巴基斯坦卡洛特水電站電氣一次設計

王樹清 崔磊 曾江華 徐則誠 董曉寧 劉江

摘要： 卡洛特水電站是巴基斯坦吉拉姆河規劃的5個梯級電站的第四級，裝機容量720 MW。根據電站的運行特點和要求，綜合考慮技術性能和經濟比較，發電機和變壓器的組合方式采用“一機一變”單元接線，500kV側采用3/2接線。對電站主接線、電氣設備選擇、過電壓保護及接地、廠用電系統、照明及主要電氣設備布置等進行了簡要介紹。

關鍵詞：電氣主接線;電氣設備;防雷接地設計;廠用電系統;電氣總體布置;卡洛特水電站;巴基斯坦

中圖法分類號：TV734 文獻標志碼：A DOI：10.15974/j.cnki.slsdkb.2020.03.019

巴基斯坦卡洛特水電站是吉拉姆河（Jhelum）規劃的5個梯級電站的第四級，為Ⅱ等大（2）型工程，工程為單一發電任務的水電樞紐。樞紐主要建筑物由瀝青混凝土心墻堆石壩、溢洪道、電站引水及尾水系統、電站廠房等組成。電站裝設4臺單機額定容量為180 MW的混流式水輪發電機組，總裝機容量720 MW，多年平均發電量32.1億kW·h，年利用小時數4 452 h。本文對電站電氣一次設計進行了論述。

1 接入電力系統方式

卡洛特水電站連接到電力系統的電壓等級為500 kV，架空出線兩回，一回通過艾略特（Aliot）電站到達尼拉姆-吉拉姆（NJ）電站，長度約為99 km，另一回連接古杰蘭瓦拉（Gujranwala）變電站，長度約為198 km。因卡洛特水電站與古杰蘭瓦拉變電站連接的送電距離較長，輸電線路充電容量較大，電力規劃國際公司（PPI）開展了卡洛特水電項目聯網研究。結果表明，在卡洛特水電站引至古杰蘭瓦拉變電站的500 kV出線首端（卡洛特水電站側）設置并聯電抗器。

2 電氣主接線

2.1 設計原則

卡洛特水電站采用混流式水輪發電機機組，為引水式廠房電站，電站在巴基斯坦電力系統中承擔重要負荷，結合電站的裝機容量規模、供電范圍等，電站電氣主接線設計原則如下：

（1）主接線應安全可靠、簡單清晰、運行靈活、維修管理方便、滿足電力系統運行要求。

（2）充分考慮卡洛特水電站為單一發電任務且發電效率高的特點，電氣主接線應具有較高的供電可靠性。

（3）在任一斷路器或母線檢修時，不應影響電站連續供電;在正常運行情況下，盡量避免全廠停電。

（4）考慮電氣設備選型及布置對主接線的影響。

（5） 技術先進，經濟合理。

2.2 電氣主接線方案

（1） 發電機和變壓器組合方式。綜合考慮電氣設備投資、運輸和布置，以及運行靈活、維護方便、接線清晰和供電可靠，卡洛特電站電氣主接線中發電機和變壓器的組合方式采用“一機一變”組成4個單元接線。單元接線簡單、清晰，每個單元設備故障不影響其他單元運行，供電可靠性高，運行靈活。發電機-變壓器間設置發電機斷路器，單元中任一機組停機不影響廠用電源供電，在機組全部停機的情況下，仍可由系統經主變壓器倒送廠用電。發電機斷路器的裝設能提高廠用電的可靠性，有效限制主變壓器內部故障的擴大并減少500 kV側斷路器操作次數。

（2）500 kV側接線方式。500 kV側采用3/2接線，保證在母線故障或檢修情況下不影響電站的持續運行，斷路器檢修也不影響連續供電，具有運行靈活、維護方便、可靠性較高的優點。

（3）電氣主接線方案。卡洛特水電站裝機容量較大，利用小時數較高，電力主送巴基斯坦國家電網，且承擔重要負荷，要求電站具有較高的安全可靠性，盡可能避免線路全停、全廠停機等狀況出現。根據卡洛特電站的運行特點和要求，綜合考慮技術性能和經濟比較，發電機和變壓器的組合方式采用“一機一變”單元接線，500 kV側采用3/2接線。

