碾盤山水電站廠用電系統設計

劉偉 黃戡 陶鋒

摘要：

為提高碾盤山水電站的廠用電供電系統可靠性，針對樞紐工程貫流機組自用電負荷大，供電可靠性要求高等特點，分析廠用電系統設計原則，計算廠用電最大負荷，總結出碾盤山水電站廠用電系統接線與運行方式：以10 kV和0.4 kV兩級電壓供電，采用機組自用電和全廠公用電混合的供電形式，廠用電母線采用0.4 kV分段環形接線，母線之間基于PLC實現備自投功能。實踐證明，碾盤山電站的廠用電系統設計合理可行并安全可靠。

關鍵詞：

廠用電系統； 供電可靠性； 分段環形接線； PLC； 備自投功能； 碾盤山水電站

中圖法分類號：TV734

文獻標志碼：A

DOI：10.15974/j.cnki.slsdkb.2023.03.011

文章編號：1006-0081（2023）03-0063-03

0 引 言

碾盤山水利水電樞紐工程位于漢江中下游湖北省鐘祥市境內，是漢江流域綜合開發治理工程之一，除發電外兼具航運、泄洪、灌溉、供水等功能。該工程為Ⅱ等大（2）型工程，電站廠房內安裝6臺單機額定容量30 MW的燈泡貫流式水輪發電機組。燈泡貫流式電站廠用電系統用電負荷較為分散，機組自用電負荷大，對供電可靠性要求高，因此其廠用電系統比一般水電站復雜。針對碾盤山水電站廠用電系統工作特點，參考同類電站的設計經驗，選定10 kV和0.4 kV兩級電壓、機組自用電和全廠公用電混合的供電方式。

本文以碾盤山水電站的廠用電系統設計為切入點，為提高其供電可靠性，討論了電站廠用電系統不同的接線形式及實現方式。目前，水電站廠用電接線形式多以單母線或單母線分段接線為主，廠用電源切換采用常規的備自投裝置為主［1-3］。廠用電系統設計中，低壓廠用電母線采用分段環形接線形式，并通過PLC實現電源間的備自投功能，有效提高了廠用電系統的供電可靠性。

1 廠用電系統設計原則

碾盤山水利水電樞紐從左至右依次布置為左岸連接土壩、24孔開敞式平底泄水閘、河床式燈泡貫流廠房、連接混凝土重力壩（含魚道）及船閘等，軸線總長1 200.0 m，電站廠用電系統具有用電負荷分散、供電范圍廣，供電距離遠等特點。廠用電系統設計遵循以下兩個原則：① 系統采用兩級電壓供電來保證電能質量，高壓廠用電電壓采用10 kV，低壓廠用電電壓采用0.4 kV。② 為確保全部機組可同時運行或單個機組運行，必須保證同時有不少于2個的獨立廠用電電源。當全部機組停止運行時，必須保證至少有1個獨立電源。

2 廠用電接線設計

2.1 廠用電電源

電站發電機-變壓器組接線方式采用兩機一變的擴大單元接線，全廠共3組擴大單元，從每個擴大單元發電機電壓母線引接一廠用電工作電源。根據NB/T 35044-2014《水力發電廠廠用電設計規程》，當擴大單元組數量在2～3組時，至少從2組擴大單元引接。為提高廠用電系統供電可靠性，選用靈活的匹配機組運行方式，從3組擴大單元發電機電壓母線各引接1回廠用電工作電源，3回廠用電工作電源之間互為備用。由樞紐附近的110 kV文集變電站引接1回10 kV線路至廠用電10 kV母線，作為電站廠用電系統的備用電源。全廠停機時，系統可以倒送電以保證供電。同時，另設一臺柴油發電機組作為廠用電保安電源。

2.2 廠用電接線方式

10 kV高壓廠用電系統分為3段母線，采用單母線分段接線。工作電源分別從3個擴大單元的10.5 kV隔離變壓器引接，母線編號為1LM，2LM與3LM，備用電源從文集變電站10 kV母線接入10 kV廠用電母線2LM。三段母線之間設母聯斷路器并采用PLC實現“四進三出”備用電源自動投入功能。系統正常運行時，各母線分段運行；任意母線失電時，由其他母線自動投入供電。備用電源自動投入裝置要求出口邏輯設定靈活，避免任一母線上的兩個斷路器同時合閘沖擊同一段母線。

