某水利樞紐電氣優(yōu)化設(shè)計研究

趙學(xué)賢

（水發(fā)規(guī)劃設(shè)計有限公司，山東 濟南 250000）

0 引言

現(xiàn)今時期的水利樞紐大多兼具發(fā)電、防洪、疏航、灌溉等功能，肩負(fù)著保障人民生命財產(chǎn)安全的重責(zé)。此時，在綜合性水利樞紐不以電力資源生產(chǎn)、供應(yīng)為主要職責(zé)的情況下，怎樣促使發(fā)電機組即發(fā)揮發(fā)電效益，又在已接入的電力系統(tǒng)中發(fā)揮功效，就成為水利樞紐工程電氣設(shè)計人員的主要任務(wù)之一。

1 某水利樞紐電氣設(shè)計基本情況

某水利樞紐是一座以洪水防控、農(nóng)田灌溉為主，兼顧水資源供應(yīng)、電力資源生產(chǎn)、航道運輸?shù)木C合性工程（圖1）。該水利樞紐包括岸邊式發(fā)電廠房、擋水壩、溢流壩、戶外GIS開關(guān)站、室外升壓站等幾個主要模塊。其中水利樞紐發(fā)電廠房布置在右岸山坡下，為岸邊式地面廠房，主廠房包括水輪機層、蝸殼層、發(fā)電機組三層，所用機組裝機容量為430kW，機組臺數(shù)為2，其中一臺單機容量為180kW，另外一臺單機容量為250kW。而副廠房則緊密毗鄰主廠房上游一側(cè)，包括GIS開關(guān)站、地面主變、樓頂出線場三個部分，水利樞紐采用兩機一變、一套發(fā)變組接線形式，以一回出線接到變電所110kV母線上，聯(lián)網(wǎng)線路長度為12.5km。

圖1 某水利樞紐電氣設(shè)備總體展示

2 某水利樞紐電氣設(shè)計準(zhǔn)備

水利樞紐電氣設(shè)計包括電氣接線設(shè)計、電纜敷設(shè)以及橋架、照明、接地、設(shè)備布置。當(dāng)前我國水利樞紐電氣設(shè)計大多從橋架布置、設(shè)備布置兩個模塊入手，但因?qū)I(yè)CATIA軟件無電氣設(shè)計模塊定制功能，導(dǎo)致傳統(tǒng)水利設(shè)計過程中存在諸多問題。因此，水利樞紐電氣設(shè)計人員可以在CATIA軟件內(nèi)，建立電氣設(shè)備模型庫并對入庫零部件進(jìn)行參數(shù)化處理，達(dá)到高效復(fù)用的目的。具體如下：

2.1 模型數(shù)據(jù)庫構(gòu)建

完善的電氣設(shè)備庫定制是水利樞紐電氣通用性優(yōu)化設(shè)計的前提。設(shè)計人員可以根據(jù)水利樞紐電氣設(shè)計特殊需求，事先搜集、積累、規(guī)整碎片化材料，避免非標(biāo)模型出現(xiàn)[1]。

2.2 零部件參數(shù)化處理

為避免出現(xiàn)模型重復(fù)構(gòu)建問題，設(shè)計人員可以對電氣設(shè)備庫內(nèi)的每一個設(shè)備進(jìn)行分類別參數(shù)化處理。即利用CATIA軟件自帶的二維草圖創(chuàng)建功能，初步創(chuàng)建共箱母線、變壓器、10kV開關(guān)柜、主變壓器、出線場設(shè)備、GIS設(shè)備、照明系統(tǒng)、火災(zāi)報警系統(tǒng)、控制柜等幾種設(shè)備的草圖，再經(jīng)三維命令構(gòu)建參數(shù)化組。同時通過零件之間的相對關(guān)系，利用公式命令在三維空間內(nèi)進(jìn)行有序參數(shù)化。具體參數(shù)化名稱如表1所示。

表1 典型參數(shù)化名稱（局部）

2.3 電氣設(shè)備模型入庫管理

為便于電氣通用性設(shè)計時統(tǒng)一管理水利樞紐各專業(yè)資源文件，可以結(jié)合水利樞紐電氣設(shè)計需求，進(jìn)行入庫管理規(guī)范程序的設(shè)置。具體包括搭建基本的電氣庫文件結(jié)構(gòu)、搭建各專業(yè)字典文件結(jié)構(gòu)及命名規(guī)則、構(gòu)建映射關(guān)系、讀取字典文件并建立各專業(yè)目錄樹結(jié)構(gòu)、定義修改設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)及規(guī)范、創(chuàng)建并定義模型類型、模型入庫并調(diào)用、形成三維布置。

