考慮供電可靠性的水電站廠用電高壓回路開關柜選型研究

周百鳴

（中國電建集團成都勘測設計研究院有限公司，四川 成都 610072）

0 引 言

在電力系統中，高壓回路開關柜裝置占據著重要地位，高壓回路開關柜完好與否，對于供電系統的安全、穩定運行有著直接影響[1]。在水電站運行過程中，高壓回路開關柜尤為重要，為了保證水電站供電的可靠性，以及水電站的用電安全，提高供電效率，對高壓回路開關柜進行合理配置成為了至關重要的環節，也是保證變壓器等設備滿足實際運行需求的關鍵[2]。作為影響電力系統穩定運行的重要因素之一，高壓回路開關柜選型的要求較為嚴格，既要滿足用電環境的用電需求，又要實現節約能源的效果[3,4]。在社會經濟高速發展的背景下，大幅提升的社會生產能力帶來的最直接的影響就是所需電力資源大幅增加，又由于煤炭資源整體表現出了相對匱乏的情況，供需不平衡現象成為了電力系統必須解決的問題[5]。針對此，通過選擇合適的高壓回路開關柜裝置降低電力損耗成為了節約用電的關鍵途徑之一，也是提升設備工作效率的重要基礎[6]。

針對此，本文提出考慮供電可靠性的水電站廠用電高壓回路開關柜選型研究，在對高壓回路開關柜進行選型設計的過程中，充分考慮了設備的基礎運行情況，按照符合國家相關標準要求，從技術性、適用性、運行可靠性、維修方便性以及節能性多個方面實現對回路開關柜的選型，在極大程度上滿足水電站高壓回路開關柜的實際用電需求。

1 水電站廠用電高壓回路開關柜選型設計

1.1 基于供電流量需求的母線選型

供電流量需求在回路開關柜母線中主要以導體載流量為表現形式，在微觀上體現母線可持續通過電流的能力[7]。本文進一步分析了載流量的本質，在回路開關柜運行的過程中，母線導體中有電流通過時，會產生一部分熱量，該熱量的主要轉移途徑分為2 種，其中一種是提升母線導體本身的溫度，以散失到母線周圍的環境介質中，熱量具體的分配是以動態的形式進行的，對應的分配標準是導體發熱達到穩態狀態[8]。針對此，本文結合開關柜內母線的散熱方式，從輻射及對流2個角度分析了影響導體載流量的因素構成[9]。在導體材料確定的前提下，導體允許溫度及導體周圍環境溫度是主要決定導體載流量大小的因素。在此基礎上，結合水電站廠用電期間對應的高壓回路開關柜運行頻率一般在50 ～60 Hz，裸銅母線在矩形截面、水平走向、最大面垂直排列狀態下運行時，對應的工作電流和功率損耗之間的關系如表1 所示。

表1 裸銅母線運行參數關系

結合表1 中的數據信息可以看出，隨著裸銅母線規格（寬度×厚度）的不斷提升，其工作電流呈現出逐漸加大的發展趨勢。不僅如此，在一定程度上，裸銅母線的功率損耗并不與截面積之間存在直接關系。而且，通過調整裸銅母線的應用方式（單線母線或雙線母線），工作電流的提升幅度大于功率損耗的提升幅度。

但是需要特別注意的是，上述參數成立的基礎是回路開關柜內環境溫度低于導體工作電流值額定溫度。而在實際的工作環境中，回路開關柜內的溫度和空氣溫度是不穩定的。針對此，本文在上述基礎上引入了工作電流修正系數，確定了在不同溫度工況下裸銅母線的實際工作電流參數。具體的修正系數如表2所示。

表2 不同溫度工況下裸銅母線工作電流修正系數

結合表2 中所示的裸銅母線工作電流修正系數，實際的裸銅母線工作電流值即為修正系數與表1 中對應裸銅母線運行電流參數的乘積。對于高壓回路開關柜而言，運行期間銅母線長期允許溫度需要控制在70 ℃以內，因此本文在選擇修正系數時以裸銅母線溫度為70 ℃列的數據為基礎進行選擇。其次就是對于高壓回路開關柜周圍空氣溫度的選擇，一般情況下，需要控制在40 ℃以內，但是由于溫度是動態的，且與客觀環境溫度是存在差異的，因此本文以實際水電站高壓回路開關柜的最高空氣溫度作為計算基準，以保障其在供電階段的可靠性。

