向家壩電站10 kV廠用電系統(tǒng)運(yùn)行方式探討

吳洪飛，姚登峰，唐啟堯，陳 宙

（向家壩水力發(fā)電廠，四川 宜賓 644612）

1 引言

向家壩電站位于四川省宜賓縣和云南省水富縣之間，是金沙江下游的一座巨型電站，是實(shí)施西電東送、優(yōu)化能源結(jié)構(gòu)的骨干電源之一。向家壩電站分為左右岸，分別安裝4臺(tái)單機(jī)容量為800 MW的水輪發(fā)電機(jī)組，預(yù)計(jì)2012年10月首批機(jī)組發(fā)電。左、右岸電站均以2回500 kV交流送至換流站，再通過(guò)±800 kV直流送至上海。

廠用電系統(tǒng)在電站中具有舉足輕重的地位，其安全可靠性直接影響著整個(gè)電站的安全穩(wěn)定運(yùn)行，尤其在電站投產(chǎn)發(fā)電初期，因廠用電系統(tǒng)備用電源少，這一問(wèn)題顯得特別突出。為保證電站廠用電系統(tǒng)的完全可靠運(yùn)行，合理安排廠用電系統(tǒng)運(yùn)行方式，有必要提前對(duì)機(jī)組投產(chǎn)初期和冬季枯水期的廠用電運(yùn)行方式進(jìn)行研究和探討。

2 廠用電系統(tǒng)介紹

2.1 廠用電接線方式

向家壩電站主接線采用發(fā)電機(jī)—變壓器單元接線，每臺(tái)機(jī)組設(shè)置發(fā)電機(jī)出口斷路器（GCB），即使在機(jī)組停機(jī)時(shí)仍可通過(guò)主變倒掛運(yùn)行給廠用電供電。電站廠用電系統(tǒng)采用10 kV和0.4 kV兩級(jí)供電。10 kV系統(tǒng)共8段母線，左岸為1M、2M、3M、4M，右岸為5M、6M、7M、8M。每段10 kV母線的主供電源從主變低壓側(cè)經(jīng)廠用高壓變壓器降壓取得，備用電源以相鄰段10 kV母線、廠外施工變電所、對(duì)岸電站和柴油發(fā)電機(jī)組等幾種方式取得。左、右岸10 kV母線每相鄰母線間均設(shè)有聯(lián)絡(luò)開關(guān)，四段母線形成一個(gè)環(huán)網(wǎng)，但首尾母線間的聯(lián)絡(luò)開關(guān)不參與備自投邏輯。右岸8M與左岸4M、右岸5M與左岸1M之間設(shè)有聯(lián)絡(luò)線。廠外施工變電所的聯(lián)絡(luò)線送電到7M、6M和3M、2M?？紤]到大壩緊急泄洪的要求，在壩頂10 kV配電室旁布置1臺(tái)柴油發(fā)電機(jī)組，連接在壩頂10 M，作為大壩的保安電源和廠內(nèi)的黑啟動(dòng)電源。全廠10 kV廠用電系統(tǒng)接線如圖1所示。

圖1 10 kV廠用電系統(tǒng)接線圖

10 kV廠用電經(jīng)10 kV／0.4 kV低壓變壓器降壓到400 V后為分別供給機(jī)組自用電、照明、公用、泄洪、檢修用電等24個(gè)供電點(diǎn)，各供電點(diǎn)采用分層分區(qū)就地布置，各系統(tǒng)相互獨(dú)立。

2.2 10 kV廠用電系統(tǒng)的控制及備自投邏輯

下面以右岸為例，闡述10 kV廠用電系統(tǒng)的控制及備自投邏輯，左岸的與右岸相同。

右岸每段10 kV母線配置有備用電源自動(dòng)投入（以下簡(jiǎn)稱備自投）裝置。備自投邏輯有全自動(dòng)、半自動(dòng)和退出三種運(yùn)行模式。全自動(dòng)模式下能夠自動(dòng)備投和自動(dòng)恢復(fù)；半自動(dòng)模式下僅能夠自動(dòng)備投而不能自動(dòng)恢復(fù)；退出模式下切除備投功能。任何進(jìn)線最多允許帶兩端母線。右岸10 kV 5M、8M只與相連的母線進(jìn)線備投，6M、7M相鄰母線及該母線的廠外電源都參與備投，其中第三備可以通過(guò)“第三備投允許把手”實(shí)現(xiàn)投入或撤除。各段母線主、備用電源如表1所示。