3 主要電氣設備選擇

3.1 短路電流水平

根據卡洛特水電站短路電流計算結果： 550 kV高壓電器設備的短路電流按50 kA考慮;發電機主回路電壓設備的短路電流按63 kA考慮。

3.2 發電機封閉母線

發電機與主變壓器采用鋁管離相封閉母線連接。從發電機主母線引出分支母線用變壓器、勵磁變壓器、PT柜與高壓廠相連。根據發電機額定容量，離相封閉母線主要參數見表1。

3.3 發電機斷路器

為從系統倒送廠用電，在每臺發電機出口設有發電機斷路器，主要參數見表2。

3.4 主變壓器

主變壓器額定容量應與所連接的水輪發電機額定容量相匹配。卡洛特水電站單機容量180 MW，采用單元接線，525 kV主變壓器額定容量選擇225 MVA。根據電站的地理位置和交通情況，主變壓器的選型需要考慮運輸條件。受運輸條件限制，電站選用單相變壓器，3個單相變壓器組成三相變壓器組。單相變壓器容量為75 MVA，3個單相變壓器組總容量為225 MVA。由于卡洛特水電站水流泥沙較多，水冷卻器的水質很難達到要求;主變壓器布置在電站上游副廠房主變壓器室內，為半敞開式布置，通風、散熱條件均較好。綜合考慮，卡洛特水電站主變壓器的冷卻方式選擇強迫油循環風冷方式。變壓器高壓側經油/SF6套管與SF6管道母線連接，變壓器低壓側與發電機離相封閉母線連接。主變壓器主要技術參數見表3。

3.5 GIS高壓配電裝置

550 kV GIS的主要技術參數見表4。

3.6 550 kV 并聯電抗器

550 kV并聯電抗器的主要技術參數見表5。

4 過電壓保護及接地

4.1 過電壓保護

（1）發電機避雷器配置。卡洛特水電站發電機和變壓器采用單元接線型式，在發電機和主變壓器之間裝設了發電機斷路器，每臺主變壓器低壓側均裝有廠用變壓器，并考慮系統倒送廠用電的運行方式。當發電機斷路器斷開時，主變壓器低壓側連接有封閉母線，為防止變壓器繞組間電磁感應傳遞過電壓的作用，在每臺變壓器低壓側均裝設了一組氧化鋅避雷器。

（2） 550 kV開關站避雷器配置。GIS配電裝置布置在地面升壓變電站內。主變壓器低壓側與封閉母線連接，高壓側采用油/SF6套管與GIS連接。在GIS配電裝置室屋頂設出線設備平臺，兩回500 kV架空線路通過出線平臺層高壓套管和敞開式出線設備出線。

根據NB/T 35067-2015《水力發電廠過電壓保護和絕緣配合設計技術導則》[1]，在每回架空出線引下線處各設一組敞開式氧化鋅避雷器，在GIS兩組主母線上、每臺主變壓器高壓側均設一組SF6避雷器進行過電壓保護。

（3）550 kV并聯電抗器避雷器配置。并聯電抗器場布置在廠房后邊坡頂部平臺，布置了出線門構、550 kV隔離開關、550 kV斷路器、550 kV并聯電抗器等。

在并聯電抗器場門構引下線處布置550 kV避雷器，以防雷電侵入波的危害。此外，考慮到550 kV斷路器分斷并聯電抗器時，在強制熄弧下將產生操作過電壓，因此，在550 kV斷路器與550 kV并聯電抗器之間布置一組550 kV避雷器，防止操作過電壓對并聯電抗器的危害。

4.2 直擊雷保護

根據發電廠、變電站過電壓保護及接地設計[2]，電站在每回架空出線（含并聯電抗器場架空出線）上裝設避雷線對其進行直擊雷保護， 550kV敞開式設備和并聯電抗器均位于避雷線的保護范圍內。

