)采用單母線分段接線，共分為5段母線，Ⅰ、Ⅱ段母線分別通過3臺833.34 kVA高壓單相廠用變分別接入#1、#3機組單元母線，Ⅲ段母線通過高壓斷路器接入#5機組單元母線，Ⅳ段母線通過一臺2 500 kVA高壓廠用變與外來35 kV電源連接，Ⅴ段母線與一臺1 600 kVA柴油發(fā)電機組連接。Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ段母線位于主廠房，Ⅳ、Ⅴ段母線位于壩區(qū)集控房。正常運行時，Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ段母線獨立運行，互為備用。35 kV外來電源作為暗備用電源，柴油發(fā)電機作為壩區(qū)保安電源。各段母線間均設(shè)置母聯(lián)斷路器，且設(shè)置備用電源自動投入裝置。

0.4 kV廠用電系統(tǒng)采用機組自用電、全廠公用電、照明系統(tǒng)及壩區(qū)供電分別設(shè)置方式。機組自用電分別由接于10 kVⅠ、Ⅲ段母線上 的 兩 臺1 000 kVA廠用變壓器供電，低壓側(cè)采用單母線分段接線。全廠公用電分別由接于10 kVⅠ、Ⅲ段母線上的兩臺1 600 kVA廠用變壓器供電，低壓側(cè)采用單母線分段接線。全廠照明系統(tǒng)分別由接于10 kVⅠ、Ⅲ段母線上的兩臺250 kVA照明變壓器供電，低壓側(cè)采用單母線分段接線。壩區(qū)分別由接于Ⅳ、Ⅴ段母線上的兩臺800 kVA壩區(qū)用變壓器供電，低壓側(cè)采用單母線分段接線。為限制短路電流及提高廠用電運行的可靠性，正常運行時要求各段母線均分開單獨運行，在任何情況下應(yīng)避免同一段母線由兩個電源同時供電的運行方式出現(xiàn)。

4 主要電氣設(shè)備的選擇

4.1 水輪發(fā)電機

大機(#1、#2、#3、#4)發(fā)電機為立軸半傘式結(jié)構(gòu)，采用密閉、單支路徑向無風(fēng)扇自循環(huán)通風(fēng)冷卻系統(tǒng)，主要由定子、轉(zhuǎn)子、上下機架和其它輔助部分組成。定子主要由定子機座、鐵芯和繞組組成。定子繞組采用4支路Y形連接，絕緣等級為F級。定子機座由軋制鋼板焊接而成，并根據(jù)運輸?shù)南拗茥l件將發(fā)電機定子機座分成6瓣運輸?shù)浆F(xiàn)場，在工地進行組圓焊接。轉(zhuǎn)子主要由轉(zhuǎn)子中心體、圓盤支架、磁軛和磁極組成，轉(zhuǎn)子上部與上端軸相連，下部與發(fā)電機軸相連，連接方式均為法蘭連接。發(fā)電機轉(zhuǎn)子外徑為13 180 mm，轉(zhuǎn)子磁軛高度為1 833 mm，整體轉(zhuǎn)子重量為606 t。轉(zhuǎn)子支架為圓盤式支架，其中心體為整體運輸至現(xiàn)場。支架的下部設(shè)有制動環(huán)；磁軛由高強度鋼片在現(xiàn)場疊裝而成，磁軛疊片用螺栓緊固，磁軛外側(cè)掛上磁極并連線。推力軸承采用彈簧束支承結(jié)構(gòu)。

小機(#5)發(fā)電機為立軸懸式結(jié)構(gòu)，采用密閉循環(huán)，雙路弧斗式風(fēng)扇，徑向通風(fēng)冷卻方式。定子整體運輸至工地現(xiàn)場。定子繞組采用圈式疊繞組，2支路Y形連接，絕緣等級為F級。轉(zhuǎn)子采用單軸結(jié)構(gòu), 磁軛疊片和磁極掛裝等組裝工作由機電安裝單位在現(xiàn)場完成。推力軸承采用彈性圓盤支承。發(fā)電機主要技術(shù)參數(shù)見表1。