表1 右岸電站10 kV母線主備電源

（1）5M和8M的聯(lián)絡(luò)開關(guān)、左右岸聯(lián)絡(luò)線開關(guān)不參與備自投，由電站人員手動(dòng)進(jìn)行操作。

（2）備自投全自動(dòng)模式下，只有當(dāng)主供電源恢復(fù)后才進(jìn)行備自投自恢復(fù)。

（3）任何進(jìn)線不得對(duì)兩段母線同時(shí)充電。

（4）備自投邏輯順序：5M失電合5M、6M母聯(lián)；6M失電優(yōu)先合5M、6M母聯(lián)，再外部電源進(jìn)線，再6M、7M母聯(lián)；7M同6M；8M同5M。

（5）如果右岸電站4段10 kV母線的進(jìn)線電源全部失電（機(jī)組停機(jī)且500 kV系統(tǒng)失電、外部電源進(jìn)線也失電）時(shí)：

1）手動(dòng)操作投入與左岸電站10 kV母線的聯(lián)絡(luò)線。

2）若左岸電站電源失電，則投入柴油發(fā)電機(jī)，恢復(fù)壩頂9M、10M重要負(fù)荷，并向右岸電站6M供電。

3 10 kV廠用電系統(tǒng)風(fēng)險(xiǎn)分析

3.1 500 kV系統(tǒng)性風(fēng)險(xiǎn)

向家壩左、右岸GIS交流出線較少，各兩回，且采用同塔雙回線架設(shè)，在正常方式或一回線停電檢修時(shí)，若外送交流、直流通道發(fā)生故障，需要采取直流回降或切機(jī)等策略；嚴(yán)重時(shí)，在兩回交流出線均停電（或直流雙極閉鎖）的情況下，若安穩(wěn)裝置等動(dòng)作不正確，可能造成左、右岸機(jī)組全部解列停機(jī)，使得GIS停電，導(dǎo)致廠用電全停。

3.2 廠外電源系統(tǒng)的風(fēng)險(xiǎn)

向家壩左、右電站10 kV系統(tǒng)的廠外電源均來(lái)至馬延坡110 kV變電站，如果其110 kV外部進(jìn)線電源線路發(fā)生跳閘或站內(nèi)設(shè)備故障，將嚴(yán)重影響施工用電系統(tǒng)的可靠性；由于該變電站地處多雷區(qū)，且該變電站也是向家壩工程施工供電的主要電源，負(fù)荷復(fù)雜，故障時(shí)對(duì)其它用戶干擾大；再者該變電站的10 kV系統(tǒng)容量有限，其供電質(zhì)量和可靠性值得擔(dān)憂。此風(fēng)險(xiǎn)在電站機(jī)組投產(chǎn)初期尤為明顯。

3.3 站內(nèi)廠用電系統(tǒng)風(fēng)險(xiǎn)

（1）初期無(wú)應(yīng)急電源。由于工程進(jìn)度的影響，在電站機(jī)組投產(chǎn)初期壩頂柴油發(fā)電機(jī)不具備安裝條件，在此期間電站沒(méi)有應(yīng)急電源。

（2）廠房?jī)?nèi)10 kV母線失電風(fēng)險(xiǎn)。當(dāng)兩段母線聯(lián)絡(luò)運(yùn)行時(shí)，若備自投動(dòng)作可能會(huì)造成單段母線失電。