廠用電接線0.4 kV進線4回，0.4 kV廠用電母線分Ⅰ，Ⅱ，Ⅲ段，分別從廠用電的10 kV母線1 LM，2 LM與3 LM上的10 kV廠用變壓器引接，柴油發電機出線接至廠用電0.4 kV的Ⅱ段母線。三段母線采用分段環形接線，各段母線之間設母聯斷路器，并設置備用電源自動投入裝置。各段母線分段運行，母線上的負荷均勻分配。根據廠用電負荷性質和分布地點，采用輻射式供電。廠用電系統接線如圖1所示。

碾盤山水電站低壓廠用電系統采用分段環形的接線方式。分段環形接線是一種較普通輻射式供電更為可靠的接線形式，在城市電網中廣泛應用，能夠一定程度上確保供電可靠性［4］。其劣勢在于，與常規接線方式比較，增加了設備投資，備自投裝置動作邏輯復雜。

水電站低壓廠的分段環形接線，分別從三段發電機出口電壓母線，引接三路工作電源，當某一段或二段發電機出口電壓母線停電檢修或電源回路設備突發故障時，對整個低壓廠用電系統不會產生較大影響。當發生停電事故，只需合閘與帶電母線間的母線分段開關即可恢復供電。若采用常規單母線分段接線，當中間母線即Ⅱ段母線故障時，Ⅰ段和Ⅲ段母線有可能因本段母線電源發電機停機而失電，且較分段環形接線，設備投資只減少了1臺分段聯絡柜及若干連接導體約15萬元。本工程中應優先考慮供電可靠性，且采用分段環形接線增加投資不明顯，采用該方案是適宜的。

3 廠用電設備選擇

3.1 廠用電最大負荷計算

樞紐供電范圍包括壩區、泄水閘、電站廠房以及船閘。電站廠用電負荷包括機組自用電和公用電（含檢修用電）。在全部機組正常運行和1臺機組檢修、其余機組正常運行的兩種工況下，各用電部位計算負荷采用綜合系數法計算［5］，統計負荷情況如表1所示。

根據負荷統計結果，廠用電最大負荷出現在1臺機組檢修，其余機組正常運行時，經計算額定功率總和為2 549 kW，取綜合系數為0.79，則廠用電最大負荷為Sjg=0.79×2 549=2 013.7 kW。選用廠用變壓器3臺，每臺的額定容量不低于廠用電最大負荷的60%，并考慮1.3倍的過負荷，可選用1 600 kW。廠用變壓器為正常供電電源，當全廠停機，該組變壓器停運時，可投入備用電源或系統倒送電承擔廠用電負荷。

3.2 廠用變壓器型式及布置

為滿足樞紐布置、防火及節能要求，廠用變壓器選用SCBH15型非晶合金干式變壓器。非晶合金干式變壓器和常規的硅鋼片變壓器相比，空載損耗降低 70%～80%，空載電流降低40%～50%［6］。根據廠用電負荷計算容量，3臺廠用變壓器可選擇型號為SCBH15-1600/10.5±2×5%/0.4 kV。

廠用電負荷主要集中在高程41.7 m水泵層、47.7 m運行層和53.8 m運行層，因此廠用電配電設備主要布置在高程47.7 m運行層的電氣副廠房內。為方便運行管理，同時方便廠用變壓器與低壓柜的連接，3臺廠用變壓器均布置在廠房低壓配電室內，與廠用0.4 kV低壓柜并排放置。變壓器本體加固外殼，10 kV與0.4 kV側引出線分別與高、低壓柜連接，其中高壓側采用電纜連接，低壓側采用銅排與低壓柜側面連接。低壓柜采用抽屜式開關柜，分兩列對向布置，0.4 kV的Ⅰ段母線同列布置，Ⅱ段與Ⅲ段母線單獨一列布置，Ⅰ段與Ⅱ段和Ⅲ段母線間通過低壓母線槽連接形成環網。

