大朝山電站轉輪加工廠廠用電設計討論

羅海龍

（國投云南大朝山水電有限公司，云南 昆明 650213）

0 引言

大朝山水電站位于云南省西部瀾滄江中下游河段，電站于2003 年10 月全部機組投產發電，現已成為云南電網中重要調峰調頻電廠之一，水輪發電機組投產以來一直存在空載工況運行不穩定，穩定運行區域較窄，轉輪裂紋較為嚴重等問題，特別是在低負荷50～90 MW 區域運行時尤為突出，表現為發生劇烈的水體共振，隨著云南電網結構不斷發生變化，在電網供應低谷時段,大朝山電廠機組需要頻繁參與空載調壓和啟停操作，問題更加突出，多項指標已超出主機合同和國家標準的相關要求。針對以上問題，決定對水輪機轉輪進行更新改造，在論證轉輪加工及運輸方案時發現，原轉輪因當時交通運輸原因采用分瓣運輸，運行后存在轉輪把合分瓣法蘭引起頂蓋壓力值升高的問題，參考國內外大型混流式水輪機轉輪的加工運輸方案，經過方案比選后選擇“散件運輸，現場整體加工的”方案，即采用水輪機準亂散件運輸至電站現場，在現場新建轉輪加工廠，在加工廠內完成轉輪現場組裝工序的方案。工序包括轉輪拼裝、轉輪焊接打磨、探傷、退火、機加工、鏜螺栓孔、靜平衡以及泄水錐檢查、吊裝等；為滿足轉輪現場加工要求，對轉輪加工廠主要設備設置、現有站用電設備參數、估算配套設備工程的用電負荷，設計一套接線靈活、供電可靠的加工廠供電系統，本文參照NB/T 35044-2014《水力發電廠廠用電設計規程》[1]和《電力工程電氣設計手冊》[2]對轉輪加工廠廠用電系統進行設計。

1 廠用電源數量及設置

對照設計規程，本次設計的轉輪加工廠廠用電屬于規程描述中的廠用電Ⅲ類負荷，允許較長時間停電而不影響水電廠正常運行，電源數量設置考慮的主要因素是供電負荷和運行方式，為提高供電可靠性，選擇兩個獨立電源供電，兩個電源分別由不同的高壓廠用電母線段上引接，兩個電源可經自動裝置進行相互切換，互為備用，要求兩個電源間設置機械互鎖或電氣互鎖，可至少保證一個可靠電源供電。

2 廠用電電壓等級、接線設計

轉輪加工廠海拔高程為869 m，屬于設計規程描述中低于1 000 m 的常規地區，廠用電高壓電壓可選用10 kV，且電站原有6 段10 kV 母線，各段10 kV母線供電可靠，故設計將轉輪加工廠兩個獨立電源分別取自廠內10 kV 兩條母線。

加工廠配電室設高壓開關柜4 臺，2 進2 出，高壓母線采用單母線接線方式，設2 臺10/0.4 kV 干式變壓器，要求兩臺變壓器額定電壓、組別、接線、短路阻抗相同，兩臺變壓器可選擇獨立運行或并列運行，低壓側采用單母線接線方式，設置配電柜5 臺，2 進2 出，低壓側用電負荷采用放射式與樹干式相結合的配電方式，為平衡感性用電負載，提高功率因數，配置1 臺低壓電容補償柜，接線如圖1 所示。

圖1 主接線示意圖

供電方式為轉輪加工廠配電室電源由兩路10 kV 電纜引入，一路電源取自廠內10 kV 母線1 的饋線101 斷路器，通過電纜接入配電室103 斷路器，二路電源取自廠內10 kV 母線2 的饋線102 斷路器，通過電纜接入配電室104 斷路器；102 和104 斷路器互為備用，為防止兩路交流電源非同期并列，兩個斷路器間設有電氣互鎖和機械互鎖功能，此接線有如下優點：