3 某水利樞紐電氣優(yōu)化設(shè)計方案

3.1 系統(tǒng)接入方式設(shè)計

電氣接入作為水利樞紐電氣設(shè)計的基礎(chǔ)件，是電纜敷設(shè)、電力資源順利供應(yīng)的前提，也與水利樞紐廠房布局美觀性、恰當(dāng)性具有緊密的聯(lián)系。設(shè)計人員可以基于CAITA機電環(huán)境，依據(jù)接線清晰、靈活、便捷、安全、經(jīng)濟等原則，對電氣接入模塊進(jìn)行整體開發(fā)、對比。

常用的水利樞紐電氣接入方式為單母線接線、單母線分段接線。前者主要是選擇一臺500kVA主變壓器，在其高壓側(cè)（10kV）、低壓側(cè)（發(fā)電機母線電壓0.4kV）均選擇單母線接線，而在樞紐用電負(fù)荷接線時，則選擇0.4kV發(fā)電機母線直接引接方式，經(jīng)一臺主變壓器升壓至10kV后由其他回送電線路送出；后者主要是選擇兩臺分別為250kVA、315kVA的主變壓器，在其高壓側(cè)（10kV側(cè)）、低壓側(cè)（發(fā)電機母線電壓側(cè)）分別采用單母線接線、0.4kV單母線分段接線，對于水利樞紐用電負(fù)荷則可以直接引接0.4kV發(fā)電機母線[2]。

通過在CAITA軟件內(nèi)對上述兩個電氣接入方案進(jìn)行對比分析可知，前一個方案具有操作便捷、工作量小、運行靈活、繼電保護(hù)簡單明了的優(yōu)良特點，但在母線故障或規(guī)模檢修階段需要停止整個區(qū)域電力資源供應(yīng)，缺乏靈活度、可靠性；后一個方案則可以在母線故障、規(guī)模檢修階段合上分段斷路器，保證對應(yīng)段落母線所連接機組通過另外一段供應(yīng)電力能源，靈活性、可靠性均有所提升，且布置較為緊湊、便捷，但也存在變壓器數(shù)量過多、一次設(shè)備故障率高、投資成本高的缺陷。鑒于該水利樞紐為中小規(guī)模，在保證技術(shù)可行性的基礎(chǔ)上，可以優(yōu)先選擇運行維護(hù)便捷、設(shè)備成本低的前一個方案。

3.2 樞紐用電系統(tǒng)布置

水利樞紐用電系統(tǒng)主要包括沖沙閘啟動閉合機室、電站進(jìn)口啟閉機室、尾水平臺電動葫蘆等幾個部分。鑒于該水利樞紐工程用電負(fù)荷、電站之間的距離處于一個較小的水平，基本滿足低壓電力資源供應(yīng)要求，可以將電站用電0.4kV母線作為樞紐用電負(fù)荷電源線。在該電源線選擇完畢后，考慮到主機生產(chǎn)廠家無法準(zhǔn)確給予電力系統(tǒng)參數(shù)，電氣設(shè)計人員可以在CATIA軟件內(nèi)，選定發(fā)電機的次暫態(tài)電抗，并進(jìn)行短路電流的預(yù)先計算。隨后依據(jù)后期主機生產(chǎn)廠家所提供的數(shù)值，進(jìn)行短路電流的微調(diào)[3]。

以電站進(jìn)口門式啟閉機室電氣設(shè)計為例，其主要包括主起升電動機、運動電動機、卷線器電機三個主要組件。在各組件設(shè)計時，可以利用前期在CATIA內(nèi)構(gòu)建的組件庫，模擬按鈕開關(guān)+接觸器常規(guī)控制方式，合理規(guī)劃各組件控制箱及電源電纜在啟閉機室內(nèi)分布情況。比如，門機電源電纜可以經(jīng)電纜卷筒引入控制柜隔離開關(guān)再進(jìn)入總斷路器。而電源一路接斷路器向啟動/閉合電氣設(shè)備供應(yīng)電力能源，另外一路則接斷路器向電纜卷筒卷線器供應(yīng)電力能源。全部斷路器均為就地手動合閘方式，匹配有分勵線圈，實現(xiàn)在啟閉機室內(nèi)遠(yuǎn)方跳閘。