4 廠用電運行方式

碾盤山水電站0.4 kV廠用電系統包含3個正常工作電源，1個交流保安電源，共有4個電源進線開關以及3個母線分段開關，并通過1臺PLC實現備自投功能。

傳統的備用電源自動投入裝置采用各種繼電器、接觸器、開關等設備，根據不同的運行方式構成備自投回路，設備體積大、接線復雜、可靠性差。近年來廣泛采用微機型備用電源自動投入裝置，其特點是擁有完善的故障邏輯判斷和可靠的故障響應，但基本用于典型的分段自投或進線自投裝置。傳統的備用電源自動投入裝置和微機型備用電源自動投入裝置很難滿足碾盤山水電站廠用電系統的安全可靠運行要求。基于 PLC 實現的備用電源自動投入裝置與常規備自投裝置相比，不僅動作邏輯實現起來更加簡單，還可隨時通過修改程序實現邏輯變換，設備投資少，是一種性價比較高的廠用電備自投實現方法［7-8］。

碾盤山水電站0.4 kV廠用電系統備自投方案見表2，其運行邏輯關系如下。

（1） 正常工作時，3臺廠用變壓器為主供電源，3段母線獨立運行，所有分段斷路器、保安電源均斷開。

（2） 當檢測到本段母線廠用變壓器失電時，斷開本段母線廠用變壓器低壓側斷路器，合上與第一備用電源母線間的分段斷路器。

（3） 當檢測到本段母線廠用變壓器、第一備用電源母線廠用變壓器均失電時，斷開本段母線廠用變壓器低壓側斷路器，斷開與第一備用電源母線間的分段斷路器，合上與第二備用電源母線間的分段斷路器。

（4） 當檢測到本段母線廠用變壓器、第一備用電源母線廠用變壓器、第二備用電源母線廠用變壓器均失電時，退出母線備自投功能，運行人員可根據當時實際情況選擇是否投入柴油發電機［8］。

5 結 語

碾盤山水利水電樞紐對漢江干流梯級開發有著重要作用，廠用電系統的供電可靠性直接關系到整個樞紐的效益以及泄洪、航運設施的安全運行，廠用電系統的設計在滿足相關規程規范前提下，供電的安全性與可靠性應放在首位。本文對碾盤山水電站的廠用電系統設計方案進行總結，分析了分段環形接線形式以及PLC備自投裝置應用在廠用電系統中的優劣性和可行性，實踐證明碾盤山電站的廠用電系統設計合理可行并安全可靠，可供類似工程借鑒。

參考文獻：

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［7］ 安振，楊杰.應用PLC實現的水電站廠用電備自投功能［C］∥2021年年會暨全國水電廠智能化應用學術交流會論文集.北京：中國水力發電工程學會自動化專委會，2021.

［8］ 趙亮，曹春巖.烏東德水電站廠用電系統設計介紹［J］.水電與新能源，2018，10（32）：26-28，78.

（編輯：唐湘茜）

Design of auxiliary power system for Nianpanshan Hydropower Station

LIU Wei1，HUANG Kan1，TAO Feng2

（1.Hubei Institute of Water Resources Survey and Design，Wuhan 430070，China； 2.Water Resources Allocation Engineering Construction and Management Bureau of Northern Hubei Province，Wuhan 430062，China）Abstract：

In order to improve the reliability of auxiliary power supply system of Nianpanshan Hydropower station，the design principle of auxiliary power system was analyzed and the maximum load of auxiliary power was calculated according to the characteristics of large self-power load and high demand for power supply reliability of tubular units in key project，the connection and operation mode of auxiliary power system of Nianpanshan Hydropower Station was summarized，which is supplied with 10kV and 0.4 kV voltage，and the power supply mode was mixed with the self-use power of the unit and the public power of the whole power plant，the auxiliary power bus adopts 0.4 kV segment ring connection，and the auxiliary automatic switch function was realized between the buses based on PLC.The practice proved that the auxiliary power system design of Nianpanshan Hydropower Station was reasonable，feasible，safe and reliable.

Key words：

auxiliary power system； power supply reliability； segment ring connection；PLC； automatic switch function； Nianpanshan Hydropower Station

收稿日期：

2022-04-21

作者簡介：

劉 偉，男，高級工程師，主要從事水利水電工程電氣設計工作。E-mail：adamzorro@163.com