溢洪道及進水口建筑物屋頂、電站內其他需要保護的建筑物屋頂均采用避雷帶。進水口、溢洪道、尾水平臺等處的門機均帶有避雷針進行直擊雷保護，其軌道應良好接地。

4.3 接 地

4.3.1 工頻接地電阻設計

根據IEEE Std 80-2013《交流變電站接地安全指南》[3]接地導則，整個電站的工頻接地電阻允許值按不超過1 Ω設計。

4.3.2 電站接地網總體布置

卡洛特水電站地處山區，電站壩址范圍內土壤電阻率可能較高。為限制電站地網工頻電壓升高，應充分利用電站內水工建筑物水下部分可利用的金屬物體，即輔助接地體作為接地裝置，同時按照IEEE有關標準，設置銅絞線人工接地網。為滿足電站接觸電位差和跨步電位差的要求，對高電壓場所進行均衡電位接地設計。

電站構筑物主要有大壩、電站廠房、溢洪道、引水洞等，輔助接地網主要利用這些主體建筑的鋼筋網或金屬構件組成。輔助接地網設計主要利用上述構筑物和電站廠房尾水渠及護坦底板面層鋼筋網，蝸殼里襯鋼筋，尾水管底板面層鋼筋網，尾水護坦面層鋼筋網，引水洞鋼筋網，共同構成電站的自然接地體散流地網。另外，在電站廠房各層、大壩、泄洪設施等部位設置銅材接地網（主接地裝置），接地網（主接地裝置）通過接地干線和輔助接地網等各部位連接，共同構成整個電站的總體接地網。

在GIS室樓板、副廠房頂出線場、主變壓器室樓板、并聯電抗器場等高壓配電裝置布置的區域，敷設均壓接地網，均壓接地網中的接地干線與樓板結構鋼筋每隔5 m點焊，以保證結構鋼筋與均壓接地網無電位差，避免廠房結構出現局部放電。

為防止電站的高電位轉移到地網外場所或地網外的低電位轉移到電站內，對通向電站外的低壓及金屬管道等須采取地電位隔離措施。

4.3.3 接地線截面選擇

接地導體的截面積應保證任何導體和接頭能耐受整個接地故障電流而不超過某一特定溫度。根據《交流變電站接地安全指南》11.3.3章的內容，繼電器故障會導致故障持續時間超過主故障清除時間，后備清障時間通常適合于確定導體的尺寸;對于小型變電站，后備清障時間可能達到3 s或更久;大型變電站通常具有復雜的或是冗余的保護裝置，故障通常會在1s或者更短的時間內清除。由于該電站為大型水電站，具有復雜且冗余的繼電保護設計，后備清障時間小于1 s，即接地故障會在1 s內清除。因此，建議故障持續時間為1 s，按此計算接地線的最小截面為65.2 mm2。根據業主要求，故障清除時間為3 s。經計算，接地銅絞線截面積為113 mm2，故電站選擇截面為120 mm2的銅絞線作為人工接地網主干線。業主還要求廠內和所有高電壓場所接地網主干線采用185 mm2銅絞線，溢洪道、進水口等場所接地網主干線采用95 mm2銅絞線，并按此進行施工詳圖設計。

5 廠用電系統

5.1 廠用電電源引接

（1） 從發電機電壓母線上引接以及從500 kV系統上引接倒送。由于卡洛特水電站發-變組合采用單元接線，發電機與變壓器之間已裝設發電機斷路器，因此從發電機電壓母線上引接的廠用電源，不受機組開停影響。當機組停機時，發電機斷路器斷開，可從500 kV系統倒送廠用電源，不僅提高了供電的可靠性、連續性且更為經濟。鑒于卡洛特水電站在巴基斯坦國家電網中的重要性，要求廠用電具有較高的可靠性、靈活性和穩定性，因此電站每個單元接線的發電機電壓母線上均引接1回廠用電源（共4回），作為廠用電工作電源。