4 10 kV廠用電系統(tǒng)運(yùn)行方式

4.1 機(jī)組投產(chǎn)初期10 kV廠用電運(yùn)行方式

根據(jù)工程進(jìn)度計(jì)劃安排，向家壩電站的機(jī)組計(jì)劃從2012年10月開始逐步投入運(yùn)行，其投產(chǎn)時(shí)間計(jì)劃如表2所示。隨著投產(chǎn)機(jī)組的逐步增多，10 kV廠用電運(yùn)行方式將及時(shí)調(diào)整。

表2 向家壩電站機(jī)組投產(chǎn)時(shí)間計(jì)劃表

（1）8FB機(jī)組投產(chǎn)前廠用電運(yùn)行方式

在右岸機(jī)組投產(chǎn)前，10 kV廠用電只能采用馬延坡變電站供電，此時(shí)馬延坡變電站的3M帶右岸8M和7M，其1M帶右岸6M和5M。各段母線的主進(jìn)線開關(guān)可以置試驗(yàn)或檢修位置；左岸電站廠用電及壩頂變電所未投運(yùn)，將右岸相應(yīng)母線與它們的聯(lián)絡(luò)開關(guān)置檢修位，如圖2所示。

備自投狀態(tài)：由于此時(shí)各段母線均無(wú)備用電源，將備自投退出。

（2）8FB投產(chǎn)后廠用電運(yùn)行方式

圖2 機(jī)組投產(chǎn)前10 kV廠用電系統(tǒng)接線圖

右岸8FB機(jī)組投產(chǎn)且運(yùn)行穩(wěn)定后，為減少?gòu)S用電對(duì)廠外電源的依賴，提高可靠性，將10 kV 8M倒換至C08B供電，倒換時(shí)采用“先停后送”方式，即先斷開G8K7開關(guān)，再合上G8C08開關(guān)。

8FB的400 V自用電由10 kV 8M和6M供電，此時(shí)在廠用電方式安排上應(yīng)重點(diǎn)考慮10 kV 8M和6M的安全可靠性。由于8FB機(jī)組處在投運(yùn)初期，其穩(wěn)定性還存在一定的風(fēng)險(xiǎn)，應(yīng)盡量不安排其帶兩段母線，同時(shí)為提高安全性，8M、7M應(yīng)分段運(yùn)行。10kV廠用電運(yùn)行方式如圖3所示。

圖3 8FB投產(chǎn)后10 kV廠用電系統(tǒng)接線圖

備自投狀態(tài)：8M有備用電源，將其備自投置半自動(dòng)；7M有第一備用電源，但第三備不滿足，將其備自投置半自動(dòng)，第三備備投允許把手退出；6M有第三備用電源，將其備自投置半自動(dòng)，第三備備投允許把手投入；5M無(wú)備用電源，將其備自投退出。

（3）7FB投產(chǎn)后廠用電運(yùn)行方式

右岸7FB機(jī)組投產(chǎn)且運(yùn)行穩(wěn)定后，將10 kV 7M倒換至C07B供電。8FB的400 V自用電由10 kV 8M和6M供電，7FB的400 V自用電由10 kV 7M和5M供電，在廠用電方式安排上應(yīng)綜合考慮所有4段母線的安全可靠性。此時(shí)，10 kV廠用電運(yùn)行方式如圖4所示。

備自投狀態(tài)：8M有備用電源，將其備自投置半自動(dòng)；7M有第一、第二備用電源，但第三備不滿足，將其備自投置半自動(dòng)，第三備備投允許把手退出；6M有第三備用電源，將其備自投置半自動(dòng)，第三備備投允許把手投入；5M無(wú)備用電源，將其備自投退出。

圖4 7FB投產(chǎn)后10 kV廠用電系統(tǒng)接線圖

（4）6FB投產(chǎn)后廠用電運(yùn)行方式

右岸6FB機(jī)組投產(chǎn)且運(yùn)行穩(wěn)定后，將10 kV 6M倒換至C06B供電。由于此時(shí)投運(yùn)機(jī)組或主變較多，10 kV廠用電母線的供電電源較多，其可靠性較高。其方式安排為：10 kV 8M由C08B供電，7M由C07B供電，8M、7M聯(lián)絡(luò)開關(guān)置工作位置斷開，7M廠外電源開關(guān)G7M3置工作位置斷開；6M由C06B供電，5M由6M帶，6M廠外電源開關(guān)G6M1置工作位置斷開，如圖5所示。

