孤山航電樞紐工程電氣設備選型及布置研究

洪瑋 鄭坤 胡勇 楊杰

摘要：孤山航電樞紐工程用電設備數(shù)量多，種類復雜，供電距離長，可靠性要求高。為滿足各用電設備的供電需求，結(jié)合孤山航電樞紐工程實際情況，對電氣主接線、主要電氣設備選擇、主變壓器及220 kV GIS開關站布置等進行了深入分析與研究，提出了合理的技術(shù)方案。結(jié)果表明：將220 kV變壓器和220 kV GIS開關站布置在同一層，使水電站副廠房的高度降低了10 m。該方案合理、有效地利用了水電站副廠房的空間，既節(jié)約了土建工程量，又解決了220 kV配電裝置的布置以及架空線路出線問題。同時，孤山航電樞紐工程所有設備技術(shù)參數(shù)均完全滿足運行要求。研究成果可為其他同等規(guī)模電站提供參考。

關鍵詞：電氣設備； 變壓器； 水電站廠房； 孤山航電樞紐工程

中圖法分類號：TM62

文獻標志碼：A

DOI：10.15974/j.cnki.slsdkb.2023.06.005

文章編號：1006-0081（2023）06-0028-04

0 引 言

電氣設計是航電樞紐（水電站）設計的重要組成部分，是工程建設的關鍵環(huán)節(jié)，對水電站的投資、建設和運行起著決定性的作用＼[1-2＼]。漢江孤山航電樞紐工程位于漢江上游干流湖北省十堰市及境內(nèi)，是一座以發(fā)電為主，兼顧航運的綜合利用工程。水電站裝機容量為180 MW（4×45 MW），多年平均發(fā)電量5.80億kW·h。同等規(guī)模的皂市水電站（2×60 MW），將220 kV主變壓器、GIS配電裝置和220 kV出線設備分3層（上、中、下）布置在上游副廠房。西藏GD水電站裝機容量160 MW（4×40 MW），開關站緊臨大壩布置，5臺變壓器布置于開關站和主廠房之間平臺＼[3-4＼]。本文主要研究漢江孤山航電樞紐工程電氣設備的選擇與布置，通過對比同等規(guī)模電站，選擇最優(yōu)方案，解決出線和設備布置空間利用問題。

1 電氣主接線

孤山航電樞紐工程水電站裝有4臺水輪機組，單機容量45 MW，發(fā)電機和變壓器組的接線方式考慮了擴大單元接線，4臺發(fā)電機連接成兩段母線，每段母線接2臺發(fā)電機和1臺主變壓器，共設置2臺主變壓器，每臺主變壓器容量為100 MVA。每臺主變壓器高壓側(cè)對應接1回220 kV進線，共2回。發(fā)電機和變壓器之間裝設斷路器，接線簡單、清晰，繼電保護簡單，維護方便，不受設備運輸限制。1臺主變壓器故障或檢修最多只影響兩臺發(fā)電機組電能的送出，具有可靠性與靈活性相對較高的特點。本文提出的布置方案中，主變壓器只需2臺，電氣設備投資及年運行費用、維護工作量等均較小，且220 kV主變壓器進線回路數(shù)2回，便于220 kV高壓電氣設備的布置。電站220 kV側(cè)電氣接線選擇單母線接線方案，接線簡單、清晰，進線回路相對獨立，互不影響，供電可靠性較高。母線及連接設備故障、檢修及出線斷路器開斷、故障會造成全廠停電，但由于母線短且220 kV配電裝置采用GIS，運行可靠性高、故障概率小，排除故障時間較短；同時水庫具有日調(diào)節(jié)能力；綜合來看，發(fā)生故障后損失電能較小。

2 電站廠用電、大壩用電及船閘用電

孤山航電樞紐工程廠用電、大壩及船閘用電10.5 kV的Ⅰ段母線、Ⅱ段母線通過2臺隔離變壓器與電站10.5 kV發(fā)電機電壓母線相連接，采用單母線接線方式，Ⅰ段母線、Ⅱ段母線間設置了母聯(lián)斷路器。從施工變電所引接的1回備供電源接在10.5 kV的Ⅱ段母線上，所有電源之間均設置有備用電源自動投入裝置，以保證運行段母線在任何時候為1個電源供電。

2.1 電站廠用電

孤山航電樞紐工程電站廠用電0.4 kV接線采用單母線分兩段接線方式，母線間設置了母聯(lián)斷路器。廠用變壓器的型號、規(guī)格擬定為SC（B）10-2000/10的干式變壓器，接線組別采用D，yn11，阻抗電壓百分數(shù)為6%，臺數(shù)為2臺。2臺廠用變壓器的高壓側(cè)進線電源分別引接自電站、大壩及船閘用電10.5 kV的Ⅰ段母線和Ⅱ段母線。每臺廠用變壓器獨立工作，能帶100％廠用電負荷，供電可靠性高且經(jīng)濟。

