文峪河水電站電氣主接線設計探討

文玉杰

（呂梁市文峪河水利管理局水電站，山西 呂梁032111）

1 問題的提出

山西文峪河水電站地處山西省呂梁市文水縣，是黃河干流梯級電站中的峽谷型水電站，其與黃河干流上游的萬家寨水利樞紐相距26 km，與干流下游天橋水電站相距71.5 km，控制流域面積39.7 萬km2。文峪河水電站包括裝機容量1250 kVA 的水輪發電機組2 臺，其主變額定容量為1250×2=2500 kVA，屬于壩后式水電站。電站廠址在文峪河水電站防水隧洞出口位置，水電站主要承擔調峰、防洪、防凌等功能。

文峪河水電站自運行以來已近數十年，設備老化嚴重，電站大部分電氣設備均按上世紀設計理念和技術設計，運行過程中其與當前水電站設計規范及運營實際的矛盾日益凸顯。水電站機組控制屏、低壓配電屏等元器件外部結構防護等級不斷退化，線路裸露，接地及漏電事故等安全隱患突出。水電站當前所使用的2 臺SFS10-25000/110 和SFS10-16000/110 型主變壓器容量難以適應此次水電站升級改造電站擴容后機組裝機容量增大的情況。文峪河水電站機組安全等級的改造及機組裝機容量的擴大改造迫在眉睫。

2 水電站電氣主接線設計

2.1 電氣主接線

水電站高壓電器設備電能連接及分配的電氣主接線設計主要依據電力系統回路、負荷性質等參數，并且要考慮供電可靠性及所提供電能質量。文峪河水電站為中型水電站，承擔著城市供水、農業灌溉、抗旱排澇等任務，必須保證供電的可靠性。電氣主接線的設計如果太復雜，則會增大誤操作的可能，但設計過于簡單則難以滿足基本運行要求，導致停電次數和延誤時間增加，影響水電站運行效率。此外，主接線的設計還必須考慮水電站機組容量擴大及主變壓器擴容、饋電線路擴建等的可能。綜上，文峪河水電站電氣主接線設計提出方案見表1。

表1 文峪河水電站電氣主接線設計方案比選

山西文峪河水電站電氣主接線方式的選擇應充分考慮系統運行的可靠性和經濟性，通過對上述三種方案的綜合比較，方案一在經濟性上最優，方案二則具有較高的可靠性，但經濟性略差，考慮到該水電站資金方面的情況，最終選擇方案一。

2.2 變壓器的確定

2.2.1 主變壓器

（1）主變壓器額定容量

山西文峪河水電站主變壓器設計包括變壓器型號、臺數、容量、繞組連接方式、調壓方式及阻抗等的確定。該水電站發電機就近區域用電負荷不大，所以，完全可以根據水輪發電機容量進行主變壓器容量的確定。當主變壓器負荷＜100%時，負荷每減少1%，主變壓器溫度便降低1℃，水電站主變長時期低負荷運轉的情況下，將主變用至滿負荷是允許的[1]。

文峪河水電站容量1250 kVA 水輪發電機組2 臺，其主變額定容量為1250×2=2500 kVA，考慮到水電站水輪發電機組有功功率的情況，所以主變額定容量S=P/cosΦ=1250×2/0.8=322.5kVA。項目區極端環境氣溫為36.5℃和-12.4℃，年平均氣溫16.4℃，所以主變運行溫度在5℃～35℃且長時間按額定負荷運轉，其額定容量為423.75 kVA。主變運行最高環境溫度≥35℃且長時期在額定容量下運轉，其額定容量為718.75 kVA。

所以該水電站主變壓器容量應該略大于553.75 kVA 和838.75 kVA，綜合考慮水電站實際情況后，確定選用實際容量為600 kVA 和850 kVA 的兩臺主變壓器。

（2）主變壓器型式及繞組連接方式

根據《水電站機電設計手冊》，330 kV 及以下水電站通常選用三相主變壓器接入，機組容量120 MW 及以下發電廠選用三繞組變壓器，而機組容量120 MW 以上發電廠則選用雙繞組變壓器。考慮到文峪河水電站機組運行實際以及對變壓器運行可靠性的要求，在忽略運輸條件的情況下，該水電站主變壓器選用三相雙繞組型式[2]。

為確保變壓器與電氣系統的并列運行，其繞組連接方式必須與電氣系統電壓相位保持一致，水電站電氣系統繞組連接方式包括三角形和星形兩種，必須根據工程實際確定具體的連接方式。結合國內水電站電氣接線設計實踐來看，110 kV 及以上電壓的變壓器通常都采用Y0 繞組連接方式，35 kV 及以下電壓則采用△的繞組連接方式，為此，文峪河水電站主變壓器選擇Y0/△的繞組連接方式。

（3）主變壓器調壓方式

對于變壓器常見的無勵磁調壓和有載調壓兩種方式而言，有載調壓方式效果明顯，調壓范圍廣，其對主變電壓的調節范圍在±20%及以上，可以在系統與變壓器之間互相傳送功率。無勵磁調壓方式的調壓范圍僅有±5%，但經濟性比有載調壓方式好，考慮到文峪河水電站實際情況，采用無勵磁調壓方式。文峪河水電站所選用的S11-315/10、S11-630/10 主變壓器特性參數見表2。

2.2.2 自耦變壓器

考慮到文峪河水電站廠區用電的實際負荷，電壓升高過程中所需的聯絡變壓器選擇與主變容量相同的自耦變壓器，其低壓繞組同時可作為備用及啟動電源。按照裝機容量0.8%確定文峪河水電站廠區用電負荷，其自耦變壓器具體參數取值見表3。

2.3 短路電流的選擇

短路電流的選擇也是文峪河水電站電氣主接線設計的一個重要方面，為確保所選擇電氣設備安全可靠運行，檢驗開關設備開斷電能力，校驗變電設備熱穩定值等，都必須進行具體時刻短路電流有效值的選擇與確定。文峪河水電站短路電流主要是三相短路，具體見圖1。

圖1 文峪河水電站短路類型及短路電流

文峪河水電站短路電流的確定，應選擇可能出現最大短路電流的接線方式，而非僅能切換并行的接線方式[3]，所以選擇主母線220 kV 和110 kV，220 kV 主母線側發電機出口，110 kV 主母線側發電機出口作為三相短路電流的計算點。短路電流測試結果見表4。

表2 主變壓器性能參數

表3 水電站自耦變壓器參數取值

表4 短路電流測試結果

3 結論

文峪河水電站機組擴容過程中，主變壓器的額定容量、型式及繞組連接方式，自耦變壓器及短路電流的選擇等等必須科學設計，技術上可行，運行可靠、經濟。文峪河水電站運行實際表明，其電氣主接線設計完全合乎水電站運行實際，電站年發電規模顯著增大，運行效率顯著提升。