發(fā)電機額定電壓的選擇應(yīng)綜合考慮發(fā)電機的技術(shù)經(jīng)濟指標(biāo)以及電站配電裝置，如變壓器、斷路器、母線等設(shè)備的投資及運行費用。在發(fā)電機容量和轉(zhuǎn)速一定的情況下，選擇較高一級電壓會消耗較多的絕緣材料，也不利于定子防暈；選擇較低一級電壓，銅材料消耗較多，發(fā)電機定子電流增大，將使發(fā)電機出口開關(guān)設(shè)備造價增加。安谷水電站#1～#4發(fā)電機容量為190 MW，發(fā)電機額定電壓選擇13.8 kV和15.75 kV均可行。可研階段經(jīng)收集廠家資料后得知，若選擇發(fā)電機電壓為15.75 kV電壓等級，比選擇發(fā)電機電壓13.8 kV機組的總重量要少15 t，發(fā)電機電壓母線電流少1 125 A，且選擇發(fā)電機電壓15.75 kV電壓等級廠家已有成功的運行經(jīng)驗。鑒于以上原因，故在可研階段，設(shè)計單位推薦發(fā)電機額定電壓為15.75 kV。

表1 發(fā)電機主要技術(shù)參數(shù)表

為了更好地選擇安谷水電站水輪發(fā)電機組，在設(shè)備招標(biāo)前，業(yè)主組織國內(nèi)知名的水輪發(fā)電機制造廠家——東電、浙富、哈電、福伊特召開了技術(shù)交流會，會議推薦發(fā)電機額定電壓采用13.8 kV。從經(jīng)濟上比較，采用15.75 kV比采用13.8 kV設(shè)備總投資要多兩千多萬元。在機組招標(biāo)文件中，對發(fā)電機的額定電壓規(guī)定為15.75 kV或13.8 kV。東電、浙富、哈電、福伊特、東芝水電、天津阿爾斯通六家投標(biāo)人中除東電采用15.75 kV額定電壓外，其余均采用13.8 kV額定電壓。最終中標(biāo)單位為東芝水電，發(fā)電機電壓確定為13.8 kV。實踐證明：采用13.8 kV額定電壓是合適的。

4.2 主變壓器

該電站主變壓器由山東泰開變壓器有限公司供貨，主要技術(shù)參數(shù)為：

(1)變壓器型式：油浸式三相雙繞組無勵磁調(diào)壓 油浸式三相雙繞組無勵磁調(diào)壓

(2)型號：SFP11-220000/220 SF11-15000/220

(3)額定容量：220 MVA 15 MVA

(4)額定電壓：

高壓側(cè)：242(±2×2.5%) kV 242(±2×2.5%) kV

低壓側(cè)：13.8 kV 10.5 kV

(5)聯(lián)接組別：YN，d11 YN，d11

(6)阻抗電壓UK： 18%±5% 12%

(7)中性點接地方式：直接接地 直接接地

(8)冷卻方式： OFAF強迫油循環(huán)風(fēng)冷 ONAF油浸風(fēng)冷

(9)總油量/運輸重/(充氮)總重量：31.4/134.8/179.57(t) 16.7/28/52(t)

4.3 252 kV SF6氣體絕緣金屬封閉開關(guān)設(shè)備(GIS)

252 kV GIS 為戶內(nèi)GIS設(shè)備，采用雙母線接線，共10個間隔，包括5個進線間隔，2個出線間隔，1個母聯(lián)間隔，2個PT間隔。包括斷路器、隔離開關(guān)、接地開關(guān)、快速接地開關(guān)、PT、CT、避雷器、GIS/變壓器連接元件和現(xiàn)地控制柜等。252 kV GIS 設(shè)備由現(xiàn)代重工(中國)電氣有限公司供貨，主要技術(shù)參數(shù)如下：

(1)額定電壓：252 kV

(2)相數(shù)：3相

(3)額定電流：3 150 A

(4)額定短時耐受電流：50 kA /3 s

(5)額定峰值耐受電流：125 kA

(6)母線導(dǎo)體材料：鋁合金

(7)斷路器操動機構(gòu)：彈簧

4.4 發(fā)電機電壓配電裝置

發(fā)電機電壓配電裝置為發(fā)電機主引出線至主變低壓側(cè)及發(fā)電機中性點等處13.8 kV電氣設(shè)備，主要包括發(fā)電機出口斷路器(GCB)、離相封閉母線(IPB)及13.8 kV高壓開關(guān)柜等設(shè)備。

大機發(fā)電機出口斷路器(GCB)由法國ALSTOM生產(chǎn)供貨，小機GCB由川開股份有限公司供貨(配施耐德生產(chǎn)的HVX17-40-31發(fā)電機專用斷路器)。