圖5 6FB投產(chǎn)后10 kV廠用電系統(tǒng)接線圖

備自投狀態(tài)：8M有備用電源，將其備自投置半自動(dòng)；7M有第一、第二備用電源，但第三備不滿足，將備自投置半自動(dòng)，第三備備投允許把手退出；6M有第二備用電源，將其備自投置半自動(dòng)，第三備備投允許把手退出；5M無(wú)備用電源，將其備自投退出。

（5）5FB投產(chǎn)后廠用電運(yùn)行方式

右岸5FB機(jī)組投產(chǎn)且運(yùn)行穩(wěn)定后，將10 kV 5M倒換至C05B供電。由于此時(shí)投運(yùn)機(jī)組或主變較多，10 kV廠用電母線供電電源較多，其可靠性較高。其方式安排為：10 kV 8M由C08B供電，7M由C07B供電，8M、7M聯(lián)絡(luò)開關(guān)置工作位置斷開，7M廠外電源開關(guān)G7M3置工作位置斷開；6M由C06B供電，5M由C05B帶，6M、5M聯(lián)絡(luò)開關(guān)置工作位置斷開，6M廠外電源開關(guān)G6M1置工作位置斷開。如圖6所示。

圖6 5FB投產(chǎn)后10 kV廠用電系統(tǒng)接線圖

備自投狀態(tài)：此時(shí)各段母線均有備有電源，將各段母線的備自投均置半自動(dòng)，6M和7M的第三備備投允許把手退出。

（6）壩頂變電所和左岸機(jī)組投產(chǎn)10 kV廠用電運(yùn)行方式

壩頂變電所的10 kV母線9M、10M安裝完后，利用右岸6M對(duì)其供電，9M、10M聯(lián)絡(luò)運(yùn)行，其備自投退出。

左岸機(jī)組在逐步投產(chǎn)過(guò)程中，其10 kV廠用電系統(tǒng)的運(yùn)行方式參照右岸執(zhí)行。

4.2 正常時(shí)期10 kV廠用電運(yùn)行方式（全廠8臺(tái)機(jī)組均已投運(yùn)）

4.2.1 夏季汛期廠用電運(yùn)行方式

（1）在夏季汛期，全廠8臺(tái)機(jī)機(jī)組都可以并網(wǎng)運(yùn)行。此時(shí)左、右岸的8段10 kV母線都由廠高變供電，8段母線分段運(yùn)行。相鄰段母線、廠外施工變電所作為備用電源。各段母線的備自投均置半自動(dòng)。

（2）左、右岸10 kV聯(lián)絡(luò)線其中一條由右岸開關(guān)充電，另一條由左岸開關(guān)充電，對(duì)側(cè)開關(guān)置試驗(yàn)位置斷開。

（3）7M、6M、3M、2M 和廠外施工變電所之間的聯(lián)絡(luò)線由對(duì)側(cè)充電，本側(cè)開關(guān)置工作位置斷開。

（4）壩頂變電所9M、10M分別由6M、4M供電，母線聯(lián)絡(luò)開關(guān)置工作位置斷開，柴油發(fā)電機(jī)組開關(guān)C01置工作位置斷開。備自投置半自動(dòng)。

4.2.2 冬季枯水期廠用電運(yùn)行方式

在冬季枯水期（11月至次年5月），向家壩壩址平均流量在1 420 m3/s～3 410 m3/s之間，流量只能供2～4臺(tái)機(jī)組并網(wǎng)發(fā)電；同時(shí)向家壩水庫(kù)的調(diào)節(jié)庫(kù)容較小，利用庫(kù)容水量增加發(fā)電機(jī)組臺(tái)數(shù)的作用非常有限。因此，在枯水期，左、右岸一般只有1～2臺(tái)機(jī)組并網(wǎng)發(fā)電。