（1）低壓側采用單母線接線方式，相比較于雙母線接線方式接線簡單，無需考慮下級負荷分布情況，不需要額外增加聯絡斷路器和備自投裝置，開關柜數量少，投資成本降低；

（2）兩臺變壓器高低壓側均連接同一條母線，當任一臺變壓器檢修或故障，均可進行可靠隔離，不影響系統供電，供電可靠性高；

（3）兩臺變壓器可根據實際用電負荷情況選擇一臺運行或兩臺同時運行，提高經濟性[3]。

3 主要電氣設備選擇

3.1 變壓器選擇

在進行電氣設備選擇前，對轉輪現場加工廠用電負荷進行統計，主要用電設備負荷統計見表1。

表1 主要用電設備負荷統計表

根據表1 計算得出設備用電計算負荷額定功率總和為1 649.7 kW，考慮上述設備的同時使用率最大約為60%，即綜合系數按0.6 計算，廠用電最大負荷為989.82 kVA。經復核，大朝山水電站現有廠用電變壓器的容量無法滿足上述設備用電負荷的需求，考慮到每臺變壓器需留有20%裕量，故設計增設2 臺容量為1 250 kVA 的干式變壓器及配套所需的電纜、電氣設備，第二臺變壓器可作為重負荷時使用，變壓器型號選用SCB12-1250/10，10±2×2.5%/0.4 kV，Ud=6%，D,yn11，滿足參數為：絕緣等級F 級，空載損耗≤1.670，負載損耗≤9.690，空載電流≤0.8%，噪音≤65 dB，GFDD 風冷系統，配低噪聲軸流風扇，溫顯溫控。

3.2 電力電纜短路電流計算及選型

經現場實際踏勘，轉輪廠房配電室一路電源利用廠內10 kV 母線1 饋線開關柜101 至室外隔離開關之間已敷設的電力電纜，在室外隔離開關處新建1 臺電纜分支箱，電纜經分支箱出線引至轉輪廠房配電室，電源路徑長312 m；第二路電源由電廠尾水架空線起點處T 接，在室外隔離開關處新建1 臺電纜分支箱，電纜經分支箱出線引至轉輪廠房配電室，電源路徑長40 m。為合理選取電纜直徑，繪制電纜接線示意圖，見圖2，對計劃選用的ZAYJV22-8.7/15 kV-3×120 型號電纜截面積進行短路熱穩定性復核計算[3]。

圖2 電纜接線示意圖

（1）計算短路電路的阻抗。取基準容量Sj=100 MVA，各元件有效電阻較小，不予考慮，當地電網的電抗：

選 取0.35 km ZA-YJV22-8.7/15 kV-3×120 電纜的電抗為：

(2）計算由當地電網供給K1、K2 點短路電流。基準容量Sj＝100 MVA，基準電流為：

由計算可得出其10 kV 側最大短路電流值為IK1=16.6 kA，再進行電纜短路熱穩定校核：

S：電纜熱穩定要求最小截面（單位：mm2）

Qi：短路熱效應

C：熱穩定系數，C取137

I：10 kV 側最大短路電流值，I1=16.6 kA，I2=16.2 kAt=0.65 s

最小允許截面S1=97.7 mm2；S2=95.3 mm2

因為ZA-YJV22-8.7/15 kV-3×120 型號電纜截面積120>97.7，再考慮到以后負荷存在增長的情況，所以選取截面積為120 mm2電纜能滿足安全穩定要求。

3.3 開關柜選擇

高壓開關柜選擇戶內交流鎧裝中置移開式金屬封閉開關柜（KYN28A-12），具備五防閉鎖功能，柜頂設有壓力釋放板，柜內隔離活門、靜觸頭盒固定板采用金屬材質并可靠接地，柜內配用西門子3AE8-12630A-25 kA 型高壓真空斷路器，操作機構采用電動機儲能方式，當失去電源時，可選擇手動儲能，同時斷路器具有機械本體手動合分閘裝置，可以在失去控制電源時操作斷路器。

低壓開關柜選擇金屬封閉抽屜式開關柜，型號為SIVACON8PT，框架的全部結構件都經過鍍鋅處理，每個盤柜與主母線間，各盤柜之間設置有隔板，可保證任何一個分支回路故障，在不停運行母線情況下進行檢維修；柜內配有西門子3WL2N2500ETU45B/GD/3P 型斷路器，斷路器配裝有脫扣器，具有三段式電流保護、接地保護，各保護可靈活采用定時限、反時限設定，延時可整定。