2.2 大壩泄水閘用電

孤山航電樞紐工程大壩泄水閘用電0.4 kV接線采用單母線分兩段接線方式，母線間設置了母聯(lián)斷路器。根據(jù)泄水閘液壓啟閉機設備的容量、布置及其運行方式，經(jīng)初步計算，泄水閘需設置2臺干式變壓器，泄水閘用電變壓器的型號、規(guī)格擬定為SC（B）10-2000/10，接線組別采用D，yn11，阻抗電壓百分數(shù)為6%。2臺泄水閘用電變壓器的高壓側(cè)進線電源分別引接自電站、大壩及船閘用電10.5 kV的Ⅰ段母線和Ⅱ段母線。2臺干式變壓器的工作方式為1用1備，按帶100%負荷考慮。為保證大壩的泄洪安全，設置1臺800 kW柴油發(fā)電機組作為大壩應急電源，接入大壩泄水閘變電所0.4 kV的Ⅱ段母線上。

2.3 船閘用電

孤山航電樞紐工程船閘動力負荷主要為船閘液壓啟閉機油泵電機及船閘檢修負荷;照明負荷主要為船閘閘首、閘室及引航道照明負荷。根據(jù)JTJ 310-2004《船閘電氣設計規(guī)范》，船閘用電負荷為二級負荷，綜合考慮用電負荷容量、負荷特點和供電條件，船閘用電0.4 kV接線采用單母線分兩段接線方式，母線間設置了母聯(lián)斷路器。船閘設置2臺干式變壓器，船閘用電變壓器的型號、規(guī)格為SC（B）10-800/10的干式變壓器，接線組別采用D，yn11，阻抗電壓百分數(shù)為4%。2臺船閘用電變壓器的高壓側(cè)進線電源分別引接自電站、大壩及船閘用電10.5 kV的Ⅰ段母線和Ⅱ段母線。兩臺干式變壓器的工作方式為1用1備，按帶100%負荷考慮。

2.4 柴油發(fā)電機供電

根據(jù)SL-485-2010《水利水電工程廠（站）用電系統(tǒng)設計規(guī)范》第3.1.6條，“對特別重要的大型水利發(fā)電廠、電站、泄洪設施等，如有可能失去廠（站）用電電源，影響大壩安全度汛或可能淹沒廠房而危及人身設備安全時，應設置能快速啟動的柴油發(fā)電機組或其他應急電源，其容量應滿足泄洪設施、滲漏排水等可能出現(xiàn)的最大負荷的需要”，為了保證樞紐泄水閘的安全運行、提高供電可靠性，本文提出了在孤山航電樞紐工程大壩泄水閘的供電點設置1臺800 kW的柴油發(fā)電機組作為保安電源。

3 主要電氣設備選擇

3.1 主變壓器

孤山航電樞紐工程主變壓器選用三相、雙卷、銅芯、強迫油循環(huán)風冷升壓變壓器，臺數(shù)為2臺，額定容量為100 MVA，額定電壓高壓側(cè)為（230±2×2.5%）kV，低壓側(cè)為10.5 kV，阻抗電壓≥13.5%，聯(lián)接組別為YN，d11。變壓器鐵芯采用無時效、晶粒取向、高磁導率、低損耗的冷軋硅鋼片疊裝組成。繞組的材料應為高電導率的銅導體，為減小集膚效應，低壓繞組應采用換位導線。變壓器高壓側(cè)通過油/SF6套管與220 kV GIS相連，低壓側(cè)通過空氣套管與銅管絕緣母線相連。

3.2 發(fā)電機主引出線

孤山航電樞紐工程單機容量45 MW，功率因數(shù)0.90，發(fā)電機回路出線額定電壓10.5 kV，單臺發(fā)電機額定電流為2 749 A，擴大單元至主變壓器回路額定電流為5 498 A，發(fā)電機至發(fā)電機電壓開關柜引出線回路、發(fā)電機電壓開關柜至主變壓器引出線回路，均采用管型絕緣母線。發(fā)電機主引出線額定電壓為10.5 kV，最高運行電壓12 kV，額定電流為3 150/6 300 A，額定短時耐受電流（有效值）為50 kA，額定峰值耐受電流為125 kA，冷卻方式采用自冷。

3.3 發(fā)電機斷路器

發(fā)電機斷路器為戶內(nèi)型、金屬封閉、真空滅弧、自冷、三相機械聯(lián)動操作＼[5-7＼]。結(jié)合孤山航電樞紐工程電站的特點，發(fā)電機斷路器系統(tǒng)標稱電壓為10.5 kV，額定電流3 150 A，額定頻率50 Hz。