GCB主要技術(shù)參數(shù)：#1、#2、#3、#4機組 #5機組

(1)型式 SF6氣體滅弧、臥式 真空

(2)型號 FKG1N HVX17-40-31

(3)額定電壓(最高運行電壓UN) 27.5 kV 17.5 kV

(4)相數(shù) 3相 3相

(5)額定電流 10 800 A 3 150 A

(6)額定短路關(guān)合電流 340 kA 100 kA

(7)額定動穩(wěn)定電流 334 kA 100 kA

(8)額定短路開斷電流(Isc)

交流分量有效值 系統(tǒng)源 ≥100 kA 40 kA

電機源 ≥50 kA

直流分量百分?jǐn)?shù) 系統(tǒng)源 ≥75% 75%

電機源 ≥130%

(9)操動機構(gòu) 彈簧儲能液壓操動機構(gòu) 電動彈簧儲能

#1、#2、#3、#4機組發(fā)電機出口至主變壓器低壓側(cè)采用全連式離相封閉母線(IPB)連接。廠用分支及勵磁分支回路均采用IPB引接，以減少短路故障，提高運行可靠性。由于廠用分支短路電流大，開關(guān)設(shè)備選擇困難、價格昂貴，故廠用電分支和勵磁回路分支均不裝設(shè)開關(guān)設(shè)備，與主回路直接相連。該電站IPB由向榮集團有限公司供貨。

IPB主要技術(shù)參數(shù)為：主回路母線 分支回路母線

(1)型號 QLFM-15.75/10 000 QLFM-15.75/630

(2)額定電壓 /kV 15.75 15.75

(3)最高電壓 /kV 18 18

(4)相數(shù) 3 3

(5)相間中心距 /mm 1 400 1 400

(6)額定電流 /A 10 000 630

(7)額定短時耐受電流(2 s，有效值，kA) 100 100

(8)額定峰值耐受電流 /kA 250 250

(9)額定絕緣水平

雷電沖擊耐受電壓(峰值)/kV 105 105

1 min工頻干/濕耐受電壓有效值/kV 57/40 57/40

(10)泄漏比距≥/mm·kV-125 25

(11)冷卻方式 自然冷卻 自然冷卻

(12)外殼防護等級 IP55 IP55

5 電氣設(shè)備布置

該電站廠房為河床式廠房，電站主廠房總長度為223.48 m，寬度為28.5 m，安裝間布置在主廠房右側(cè)。#1、#2、#3、#4機組發(fā)電機主引出線采用全連式離相封閉母線，布置在水輪機層下游側(cè)電氣夾層內(nèi)，經(jīng)發(fā)電機電壓配電裝置后水平引至下游側(cè)墻處上引穿樓板至主變室與主變低壓側(cè)連接。#5機組發(fā)電機主引出線采用電纜經(jīng)布置在發(fā)電機層下游側(cè)的發(fā)電機電壓配電裝置后沿水輪機層橋架水平引至下游側(cè)墻處上引穿樓板至主變室與主變低壓側(cè)連接。廠用10 kV高壓開關(guān)柜、干式廠用變壓器及400 V低壓配電屏分別集中布置在水輪機層下游側(cè)電氣廊道內(nèi)。壩區(qū)用35 kV開關(guān)柜、10 kV開關(guān)柜、干式壩區(qū)用變壓器、柴油發(fā)電機及400 V低壓配電屏分別集中布置在壩區(qū)集控房內(nèi)。

副廠房及GIS樓布置在主廠房下游側(cè)，總長度為196 m，寬度為12 m。主變壓器布置在GIS樓底層，220 kV開關(guān)站采用戶內(nèi)式SF6全封閉組合電器，布置在GIS樓二層，出現(xiàn)場布置在GIS樓屋頂。2回220 kV出線經(jīng)架空線引出。主變壓器采用戶內(nèi)敞開式布置，變壓器高壓側(cè)經(jīng)鋼芯鋁絞線與220 kV SF6/空氣套管連接。出線SF6 空氣套管采用鋼芯鋁絞線與電容式電壓互感器、避雷器連接，最后上跳至220 kV架空線路上。GIS樓內(nèi)設(shè)有一臺型號為10 tLH型電動單梁橋式起重機，供設(shè)備安裝、檢修使用。