在門機電源電纜布置規(guī)劃完畢后，將“停止”“上升”“下降”作為門機起升機構(gòu)控制按鈕，配合開度儀、機械上下限位，促使操作者在控制任意一扇閘門時均可以促使設(shè)備在指定位置停止運行，實現(xiàn)雙重保護(hù)。開度儀則具有小開度，可以通過預(yù)先設(shè)置開啟上節(jié)門葉高度并進(jìn)行節(jié)間充水，均衡閘門開啟前、后壓力，降低檢修閘門開啟風(fēng)險；而行走機構(gòu)控制則選擇自復(fù)型轉(zhuǎn)換開關(guān)，設(shè)置“向右”“向左”兩個控制端，在運行到左、右極限位置時可以自動停止電動機并切斷行走機構(gòu)電力資源供應(yīng)線路。與此同時，在啟閉機室操作臺平面上，將信號指示燈、門機行走控制操作器件、門機啟升控制操作器件的三維布置；而在啟閉機室操作臺立面上，則進(jìn)行風(fēng)速儀、開度儀、電壓表、電流表的合理布置。上述組件的主要控制元件布置在控制柜內(nèi)，采用現(xiàn)場控制模式。在啟閉機室內(nèi)專門設(shè)置一面控制柜，并在柜上布置電流表、電壓表、信號燈按鈕、開度顯示儀、熱繼電器、電流互感器、斷路器等。其中閘門開度測控裝置、主令控制器互為備用，可以實現(xiàn)閘門運行位置的精準(zhǔn)管控。

此外，為防止啟閉機超出負(fù)荷運行，設(shè)計人員還可以從CATIA自帶的參數(shù)庫中尋找荷重傳感器參數(shù)件，并分析荷重傳感器應(yīng)用后運行情況。比如，在啟閉載荷達(dá)到額定載荷的90.00%時，荷重傳感器是否會發(fā)出聲光警報；在啟閉機載荷超出額定載荷的100.00%時，荷重傳感器是否發(fā)出聲光警報并自動切斷電源等。

3.3 電氣主要設(shè)備布置

橋架作為水利樞紐電氣電纜的支撐工件，直接關(guān)系到電氣電纜敷設(shè)質(zhì)量。而一個優(yōu)良的橋架路徑規(guī)劃，也可以提升水利樞紐布局的外在美觀度。因此，電氣設(shè)計人員可以利用CATIA自帶的橋架模塊——RACEWAY，在設(shè)備建模入庫程序中進(jìn)行參數(shù)的修改，并將對應(yīng)的設(shè)計表導(dǎo)出對應(yīng)模型。即通過參數(shù)化精簡、連接點創(chuàng)建，在生成的設(shè)計表中進(jìn)行入橋架庫，配合后期調(diào)試，實現(xiàn)橋架工程量的自動匯總。

在橋架布置完畢后，設(shè)計人員可以依據(jù)技術(shù)先進(jìn)性、經(jīng)濟合理性、安全可靠性、運行靈活性、自然條件相符性原則，利用按正常狀態(tài)選擇（額定電壓/額定電流不低于裝設(shè)地點電網(wǎng)額定電壓/最大持續(xù)工作電流）、按短路狀態(tài)校驗（熱穩(wěn)定校驗時熱效應(yīng)不得超過允許值、動穩(wěn)定校驗時不得因短路電流電動力效應(yīng)造成變形）兩種方法，恰當(dāng)選擇電氣設(shè)備。并在現(xiàn)場模擬環(huán)境中進(jìn)行電壓器、電纜、母線、互感器、照明部分等主要設(shè)備的逐一布置。以照明部分為例，鑒于CATIA軟件電氣分析應(yīng)用基礎(chǔ)薄弱特征，設(shè)計人員可以在三維可視化環(huán)境內(nèi)，利用Dialux照明軟件，面向水利樞紐與CATIA軟件建立數(shù)據(jù)傳輸接口，實現(xiàn)精細(xì)化建模。最終得出該水利樞紐照明部分包括工作照明、事故照明，前者為廠用低壓盤輸送的380/220V三相四線制供電系統(tǒng)支持；后者則為交直流電源自動切換的電力資源供應(yīng)方式。

4 結(jié)語

綜上所述，在以三維設(shè)計為依托的設(shè)計方法應(yīng)用范圍不斷拓展的進(jìn)程中，為水利樞紐電氣優(yōu)化設(shè)計提供了良好的思路。因此，在通用設(shè)計方案制定過程中，設(shè)計人員可以依托CATIA軟件平臺，對水利樞紐單母線接線、單母線分段接線等電氣主接線方式以及樞紐用電系統(tǒng)布置進(jìn)行分析。同時根據(jù)短路電流計算結(jié)果，選擇恰當(dāng)?shù)碾姎庠O(shè)備，保證水利樞紐電氣系統(tǒng)平穩(wěn)、安全運轉(zhuǎn)。