按照這樣的方式，結合實際水電站的用電量需求，實現對母線的針對性選型，在確保對應的工作電流能夠滿足供電需求的前提下，最大限度降低功率損耗[10]。

1.2 一次元件設計選型

在回路開關柜進行選型設置時，考慮到電流的輸送是必須要兼顧的因素之一。針對此，本文結合1.1章節對于高壓開關柜內母線的選型，對一次電器元件類型展開了設計選型，并綜合考慮了應用要求。首先是對真空斷路器選擇。本文將VSG1-12 型戶內高壓真空斷路器作為最終的應用設備，VSG1-12 不僅可靠性較高，而且機械壽命也相對較長。在技術參數范圍內正常使用時，電網任意狀態下的操作需求均可得到滿足。表3 為其主要的技術參數。

表3 VSG1-12 型戶內高壓真空斷路器技術參數

按照《交流高壓斷路器》（GB 1984—2014）規定，高壓真空斷路器在不同溫度下需要應用不同的額定修正系數。可確定在不同溫度工況下，高壓真空斷路器的修正系數，如表4 所示。

表4 不同溫度工況下高壓真空斷路器修正系數

VSG1-12 主體部分設置階段，以APG 工藝澆注的環氧樹脂絕緣筒為載體，借助這種結構，可以使得外力沖擊、污穢環境等外部因素對于VSG1-12 的影響降到最低。VSG1-12 主體安裝在斷路器框架后部，與操動機構連接，形成一個整體。圖1 為其具體的構成情況。

圖1 VSG1-12 型戶內高壓真空斷路器主要結構

VSG1-12 在合閘位置時，主回路電流路徑中，電流的起點為上出線座經動觸頭，通過導電夾，軟連接，下支架，最后以下出線座為輸出終點。在從動機構上，操動機構為彈簧儲能操作機構，由一個或數個脫扣電磁鐵組成分閘單元件。合閘所需能量由合閘彈簧儲能提供。執行儲能操作時，可以分2 種模式進行，包括外部電源驅動電機執行以及使用儲能手柄手執行。在具體的運行階段，鏈輪傳動系統在電機輸出軸的帶動下，通過渦輪、蝸桿進行儲能。

2 應用測試

2.1 測試環境

在對本文提出的考慮供電可靠性的水電站廠用電高壓回路開關柜選型方式實際應用效果進行分析階段，以某實際的水電站廠用電情況為基礎，采用對比測試的方式分析了其供電效果。其中對照組為水電站原有的高壓回路開關柜配置以及文獻[7]提出的高壓回路開關柜選型方法。在此基礎上，對水電站廠用電情況的相關數據進行分析，其中日用電量峰值為9 060 kW，最低值為6 500 kW，用電峰值持續時間為3.0 h。在此基礎上，分別采用3 種方法開展回路開關柜選型，并測試對應的供電數據。

2.2 測試結果與分析

在上述基礎上，設12 kV 高壓開關柜的額定電流是1 000 A，安全系數為0.9，分別統計了不同回路開關柜作用下，水電站廠用電需求的供應情況，分別提取了單日用電需求與供電負荷差異的極值，并計算單日累計值。單日用電需求與供電負荷差異的累計值是每小時計算一次，然后將各個時間點的差值相加得到。在某一時間點（如整點）記錄下當前的用電需求和對應的供電負荷值。將當前的用電需求和供電負荷相減，得到當前時刻的差異值。將1 h 內所有記錄的差異值相加，得到單日用電需求與供電負荷差異的累計值。當新的一天開始時，將差異值累計值清零，重新開始記錄。得到的數據結果如表5 所示。

表5 單日用電需求與供電負荷差異統計表 （單位：kW）

結合表5 中的測試結果可以看出，在3 種不同回路開關柜的作用下，測試水電站對應的單日用電需求與供電負荷差異表現出了明顯的不同。其中，在水電站原始回路開關柜的作用下，出現供大于求的差異程度最大值達到了96.44 kW，供不應求的差異程度最大值達到了68.44 kW，均造成了不同程度的資源浪費和供電異常問題。在文獻[7]回路開關柜的作用下，雖然出現供大于求和供不應求的差異程度均出現了明顯下降，但單日累積仍處于較高水平。相比之下，在本文選取回路開關柜的測試結果中，出現供大于求和供不應求的差異程度最大值分別僅為55.30 kW 和12.39 kW，單日累積也明顯下降。測試結果表明，本文提出的考慮供電可靠性的水電站廠用電高壓回路開關柜選型研究具有良好的實際應用效果。

3 結 論

無論是從用電設備的安全角度考慮，還是從經濟性能角度考慮，結合高壓回路開關柜的運行環境以及負荷狀態，合理選擇符合標準的高壓回路開關柜型號都是極為必要的。在此基礎上，本文提出考慮供電可靠性的水電站廠用電高壓回路開關柜選型研究，綜合應用環境的客觀需求，分別從多個角度開展了對高壓回路開關柜的選型研究，有效提高了水電站廠對于電力資源的有效利用率，降低了電力方面的成本開銷，具有良好的實際應用價值。