4 保護方式的選擇及整定計算

本次整定計算是從整個設計接線系統出發，僅計算配電系統高壓設備部分，因低壓側部分負荷具體情況還未正式確定，計算出的數值可能不完全適用于實際運行，故0.4 kV 配電裝置繼電保護計算不在本次計算范圍內。對于新增的兩臺10 kV 配電變壓器，保護方式及整定原則根據變壓器額定容量進行選擇，兩臺變壓器型號均為SCB12-1250/10，10±2×2.5%/0.4 kV，Ud=6%，D,yn11，參照設計規程，單臺變壓器容量小于10 MVA，兩臺并聯運行容量小于6.3 MVA，可不設置電流差動保護[2]，故轉輪加工廠配電變壓器不設置電流差動保護，考慮對變壓器設置電流速斷、過電流、過負荷、非電量保護。現以1 號變壓器（對應105 斷路器）為例進行定值整定計算。

4.1 電流速斷保護定值整定

整定計算1：按1 號變壓器低壓側三相短路流過高壓側的短路電流整定[5]：

1 號主變短路阻抗折算至基準阻抗：

容量基準值取100 MVA，可計算最大短路電流為：

I速斷=K1×Idmax=1.3×1 203=1 564 A

電流速斷保護可靠系數K1取1.3。

整定計算2：按躲過單臺變壓器最大勵磁涌流整定[6]：

對于環氧澆注干式變壓器的合閘涌流倍數為58，K2取最大值8 進行計算。

綜合對比，為提高保護靈敏性選取計算較小值作為速斷保護定值，105CT 變比為100/5，換算至二次電流值為28.84 A。

靈敏度校驗：經計算由101 斷路器供電時高壓側最小短路電流為7 658 A

故電流速斷保護定值為28.84 A，延時0 s。

4.2 過電流保護定值整定

整定計算1：按躲過所帶負荷需要自啟動的電動機最大啟動電流之和整定

可靠系數Krel取1.2，自啟動的全部電動機在自啟動時的過電流倍數Kzq取3。

整定計算2：按躲過額定電流下可靠返回條件整定

可靠系數Krel取1.05，返回系數Kr取0.9，105CT變比為100/5，故換算至二次電流值為4.21 A，延時設定1.5 s。

按躲過電機自啟動電流計算是為備自投裝置動作時所帶自啟動電機的群啟問題考慮，但根據轉輪加工廠實際情況不使用備自投功能，且計算值較大，故過電流保護按躲過額定電流下可靠返回條件整定，過電流保護定值選為4.21 A，延時設定1.5 s。

4.3 過負荷保護定值整定

過負荷保護按主要設備最大負荷進行計算

最大負荷時兩臺變壓器同時運行，過負荷倍數K4取1.4，105CT 變比為100/5，換算至二次電流值為2 A，延時設定5 s,發報警信號。

綜上所述，得出1 號變壓器（105 斷路器）的繼電保護定值整定見表2。

表2 105 斷路器繼電保護定值單

5 結語

大朝山轉輪加工廠設計的總結：

（1）高壓側、低壓側均采用單母線接線方式，兩臺干式變壓器并列運行的設計，雙電源供電，接線清晰，統籌兼顧供電可靠性與運行靈活性，可有效降低損耗，提高運行經濟性，設備數量少，節省建設成本。

（2）配電室一路電源，電源路徑長312 m，電纜起始高程951.51 m，電纜終點高程869 m，電纜沿山體進行折線敷設，采用橋架敷設方式和穿碳素波紋管直埋敷設方式，電纜路徑3 次經過行車道，3 次穿越行車道均采用新建1 層2 列CPVCΦ160 行車排管，然后再采用直埋敷設方式，并做局部加固，在折線處套金屬軟管，以滿足電纜轉彎半徑要求，經過對比發現橋架明敷具有減少土建成本和降低對其余設備干擾的明顯優勢。

（3）兩路電源均引自電站原有高壓母線，使用高壓母線上的饋線斷路器、部分已有的電力電纜和電纜井，有效降低了建設成本。

大朝山轉輪加工廠廠用電源的數量設置、接線方式、主要電氣設備選擇滿足設計規范要求，現配電室已正式投入使用，使用結果證明加工廠廠用電系統接線設計簡單、清晰，運行方式靈活可靠，設備選型、繼電保護定值整定合理，能滿足加工廠的各種工況運行需要，為轉輪加工生產提供了有力保障。