厄瓜多爾美納斯水電站廠用電系統方案設計研究

楊杰 朱釗 李璇

摘要：為了響應“一帶一路”倡議，越來越多的中國企業走出國門到包括南美洲在內的海外建設水電站。但是南美洲的中低電壓標準體系和中國中低電壓標準體系完全不同，南美洲水電站對低壓采用的是三相電壓0.480 kV和0.220 kV兩級、對中壓采用的是三相電壓22.000 kV的廠用電系統方案。為此，以位于厄瓜多爾的美納斯水電站為例，從水電站的廠用電中壓和低壓系統的負荷統計與用電電壓、接線方案與運行方式、設備選擇配置等方面進行了深入分析論證;同時結合設計方案，對實現電站內0.480 kV和22.000 kV雙接地問題進行了比較分析。基于比較分析結果，提出了將變壓器接線組別設計為Y0/Y0的解決方案。設計研究成果可為南美洲水電站的新建或改造提供參考。

關 鍵 詞：

廠用電系統; 接線方案; 接地方式; 中低電壓標準體系; 美納斯水電站; 厄瓜多爾

中圖法分類號： TM615

文獻標志碼： A

DOI：10.16232/j.cnki.1001-4179.2021.06.018

1 工程介紹

美納斯（MINAS）水電站是一座以發電為主的引水式電站，地處南美洲厄瓜多爾的西南部，離首都基多500 km，工程主體建筑物包括碾壓混凝土大壩、發電引水系統（包括調壓井）、地下廠房、地面開關站和尾水隧洞等。電站裝設有3臺單機容量為90 MW的沖擊式水輪發電機組，總裝機容量為270 MW;采用230.000 kV一級電壓、2回出線接入電網，電氣主接線為3/2單元接線，發電機端電壓為13.800 kV。電站所在國的配電網的中壓電壓為22.000 kV，低壓為三相0.480 kV、0.220 kV，單相為0.127 kV。

而中國標準的配電網的中壓電壓為10.000 kV，低壓為三相0.380 kV，單相為0.220 kV。由于南美洲的中低電壓標準體系與中國標準差異較大，本文以厄瓜多爾美納斯水電站為例，對南美洲水電站廠用電系統方案設計進行了深度分析研究。

2 負荷分析及用電電壓

南美洲的厄瓜多爾美納斯水電站的用電負荷包括地下廠房的機組自用電和公用電（含檢修用電）、230.000 kV開關站的用電、大壩用電和進水口用電等。在全部機組正常運行和一臺機組檢修、其他機組正常運行2種工況下，各用電部位統計負荷及計算負荷情況列于表1，計算負荷采用綜合系數法計算[1-3]。

因低壓用電電壓有0.480 kV和0.220 kV 2種，在設計中，需要對各類廠用負荷的供電電壓按用電負荷的性質和特點進行合理規劃。美納斯水電站的照明用電分電箱全部采用三相電壓0.220 kV進線，除戶外路燈和少數大功率照明燈具外，照明燈具大多采用單相電壓0.127 kV。戶外路燈由于距離較遠，采用相-相電壓0.220 kV，部分房間的單置空調也采用相-相電壓0.22 kV。動力用電電壓按照功率大小進行選擇，機組自用電和進水口用電按功率大小，考慮到小容量的負荷回路比較多，因此，對大于10 kW的負荷電壓采用三相0.480 kV，考慮到小容量的負荷回路比較少，因此，對于不大于10 kW的負荷電壓采用三相0.220 kV。廠內公用電（含檢修用電）、230 kV開關站用電和大壩用電按功率大小，大于20 kW的負荷電壓采用三相0.480 kV，對于小于或等于20 kW的負荷電壓采用三相0.220 kV。采用三相0.480 kV和三相0.220 kV的功率分界線，基本上是根據各用電部位的用電回路負荷、回路數等因素進行綜合分析后確定的。

3 廠用電系統接線方案

美納斯水電站發電機機端電壓為13.800 kV。由表1可知：地下廠房機組自用電和廠內公用電的計算負荷共占77.9%（全部機組正常運行）和79.2%（一臺機檢修、其他機組正常運行），為了簡化地下廠房用電系統的接線方式，將地下廠房機端電壓13.800 kV直接降壓至0.480 kV，以供機組的自用電和廠內公用電。該水電站為長引水式地下電站，地下廠房距離地面敞開式開關站的電氣距離超過了800 m，開關站距離大壩與進水口的電氣距離達20 km，因此地下廠房至開關站、開關站至大壩與進水口之間的供電網絡，需采用中壓電壓等級進行連接[2，4-6]。

厄瓜多爾電網的中壓配電電壓為22.000 kV，美納斯水電站的中壓系統采用了22.000 kV，將22.000 kV的配電裝置集中設置在開關站內。地下廠房內0.480 kV供電系統通過2回0.480 kV/0.220 kV的升壓配電變升壓至22.000 kV后，再通過22.000 kV的電纜和開關站連接，開關站22.000 kV的配電裝置再通過22.000 kV的電纜轉架空線向大壩與進水口供電。