（2） 設置柴油發電機組作為保安電源。原設計方案是從鄰近變電所不同母線引接2回電源作為電站的廠用備用電源，經過實地查勘，無法在附近找到合適的外來電源，目前的施工用電也是從施工現場的重油電站獲得，因此需要考慮利用備用電源替代外來電源。原設計方案全電站只設置了一臺柴油發電機，布置在溢洪道變電所內，與變電所0.4 kV母線連接，容量為800 kW。除保證溢洪道汛期泄洪安全外，該柴油發電機還兼做電站的黑啟動電源，同時作為廠房內滲漏排水泵的備用電源。因溢洪道與電站廠房距離較遠，溢洪道供電系統與廠內供電系統之間通過11 kV電纜-架空線-電纜的方式進行連接。在發生全廠失電，需要黑啟動的情況下，設置在溢洪道變電所的柴油發電機需要通過溢洪道變電所的變壓器將電壓從0.4 kV升壓至11 kV，通過11 kV架空線送至廠房，再由廠房內的廠用變壓器降壓至0.4 kV后向廠內機組倒送電。操作環節多，操作流程耗時費力，供電可靠性較低。為保證在全廠失電、沒有任何外來電源的情況下，能及時啟動單臺機組，恢復廠用電供電，有必要在廠內增設一臺柴油發電機，作為機組黑啟動電源，同時可作為廠內緊急事故保安電源（如滲漏排水等）。經計算，廠內新增柴油發電機容量為600 kW。由于廠內增設了一臺柴油發電機，原溢洪道變電所的柴油發電機僅負責溢洪道汛期泄洪閘門的應急供電，容量也可減小，經計算，容量選擇為600 kW。廠內增設一臺柴油發電機后，原設計從鄰近變電所引接的外來電源可以取消。該方案已獲得業主同意。

5.2 廠用電供電電壓

由于卡洛特水電站樞紐范圍大，各用電負荷比較分散，采用0.4 kV一級電壓不能滿足電壓質量的要求，因此必須采用兩級電壓供電。第一級電壓采用11 kV，第二級電壓采用0.4 kV。

5.3 廠用電接線

電廠從發電機組機端引接4回廠用電源（對應4組單元接線），4回廠用電源經4臺高壓廠用變壓器降至11 kV，形成4段11 kV母線。4段母線分成2組。各分段母線間均設有母聯開關，母聯開關和進線電源均設有備用電源自投裝置，以保證運行段母線（分段或不分段運行時）任何時候只由一個電源供電。

根據樞紐各建筑物的布置及供電要求，在溢洪道設置11 kV配電裝置，兩回電源來自電站廠房11 kV廠用電母線，溢洪道和進水口各設1個11/0.4 kV變電所，每個變電所配置兩臺互為備用的變壓器，11 kV電源引自溢洪道11 kV配電裝置。因尚未確定業主營地負荷，現階段暫從溢洪道11 kV配電裝置取2回電源至業主營地。

5.4 廠用電供電點設置

400V廠用電系統根據用電設備的重要性、運行方式及用電設備布置位置，設置8個低壓廠用電供電點：1號和2號機組自用電供電點、3號和4號機組自用電供電點、1號公用電供電點、2號公用電供電點、廠內照明供電點、溢洪道供電點、進水口供電點、進廠公路供電點。除進廠公路供電點采用單電源回路由箱變供電外，其余均采用雙電源回路供電，雙回路互為備用。

6 照 明

6.1 設計原則

根據電站建筑物的布置特點，照明設計分廠內、廠外兩部分。廠內照明包括主/副廠房、室內重要通道、電纜夾層、電纜廊道等部位;廠外照明包括高壓并聯電抗器場地、進水口、尾水口、溢洪道及進廠公路等部位。

照明種類包括正常照明、應急照明等。正常照明是在正常情況下日常生產、生活使用的照明。應急照明是在正常照明電源因故障失效的情況下，供繼續工作及確保人員安全、疏散的照明，包括備用、安全、疏散等照明。水電站的各工作、活動場所均設置正常照明和應急照明，且應滿足有關規定。

6.2 照明電源

廠內工作照明電源取自專用照明供電點，應急照明電源取自廠內EPS應急電源系統。廠外照明采用動力、照明共網方式運行，照明負荷分別引自各部位的動力電源。

6.3 照明光源與燈具

根據使用要求及環境條件，綜合考慮光源的光色、啟燃/再啟燃時間、頻閃等性能指標，進行技術、經濟比較后選擇LED燈、熒光燈、金鹵燈、高壓鈉燈等高光效、長壽命的光源。室內場所的光源一般選用熒光燈和金鹵燈，室外場所的光源一般選用金鹵燈和透霧能力更強的高壓鈉燈。上述光源光效高、壽命長，可以節省投資、減少維護工作，符合照明節能要求。