根據(jù)樞紐布置，廠房左岸為沖沙泄洪閘，右岸預(yù)留有船閘，GIS樓布置位置可選擇在廠房右岸或尾水平臺上。若布置在廠房右岸，需增大土石方和高邊坡開挖以及發(fā)電機電壓母線等的工程投資，總計約9 000萬元；另外，發(fā)電機電壓母線需要穿過船閘底部，結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定，環(huán)境潮濕，設(shè)備長期運行在該環(huán)境下容易引發(fā)故障，不利于電站的長期穩(wěn)定運行。通過技術(shù)經(jīng)濟比較，GIS樓最終選擇布置在尾水平臺上。鑒于此，尾水平臺振動對設(shè)備和主體結(jié)構(gòu)可能帶來的危害是必須考慮的問題。為此，業(yè)主專門組織主變、GIS設(shè)備廠家進行了防震專題技術(shù)交流會，并委托西安理工大學(xué)水利水電學(xué)院進行了詳細(xì)的研究，得出了《安谷水電站廠房變壓器設(shè)備基礎(chǔ)振動復(fù)核研究報告》。通過分析論證得出結(jié)論：安谷水電站高壓配電裝置布置于尾水平臺后，與水工建筑物產(chǎn)生共振的幾率很小，方案可行且安全。為了進一步減少主體建筑物長期振動可能帶來的設(shè)備本身結(jié)構(gòu)的危害，高壓配電裝置還應(yīng)采取以下一些抗振措施：

(1)增加變壓器鐵芯撐條數(shù)量，增大線圈內(nèi)紙筒與鐵芯的有效接觸面積；控制套裝間隙，對線圈軸線圈油道墊塊進行密壓工藝處理，以保證線圈軸向緊實。

(2)提高變壓器油箱強度，調(diào)整并加強受力部位的結(jié)構(gòu)和數(shù)量，提高油箱焊縫強度。

(3)對GIS各部件連接螺栓采取適當(dāng)、合理的防松措施。

(4)在GIS基礎(chǔ)部位增加隔振部件。

(5)在主變及GIS上安裝在線檢測系統(tǒng)，對設(shè)備運行中的工況進行實時監(jiān)控。

安谷水電站首臺機于2014年12月發(fā)電，至2015年8月四臺機包括生態(tài)機組已全部投產(chǎn)運行，目前運行狀況良好，所檢測到的相關(guān)振動參數(shù)亦在安全范圍內(nèi)。

6 過電壓保護及接地

6.1 過電壓保護

電站主、副廠房和GIS樓采用屋頂避雷帶實施防直擊雷過電壓保護。對布置在GIS樓屋頂?shù)?回220 kV架空出線全線架設(shè)避雷線，在出線構(gòu)架上設(shè)置避雷針實施防直擊雷過電壓保護。防護感應(yīng)雷設(shè)計主要采取各種屏蔽措施并妥善接地，如對建筑物設(shè)置屏蔽網(wǎng)和電纜屏蔽層及鎧裝層按規(guī)范要求的方式實施接地。電站防侵入雷電波過電壓保護采用在出線側(cè)裝設(shè)一組敞開式氧化鋅避雷器、GIS母線上裝設(shè)一組封閉式氧化鋅避雷器、在主變低壓側(cè)裝設(shè)氧化鋅避雷器、五臺主變壓器220 kV側(cè)中性點各裝設(shè)一臺氧化鋅避雷器的方式實施過電壓保護。為消除電磁式電壓互感器引起的鐵磁諧振過電壓，在發(fā)電機出口及主變低壓側(cè)的電壓互感器、廠用10 kV配電系統(tǒng)的電壓互感器均配置有消諧裝置。

6.2 接 地

電站接地系統(tǒng)由大壩及尾水接地網(wǎng)、主廠房接地網(wǎng)、副廠房及GIS樓接地網(wǎng)以及自然接地體等組成，各部分接地網(wǎng)用不少于2根50 mm×6 mm(寬×厚)的鍍鋅扁鋼連接。接地導(dǎo)體采用50 mm×6 mm(寬×厚)的鍍鋅扁鋼。電站接地網(wǎng)施工完畢對電站的接地系統(tǒng)進行了實測，實測的電阻值為0.269 Ω，比設(shè)計值0.423 Ω稍小，這是由于設(shè)計值中未考慮水工建筑物中鋼筋、金屬結(jié)構(gòu)等自然接地體的降阻作用。實測了最大接觸電勢差和最大跨步電勢差，其均小于規(guī)范允許值，結(jié)論與設(shè)計計算結(jié)果一致。220 kV出線場布置在GIS樓屋頂，屋頂暗敷有網(wǎng)格大小約為5 m×5 m的均壓接地網(wǎng)。另外，出線構(gòu)架及避雷器的接地導(dǎo)線不與屋頂接地網(wǎng)直接相連，而是采用兩根獨立的接地線單獨引下通過集中接地裝置接地后再與主接地網(wǎng)相連。