為了使電站全廠停機時的廠用電能夠得到保障，由當地配電電網引接1回22.000 kV線路至開關站22.000 kV系統[7]。開關站、大壩、進水口分別設置有22.000 kV降壓為0.480 kV的變電所，以便向開關站、大壩、進水口用電設備供電。為了向照明燈具及小負荷三相用電設備供電，在地下廠房機組自用電與檢修用電、開關站用電、大壩用電、進水口用電的0.480 kV供電回路上，分別設置了0.480 kV/0.220 kV的降壓配電變回路，用于向三相0.220 kV、單相0.127 kV、兩相0.220 kV用電設備供電。地下廠房用電和開關站、大壩及進水口用電接線簡圖分別如圖1和圖2所示。

4 廠用電系統設備的選擇

地下廠房發電機端13.800 kV電壓側，通過2臺13.800 kV/0.480 kV降壓變，向全廠及壩區供電。電站發電機組為3臺，為了保證運行的靈活性及可靠性，在1號和2號發電機端均引接13.800 kV相互閉鎖的回路至1臺13.800 kV/0.480 kV降壓變，在2號和3號發電機端也均引接13.800 kV相互閉鎖的回路至另1臺13.800 kV/0.480 kV降壓變，

為滿足廠用電及壩區各部位的用電負荷需求，根據表1，

將每臺降壓變的容量選擇為2 500 kVA。地下廠房0.480 kV/22.000 kV的升壓變也設置有2臺，每臺容量僅需滿足機組的自用電和全廠公用電的需求，通過根據表1進行計算，選擇為2 000 kVA。

在開關站設置有1臺降壓變，其容量除了可以滿足開關站的用電需求外，還需滿足應急工況下接在0.480 kV母線上的1 000 kVA的柴油發電機的用電需求;升壓為22.000 kV后，為了滿足地下廠房供電的需求，降壓變容量選擇為1 000 kVA;地下廠房因為柴油發電機運行排煙困難，所以需設置應急柴油發電機，并將其就近布置在開關站。

大壩、進水口各設置有1臺0.220 kV/0.480 kV降壓變，考慮到閘門同時啟動的需要，將容量分別選擇為500 kVA和200 kVA。

5 廠用電運行方式與中性點接地研究

關于廠用電系統的運行方式，美納斯水電站水庫容量比較小，雨季時（每年12月至次年5月），河流來水較多，電站機組一般開啟1～3臺，以承擔電網基荷，而電站廠用電則由本電站發電機提供;旱季時，河流來水較少（每年6～11月），電站機組承擔電網腰荷或峰荷，此時電站機組啟停較頻繁，可能會全廠停機，為了避免開關的頻繁操作影響到機組運行的可靠性，電站廠用電由電網22.000 kV外來電源提供。另外，作為地下廠房和開關站應急的保安電源，并同時滿足1臺機組啟動的用電負荷要求，在開關站設置了1臺1 000 kVA的柴油發電機;作為壩區的防洪應急保安電源，在大壩設置了1臺700 kVA的柴油發電機。

美納斯當地電網0.480 kV系統和22.000 kV系統均為接地系統，與中國電網標準低壓0.380 kV為接地系統、中壓10.000 kV為不接地系統不同，美納斯水電站在進行地下廠房0.480 kV/22.000 kV升壓變的接線組別選擇設計時[8]，碰到了一個與系統接地相關聯的問題，即按傳統方法，0.480 kV/22.000 kV升壓變的接線組別應選擇為Y0/Δ或Δ/Y0。若選取Y0/Δ，會造成電站22.000 kV電壓側無接地點，在地下廠房向開關站22.000 kV系統供電運行的方式下，就會使開關站22.000 kV來自電網的電源線路處于斷開的狀態，而電站22.000 kV電氣設備的絕緣水平又不滿足無接地系統的絕緣要求;若選取Δ/Y0，在電站全廠停機或機組調峰頻繁啟停、電站廠用電由開關站22.000 kV來自電網的電源線路提供運行的方式下，地下廠房13.800 kV/0.480 kV降壓變就會處于斷開狀態，地下廠房0.480 kV系統無接地點，則不滿足電站低壓0.480 kV電氣設備的運行要求。如果選取Y0/Y0接線組別，由于配電變壓器采用心式鐵心結構，3次諧波不能沿鐵心閉合，只有借道油箱壁閉合，因此會在油箱壁或其他鐵構件中產生渦流損耗，從而會降低配電變壓器效率，相關電機學文獻[9]也提到，配電變壓器容量不大于1 600 kVA時才采用這種接線組別。

針對上述問題，對0.480 kV系統和開關站22.000 kV系統的雙接地問題進行了專題研究和方案比較。第一個方案，是考慮了在地下廠房0.480 kV或開關站22.000 kV母線上設置人工接地點的方案，這樣就需配置2臺接地變壓器（一段母線一臺），而且經估算，接地變壓器容量需幾百千伏安，體積較大，設備布置較困難，運行也更復雜。