3.4 220 kV GIS

220 kV GIS主母線為金屬封閉三相共箱母線，進出線分支回路為單相母線，外殼為鋁合金＼[8-9＼]。布置方式以斷路器的布置形式分垂直豎式和水平臥式。水平臥式的斷路器高度較低，GIS室的高度可降低，操作動荷載也較小，但檢修時需抽芯，GIS室的寬度較大。垂直豎式的斷路器要求GIS室的高度較高，操作動荷載較大，GIS室寬度較小。為了充分發(fā)揮設備制造廠商的技術(shù)優(yōu)勢，以上兩種布置型式均可適用。220 kV GIS母線除了引至廠房頂出線套管的少部分母線為戶外型之外，其他均為戶內(nèi)型。220 kV GIS隔室劃分原則上以安裝單元為單位。母線、斷路器、隔離開關、電壓互感器、避雷器均采用單獨隔室。220 kV GIS外殼采用多點接地方式。

4 主要電氣設備布置

孤山航電樞紐工程電站廠房位于河道右岸、河床最低處，左側(cè)接泄水閘壩段，右側(cè)為魚道建筑物及岸邊非溢流壩段，電站為低水頭河床徑流式電站。主廠房機組段長度83.8 m、安裝場長度36.0 m，主廠房機組段和安裝場寬度均為23.3 m。副廠房共布置有5層，自下而上分別為水泵層、單元控制層、電纜層、配電裝置層、母線層。尾水平臺高程為186.00 m，主廠房屋頂高程為192.50 m。對比同等規(guī)模的水電站，220 kV配電裝置大多布置在變壓器層的上層，出線設備布置在配電裝置的上層，總共2層布置，總高度較高，如皂市水電站等。孤山航電樞紐廠房電氣設備布置見圖1。

孤山航電樞紐工程主變壓器與220 kV GIS開關站均布置在186.00 m高程尾水平臺，通過下層母線連接。主變壓器布置在電站2號、3號機組段區(qū)域的尾水平臺，采用敞開式布置，通風、散熱條件比較好，因此，變壓器冷卻方式采用強迫油循環(huán)風冷卻方式。根據(jù)GB 50229-2006《火力發(fā)電廠與變電所防火規(guī)范》第6.6.2條規(guī)定，由于2臺主變壓器的布置間距大于10 m，因此2臺主變壓器之間不需設置防火墻。220 kV開關站（GIS室）占地面積為24.0 m×13.3 m（長SymboltB@寬），下游側(cè)為巡視人行通道和尾水門機軌道。220 kV配電裝置（GIS）和兩臺主變壓器布置在一列，220 kV配電裝置（GIS）布置在2臺主變壓器右側(cè)，位于電站廠房的安裝場段，主變壓器高壓側(cè)為油/SF6套管，220 kVSF6管道母線通過母線裝置室與220 kV配電裝置（GIS）連接。

220 kV配電裝置（GIS）布置方案較好地解決了孤山航電樞紐工程電站主廠房和副廠房高度差別大、視覺效果差的問題。由于電站水輪發(fā)電機組為貫流式機組，裝機高程為146.50 m，主廠房屋頂高程為192.50 m，尾水平臺高程為186.00 m，因此尾水平臺上部高程的副廠房高度不宜過高。220 kV配電裝置（GIS）與主變壓器均布置在186.00 m高程，使得電站副廠房的高度降低了約10 m。另將180.60 m高程的副廠房布置220 kV鋁管母線，合理、有效地利用了電站副廠房的空間，既節(jié)約了土建工程量，又解決了220 kV配電裝置的布置問題，使電站廠房的總體布置更加合理。220 kV配電裝置（GIS）布置在尾水平臺的安裝場段，避免了尾水門機對電站220 kV出線的干擾。

5 結(jié) 論

本文根據(jù)孤山航電樞紐工程特點，有針對性地設計了一套可靠性高，且經(jīng)濟合理的電氣主接線系統(tǒng)，所有設備技術(shù)參數(shù)的選擇均完全滿足運行要求。布置方案較好地解決了電站主廠房和副廠房高度差別大、視覺效果差的問題。副廠房布置母線層，合理、有效地利用了電站副廠房的空間，既節(jié)約了土建工程量，又解決了220 kV配電裝置的布置以及架空線路出線問題，使得電站廠房的總體布置更加合理。

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（編輯：江 文）

Study on selection and layout of electrical equipment for

Gushan Navigation and Hydropower Project

HONG Wei，ZHENG Kun，HU Yong，YANG Jie

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

Abstract：

Gushan Navigation and Hydropower Project has many power loads，complex load types，long power supply distance and high reliability requirements.Combined with the actual situation of Gushan Navigation and Hydropower Project，this paper discussed the main electrical wiring，the selection of main electrical equipment，the layout of main transformer and 220 kV GIS switchyard，and put forward a reasonable technical scheme.Through deep comparison and selection of layout plan，220 kV transformer and 220 kV distribution equipment （GIS） were arranged on the same floor，which reduced the height of auxiliary powerhouse by 10 m.The space of the auxiliary power house is reasonably and effectively used，which not only saves the amount of civil works，but also solves the layout of 220 kV power distribution equipment and overhead line outgoing problems.The technical parameters of all equipment fully meet the operation requirements and provide reference for power stations of the same scale in the future．

Key words：

electrical equipment； transformer； hydropower plant； Gushan Navigation and Hydropower Project