水電站電氣一次設計方案的優化

楊 倩

(大唐雅安電力開發有限公司,四川 雅安 625500)

1 工程概況

隨著我國國民經濟的迅速發展,能源瓶頸問題已經成為當前制約經濟發展的重要問題。水力發電因具有環保、成本低廉、循環利用和綜合效益高等突出優點而得到了國家政策的大力扶持。因此,鍋浪蹺水電站應運而生。

鍋浪蹺水電站為混合式開發,壩址位于兩河口下游約700 m處,廠址位于下游約11 km處的傍海腔,與在建的腳基坪電站銜接。電站裝機3×70 MW,年發電量7.785 5億kW·h,年利用小時數3 707 h,水庫正常蓄水位1 280.00 m,總庫容1.84億m3,具有年調節能力。

2 系統接入方式

根據相關批復文件,鍋浪蹺電站以一回220 kV線路接入下游腳基坪220 kV變電站并入四川電網天全變電站,導線型號暫定為LGJ-400。

2.1 電氣主接線

2.1.1 電氣主接線方案比較

根據鍋浪蹺電站的出線電壓等級、出線回路數、水能特性和電站樞紐總布置等特點,電氣主接線應力求布置清晰、操作過程簡單、維護方便、電氣設備數量少、一次性投資和運行費用少[1]。同時,根據220 kV輸送容量和運行方式,初步擬定了三個接線方案進行比較。

三個主接線方案技術經濟比較見表1,經綜合分析,方案一接線簡單清晰,運行維護方便靈活,供電可靠性較高。因此,推薦方案一為該電站的電氣主接線方案。

表1 主接線方案比較

2.1.2 廠用電接線和壩區供電

選配兩臺1 000 kVA的廠用變壓器分別連接在兩段發電機10.5 kV母線I段和Ⅱ段上,低壓側設有兩段低壓母線,布置在主廠房設備廊道內,低壓母線設有聯絡開關,并設有自動投入裝置。另設置一回外來電源通過一臺1 000 kVA變壓器降壓接入廠用母線,3臺變壓器互為備用。廠內設置一臺柴油發電機作為安保電源。

壩區供電由發電機擴大單元10 kV母線通過一臺630 kVA隔離變壓器引至壩區,通過一臺630 kVA變壓器降壓至400 V接在壩區廠用電母線,另設置一回外來電源通過一臺630 kVA變壓器降壓接入廠用母線,2臺變壓器互為備用。由于閘壩有防洪要求,電源必須可靠,因此,在閘壩母線上也設有一臺柴油發電機,作為安保電源。

2.2 短路電流計算及主要電氣設備選擇

2.2.1 短路電流計算

(1)計算依據。①根據方案比較后推薦的主接線;②由于現無系統歸算阻抗值,本電站220 kV母線的短路阻抗按無窮大系統考慮,基準容量100 MVA,基準電壓為平均電壓,進行短路電流計算[2]。

(2)為了校驗該電站各電壓級所選電氣設備在三相短路時,各支路電氣設備是否滿足動、熱穩定要求,須選擇各電壓級短路電流最大點進行短路電流計算。根據設計推薦的電站電氣主接線方案,分別在220 kV母線上選擇d-1短路點和10.5 kV發電機電壓母線上選擇的d-2、d-3短路點進行三相短路電流計算(圖1),短路電流計算成果見表2。

圖1 三相短路電流計算接線圖

表2 短路電流計算結果表

2.2.2 電氣設備選擇

2.2.2.1 電站環境

多年平均氣溫 17 ℃

極端最高氣溫 36.8 ℃

極端最低氣溫 -4.2 ℃

多年平均相對濕度 84%

最大風速 17 m/s

多年平均雷暴日 31.8 d

地震烈度 Ⅷ度

2.2.2.2 主要電氣設備

(1)水輪發電機主要技術參數

發電機型號 SF70-14/450

額定容量 70 MW

額定電壓 10.5 kV

額定電流 4 398 A

功率因數 0.875

額定頻率 50(Hz)