另外一個方案是設置變壓器平衡繞組。該方案需將原0.480 kV/22.000 kV雙繞組升壓變增設一個平衡繞組，而且需要將變壓器改為Y0/Y0/Δ接線組別的三卷式變壓器。但是這個方案又增加了配電變壓器的制造難度，且在干式變壓器中，這種型式的制造經驗很少。

經過與設備制造單位進行充分溝通，并查找了2015年版的干式電力變壓器國家標準GB/T 10228—2015[10]，認為在采用新的工藝及材料后，0.480 kV/22.000 kV干式變壓器Y0/Y0接線組別的制造容量可達2 500 kVA，在該容量下，Y0/Y0接線組別的變壓器是安全可靠的。因此，設計中將地下廠房0.480 kV/22.000 kV、2 000 kVA升壓變的接線組別設計為Y0/Y0，這樣既滿足了電站各種運行方式的要求，電氣設備布置也無需進行較大調整，從而也解決了地下廠房0.480 kV系統和開關站22.000 kV系統的雙接地問題。

6 結 論

南美洲的厄瓜多爾美納斯水電站首臺機組于2018年9月26日一次并網成功，監測顯示電站各系統運行正常，主要電氣設備運行參數優良。通過對該項目的設計過程進行總結，發現在對南美洲厄瓜多爾美納斯水電站的廠用電系統設計中，對出現的關鍵問題給予了很好的解決，可為今后類似工程提供借鑒。

（1） 南美洲國家低壓系統的三相電壓有0.480 kV和0.220 kV 2種，因此在設計中，需要對各類廠用電負荷的供電電壓按用電負荷的性質和特點進行合理規劃。

（2） 地下廠房發電機機端電壓可直接降壓至0.480 kV，供廠房內用電;廠外用電則通過變壓器將0.480 kV升壓至中壓22.000 kV后才能提供用電，為了簡化布置，地下廠房內不設置22.000 kV開關裝置。

（3） 南美洲國家的中壓22.000 kV和低壓0.480 kV均為接地系統，在容量不大于2 500 kVA時，可選用接線組別為Y0/Y0的0.480 kV/22.000 kV變壓器，這樣可以同時解決0.480 kV系統和22.000 kV系統的雙接地問題。

參考文獻：

[1] 水電水利規劃設計總院.水力發電廠廠用電設計規程：NB/T 35044-2014[S].北京：中國電力出版社，2015.

[2] 水電站機電設計手冊編寫組.水電站機電設計手冊（電氣一次）[M].北京：水利電力出版社，1982.

[3] 長江水利委員會.長江三峽水利樞紐單項工程技術設計報告（第五冊 機電設計）[R].武漢：長江水利委員會，1995.

[4] 中華人民共和國水利部.水利水電工程三相交流系統短路電流計算導則：SL 585-2012[S].北京：中國水利水電出版社，2012.

[5] 中華人民共和國水利部.水利水電工程接地設計規范SL 587-2012[S].北京：中國水利水電出版社，2012.

[6] 何仰贊，溫增銀，汪馥英，等.電力系統分析[M].武漢：華中工學院出版社，1984.

[7] 黎明，黃燦燦，朱正.欠發達國家城市配電網自動化改造方案研究[J].人民長江，2020，51（8）：158-161.

[8] 解廣潤.電力系統接地技術[M].北京：水利電力出版社，1991.

[9] 辜承林，陳喬夫，熊永前.電機學（第2版）[M].武漢：華中科技大學出版社，2005.

[10] 章忠國，劉爽，劉燕，等.干式電力變壓器技術參數和要求：GB/T 10228-2015[S].北京：中國標準出版社，2015.

（編輯：趙秋云）

Research on design of auxiliary power system plan for Minas Hydropower Station in Ecuador

YANG Jie，ZHU Zhao，LI Xuan

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

Abstract：

With the implementation of “the Belt and Road”，more and more Chinese companies are building hydropower stations overseas，including South America.The low and medium voltage standard system in South America is completely different with that in China，namely the low voltage of the South American hydropower stations adopts two-stage of the three-phase voltage 480V and 220V，and the medium voltage adopts the auxiliary power system plan with the three-phase voltage 22kV.Taking the Minas Hydropower Station in Ecuador as an example，we made in-depth analysis and demonstration on load statistics and the power voltage for low and medium voltage in auxiliary power system，wiring plan and operation mode，equipment selection and configuration，etc.Combining with the design plan，we compared and analyzed the problem of realizing 480V and 22kV double grounding in the power station，and proposed a solution of designing transformer wiring group as Y0/Y0.The results of design analysis can provide references for new construction or renovation of hydropower stations in South America.

Key words：

auxiliary power system;wiring plan;grounding mode;low and medium voltage standard system;Minas Hydropower Station;Ecuador