為消除地電位差的干擾，按照規(guī)范和《國家電網(wǎng)公司十八項電網(wǎng)重大反事故措施》要求，安谷水電站等電位接地網(wǎng)主要由4個區(qū)域構(gòu)成：副廠房、發(fā)電機層、GIS室和壩區(qū)集控房。在副廠房繼保室屏柜下層的電纜橋架沿屏柜布置的方向敷設(shè)25 mm×4 mm(寬×厚)的專用銅排，將該專用銅排首尾兩端采用放熱焊接可靠連接，形成“目”字型閉環(huán)，構(gòu)成繼保室的等電位接地網(wǎng)。采用不少于4根、截面為50 mm2的專用銅絞線分別取自該等電位接地網(wǎng)各處、最后合并在一起并于繼保室電纜豎井處與主接地網(wǎng)一點連接。發(fā)電機層下游側(cè)成“一”字型分散布置有機旁屏柜，在屏柜下層的電纜橋架沿屏柜布置的方向敷設(shè)25 mm×4 mm(寬×厚)的專用銅排。GIS室沿電纜溝方向在地面明敷25 mm×4 mm(寬×厚)的專用銅排。在壩區(qū)集控房屏柜下層的電纜橋架沿屏柜布置的方向敷設(shè)25 mm×4 mm(寬×厚)的專用銅排。所有銅排均引入繼保室電纜豎井處與主接地網(wǎng)一點連接。各處保護控制屏柜通過截面為50 mm2的專用銅絞線與等電位接地網(wǎng)相連。

7 照 明

全廠照明系統(tǒng)分為主廠房照明(發(fā)電機層、水輪機層、電氣夾層、蝸殼層、灌漿廊道及交通廊道)、副廠房照明、GIS樓照明及壩區(qū)照明。壩區(qū)照明包括壩區(qū)集控房、廠壩公路等。

全廠照明設(shè)置2臺250 kVA照明專用有載調(diào)壓干式變壓器供電，互為備用，采用380 V/220 V電壓、中性點直接接地的三相五線制系統(tǒng)。設(shè)有工作照明屏3面，事故照明屏1面，安裝在主廠房水輪機層電氣廊道內(nèi)。正常照明由照明變壓器供電，事故照明正常時由照明變壓器供電，事故時由直流電源逆變供電。全廠重要部位均設(shè)置有事故照明，所有安全疏散通道均設(shè)置有疏散指示照明。

主廠房發(fā)電機層采用壁燈和頂棚探照工廠燈相結(jié)合的混合照明方式；水輪機層、技術(shù)供水室及其他輔助房間等采用工廠燈具及壁燈；蝸殼層采用防潮燈具；蓄電池室、油處理室及柴油機房采用防爆燈具；中控室、集控房、泄洪沖沙閘房等處采用熒光燈和壁燈；尾水平臺、進場公路、上壩公路及壩頂采用路燈。除大功率工廠燈具(≥150 W)和防爆燈具采用金鹵燈、消防應(yīng)急燈采用熒光燈外，其他燈具照明光源均選用壽命長、亮度高、功耗低的新型光源LED燈，以實際行動踐行綠色照明、節(jié)能減排。

8 結(jié) 語

安谷水電站電氣一次設(shè)計滿足相關(guān)規(guī)程規(guī)范要求。220 kV升壓站選擇布置在尾水平臺上，減少了土建開挖，縮短了發(fā)電機電壓離相母線的長度，降低了投資和電能損耗。通過振動復(fù)核研究論證了方案的可行性，并采取了必要的抗振措施用以減小尾水平臺振動對設(shè)備和主體結(jié)構(gòu)可能帶來的危害。該電站升壓站的布置、水輪發(fā)電機額定電壓的選擇等為今后類似電站的電氣一次設(shè)計提供了寶貴的經(jīng)驗。

[1] 水力發(fā)電廠機電設(shè)計規(guī)范，DL/T5186-2004[S].