額定轉速 428.6 r/min

縱軸超瞬變電抗Xd≈0.18

短路比 ≥1.05

絕緣等級 F級

勵磁方式 自并激

(2)主變壓器選擇

①主變壓器選擇原則

a.無近區負荷,保證本電站三臺機組額定負荷(3×70 MW)全部送出,不因變壓器的容量選小了而受到限制,又不能因變壓器的容量選擇太大而造成變壓器長期欠載運行而增加空載損耗;

b.變壓器的運輸重量(帶油或充氮運輸)及運輸尺寸,不能超過公路、鐵路、橋梁設計的承載能力和隧洞尺寸,鍋浪蹺電站最大一臺主變壓器不帶油運輸重量不大于120 t,按現有的運輸公路均能滿足設備運輸要求;

c.根據上述原則,鍋浪蹺電站選擇標準型號SF10-160000/220型變壓器一臺和SF10-80000/220型變壓器一臺,能把鍋浪蹺電站的全部電能送入系統。

②變壓器參數

a.一號變壓器參數

型式 戶外雙圈油浸風冷式

型號 SF10-80000/220

額定容量 80 MVA

額定電壓 242±2×2.5%/10.5 kV

阻抗電壓 10.5%

接線組別 YN.d11

調壓方式 無勵磁調壓

b.二號變壓器參數

型式 戶外雙圈油浸風冷式

型號 SF10-160000/220

額定容量 160 MVA

額定電壓 242±2×2.5%/10.5 kV

阻抗電壓 10.5%

接線組別 YN.d11

調壓方式 無勵磁調壓

③220 kV電氣設備

220 kV電氣設備的選型關系到電站運行的可靠性、經濟性以及樞紐布置方案。從設備選型上該電站可以選用戶外敞開設備,也可以選用GIS設備。為了增加供電可靠性,為了檢修和維護的便利,選用GIS設備布置比較合適。GIS設備主要技術參數如下:

額定電壓 252 kV

額定電流 2 500 A

開斷電流 40 kA

④發電機電壓配電裝置設備

發電機回路和廠用變高壓側回路電氣設備均按其設備的額定電壓、額定電流大于或等于回路的最高工作電壓和持續工作電流進行選擇,按該回路所選斷路器、 隔離開關的額定開斷電流4秒熱穩定電流、 斷流容量進行校驗均滿足要求[3]。柜內電氣設備參數如下:

型式 專用發電機出口斷路器

型號 -10/6 300 A-100

額定電壓 10 kV

最高工作電壓 11.5 kV

額定電流 6 300 A

額定開斷電流 100 kA

4 s 熱穩定電流 100 kA

數量 3套

發電機出口電壓互感器的配電裝置,初步選為XGN2-10 3150A/6300 A型開關柜,其元件的動、熱穩定及熔斷器開斷容量均滿足短路參數要求。并以接入系統報告為依據進行設備選型復核。

⑤導體設計

發電機的出線端子到變壓器低壓側回路選用離相封閉母線,單元接線段電流為5 kA,擴大單元母線至變壓器段電流為10 kA。

⑥廠用變壓器及廠用低壓屏

廠用變壓器選擇原則根據該電站裝機容量的1%～2%進行初選,選擇一臺630 kVA干式變壓器及兩臺1 000 kVA干式變壓器作為該電站廠區廠用變壓器,三臺變壓器互為備用;選擇兩臺630 kVA干式變壓器作為該電站壩區廠用變壓器,兩臺變壓器互為備用。其參數如下:

型式 戶內三相干式變壓器

型號 SCB10-630/10

額定容量 630 kVA

額定電壓比 10.5±2×2.5%/0.4 kV

阻抗電壓 4%

接線組別 D,yn11

型式 戶內三相干式變壓器

型號 SCB10-1000/10

額定容量 1 000 kVA

額定電壓比 10.5±2×2.5%/0.4 kV

阻抗電壓 6%

接線組別 D,yn11

型式 戶內三相干式變壓器(隔離變壓器)