7 主要電氣設備布置

7.1.1 發電機主引出線布置

發電機主引出線位于主廠房機組段水輪機層的上游側，主引出線采用離相封閉母線穿出機坑墻（母線中心高程為396.10 m）至上游副廠房（高程391.0 m），然后轉直角彎沿墻向上垂直穿越高程398.5，404.5 m和411.5 m樓板，引至高程419.0 m再轉直角彎與主變壓器低壓端子連接。

7.1.2 主變壓器布置（高程419.0 m）

12臺525 kV主變壓器布置在高程419.0 m上游副廠房的每個機組段內，備用變壓器布置在同層安裝場段，其低壓側與封閉母線連接，高壓側采用油/SF6套管與GIS連接。主變壓器室外上游側敷設了主變壓器運輸軌道，每個主變壓器小室運輸軌道與戶外運輸軌道對接。1～3號主變壓器中性點連線經穿墻套管引至B相變壓器室左側小間，經電流互感器接地;4號主變壓器中性點連線經穿墻套管引至3號主變壓器B相變壓器室左側小間，經電流互感器接地。

7.1.3 GIS設備布置（高程431.0 m）

550 kV GIS布置在電站上游副廠房的GIS室內。在GIS室下游側的樓板下方設有一條貫穿GIS室的電纜通道。為了便于550 kV GIS的安裝和檢修，在GIS室內設置有15 t橋機1臺，可在地面和高空操作。

550 kV GIS設備為3/2形式布置，GIS上、下游側均設置有巡視操作通道，下游側通道兼運輸功能，匯控柜緊靠下游墻布置。考慮運輸、安裝、維修的方便，在GIS室的合適位置設置了一個6 m×4 m的吊物孔。

7.1.4 敞開式出線設備布置（高程444.60 m）

敞開式設備布置在高程444.60 m，空氣/SF6出線套管、阻波器、電容式電壓互感器、避雷器等由上游至下游布置，設備相間距離為8 m。出線立柱布置在下游側與架空線連接。

7.1.5 并聯電抗器場布置

并聯電抗器布置在廠房后邊坡頂部平臺，3臺單相并聯電抗器一列式布置，并依次布置了550 kV并聯電抗器、550 kV避雷器、550 kV隔離開關、550kV斷路器、550 kV避雷器，并聯電抗器經裸導線依次與550 kV避雷器、550 kV斷路器、550 kV隔離開關、550 kV避雷器相連，再向上引至出線門構。并聯電抗器場尺寸約為62.3 m×59.6 m （長×寬），并聯電抗器場地距電站副廠房頂出線門構約235 m。

8 結 語

結合工程實際情況，卡洛特電站采用了供電可靠、運行靈活、簡單清晰的電氣主接線和廠用電接線，主要電氣設備選型、防雷接地設計、照明設計滿足規程規范和EPC合同要求，電氣設備布置清晰、合理。目前，電站機電設備正陸續運抵工地，現場安裝工作正在緊張有序進行，電站預計于2021年投產發電。

參考文獻：

[1] NB/T 35067-2015水力發電廠過電壓保護和絕緣配合設計技術導則[S].

[2] 舒廉甫. 發電廠、變電站過電壓保護及接地設計[M]. 北京：中國電力出版社，2009.

[3] IEEE Std. 80-2013 Guide for safety in AC substation grounding[S].

（編輯：李曉濛）

Preliminary electrical design on Karot Hydropower Station in Pakistan

WANG Shuqing，CUI Lei， ZENG Jianghua，XU Zecheng，DONG Xiaoning， LIU Jiang

（Changjiang Survey， Planning， Design And Research Co.，Ltd.， Wuhan 430010， China）

Abstract： Karot Hydropower Station is the fourth one of five cascade hydropower stations planned on the Jhelum River with installed capacity of 720MW（4×180MW）. Based on operation characteristics of the station， and by taking into account the technical performance and making an economic comparison， we decided to adopt the connection mode of "one generator connected to one ?transformer"， and the 500 kV system uses 3/2 connection mode. We briefly introduced the main electrical connection design， main electrical equipment selection， overvoltage protection and grounding design， auxiliary power system， lighting system and electrical equipment general layout.

Key words： main electrical connection design; main electrical equipment selection; lightning protection and grounding design; auxiliary power system; electrical equipment general layout; Karot Hydropower Station; Pakistan