型號 SCB10-630/10

額定容量 630 kVA

額定電壓比 10.5±2×2.5%/10.5 kV

阻抗電壓 4%

接線組別 D,yn11

廠用配電屏選用技術性能好,運行可靠,維護方便的GCS型配電屏。

2.3 過電壓保護及接地

2.3.1 過電壓保護

2.3.1.1 壓器中性點過電壓保護

為了防止變壓器中性點的避雷器在斷路器非同期合閘時而爆炸,采用保護間隙和配合避雷器保護變壓器中性點[4]。保護間隙距離在250～350 mm范圍內調節;中性點的運行方式根椐系統調度而定。變壓器中性點隔離開關,其中性點裝有避雷器保護時,其電壓等級應與避雷器額定電壓配合。

2.3.1.2 直擊雷保護

主、副廠房及GIS屋頂設置避雷帶,并在建筑物每根柱內設引下線,與全廠接地網相連接,以加強避雷帶的散流作用。閘門啟閉機平臺的欄桿全部接地。雷電侵入波的保護措施是:在各電壓母線上配置相應的氧化鋅避雷器。

為防止真空斷路器快速切除發電機時使發電機端引起過電壓幅值和電壓上升速度,在發電機出口端裝設氧化鋅避雷器[5]。另外,要求220 kV所有出線上全線架設避雷線。

2.3.2 接地

電站最高電壓為220 kV,主變中性點為直接接地或不接地方式運行,屬于大接地短路電流系統。電站的接地電阻需滿足設計規范要求。

電站的接地包括主廠房、副廠房、GIS室和閘壩等處。為了充分利用自然接地體的散流作用,將各處水工建筑物內的主鋼筋和金屬結構互相焊接,形成電氣通路的5 m×5 m網孔。主、副廠房各層均敷設接地干線并與閘門、尾水門和壓力鋼管等自然接地體相連牢固焊接形成一個主接地網與自然接地體相連的總接地網。 避雷針到被保護設備的空氣和地中距離均符合規范要求。在深化設計時,將根據實測的土壤電阻率估算接地電阻值,當計算的接地電阻值不能滿足要求時,可在尾水渠中設置人工接地裝置或在尾水渠中敷設接地模塊的方法降低接地電阻。

2.4 電氣設備布置

2.4.1 樞紐總布置

電氣設備布置分四部分,即主廠房、變壓器場、GIS和閘壩用電配電房。

2.4.2 主廠房電氣設備布置

發電機層(993.30 m高程)下游側布置機旁屏36面,分機組段呈“一”字形布置。

發電機層下游側電氣廊道(993.30 m高程)布置有1F、2F、3F機組段相對應的10 kV高壓GCB斷路器3套,還布置有0.4 kV低壓配電屏GCS型30面。水輪機層下游側電氣廊道(987.30 m高程)布置有母線PT兩套,FURV限流熔斷器3套,發電機出口PT3套。勵磁變壓器3套,右側布置有廠用變壓器3臺,隔離變壓器1臺。

緊靠電氣廊道下游側為母線廊道(993.30 m高程),水輪機層下游側為母線電纜廊道(987.30 m高程),母線電纜廊道布置有電纜橋架,10 kV離相封閉母線。

離相封閉母線從發電機風罩壁上引出,經GCB及其他電氣設備后通過母線電纜廊道引至變壓器。

2.4.3 副廠房電氣設備布置

副廠房設在主廠房安裝間下游側,緊靠主廠房安裝間布置。

副廠房為一層建筑,布置在電氣廊道上方。

高程為999.30 m,設有計算機室、中控室、通訊室和辦公室等。

2.4.4 升壓變電站電氣設備布置

變壓器場布置在副廠房下游側,并設置事故排油坑。

開關站為GIS布置,220 kVGIS布置在變壓器場下方,因其布置清晰,運行、檢修和巡視安全、方便。

3 結 語

鍋浪蹺水電站結合工程實際情況,對相關的電氣設備的選型和設計合理。水電站進行試運行后,所有設備工作正常,其各項指標均滿足設計要求。電氣主接線的方案選擇,接線簡單,運行維護方便靈活,供電可靠性高,經濟性強。同時,電氣設備作為水電站的核心部分,其選型計算是否合理對整個工程有著巨大影響,也會影響配套設施、廠房設計等幾乎所有工作,作為技術人員,應當給予高度重視。