由于向家壩電站每臺(tái)機(jī)組設(shè)置發(fā)電機(jī)出口斷路器（GCB），因此即使在發(fā)電機(jī)停機(jī)時(shí)仍可通過(guò)主變倒掛運(yùn)行給廠用電供電。在主變倒掛運(yùn)行時(shí)，主變的損耗約為235 kW(左岸238 kW)，一天消耗的電量約為 5 640 kW·h(左岸 5 712 kW·h)。

若發(fā)電機(jī)停機(jī)時(shí)主變不倒掛運(yùn)行，即主變也停運(yùn)，當(dāng)需要改發(fā)電機(jī)開機(jī)時(shí)，需要反復(fù)操作500 kV串內(nèi)斷路器和進(jìn)線刀閘，將主變投入運(yùn)行后才能開機(jī)。此過(guò)程將需要花費(fèi)30 min左右時(shí)間，將會(huì)損失約40萬(wàn)kW·h的計(jì)劃電量；如果需要緊急開機(jī)，此方式將嚴(yán)重影響開機(jī)并網(wǎng)的時(shí)效性；在合串內(nèi)斷路器對(duì)主變充電時(shí)對(duì)主變有沖擊，對(duì)主變機(jī)械強(qiáng)度、絕緣等會(huì)造成一定的損害。

（1）單邊電站一臺(tái)機(jī)組運(yùn)行時(shí)廠用電運(yùn)行方式（以右岸為例）

右岸電站只一臺(tái)機(jī)組并網(wǎng)運(yùn)行，假設(shè)為8F機(jī)組。考慮到冬季機(jī)組檢修的情況，右岸電站在某一時(shí)期內(nèi)一般只安排一臺(tái)機(jī)組檢修 (假設(shè)為5FB檢修)，此時(shí)一臺(tái)機(jī)組運(yùn)行，將有2～3臺(tái)機(jī)組處于可備用狀態(tài)。由于8FB機(jī)組的400 V自用電由10 kV 8M、6M供電，為保證8FB機(jī)組的供電安全，應(yīng)設(shè)法保證廠用電10 kV 8M、6M由主供電源供電，即10 kV 8M由C08B供電，10 kV 6M由C06B供電，此時(shí)應(yīng)安排6B主變倒掛運(yùn)行。如果只安排6B倒掛，可以保證8FB機(jī)組供電的可靠性，但整個(gè)10 kV廠用電系統(tǒng)的可靠性一般，此方式也嚴(yán)重限制了備用機(jī)組的選擇——如果調(diào)度要求緊急開機(jī)或運(yùn)行機(jī)組跳閘需將另一臺(tái)機(jī)組并網(wǎng)時(shí)，無(wú)法有效保證此應(yīng)急處理的成功率。若此時(shí)唯一的備用機(jī)組開機(jī)不成功，將至少損失半小時(shí)的計(jì)劃發(fā)電量，遠(yuǎn)大于主變倒掛的損耗。若將所有可備用機(jī)組的主變均倒掛運(yùn)行，此時(shí)整個(gè)10 kV廠用電系統(tǒng)的可靠性很高，備自投方式靈活；雖然增加了1～2臺(tái)主變的空載損耗，但是在緊急情況下需開機(jī)時(shí)，可以有效保證開機(jī)的成功。主變倒掛運(yùn)行的狀態(tài)，也符合上級(jí)調(diào)度部門對(duì)機(jī)組備用的要求。因此，應(yīng)安排所有可用主變倒掛運(yùn)行。

（2）單邊電站兩臺(tái)機(jī)組運(yùn)行時(shí)廠用電運(yùn)行方式（以左岸為例）

兩臺(tái)機(jī)組運(yùn)行，有①4FB和3FB（或2FB和1FB）、②4FB和2FB（或3FB和1FB）、③4FB和1FB、④3FB和2FB 4種組合。第①種10 kV 4M和3M（2M和1M）的可靠性較差，不予采用；第②、③、④種情況下，廠用電可靠性和靈活性都基本相同，沒(méi)有本質(zhì)的區(qū)別；具體安排時(shí)需結(jié)合右岸的情況，增強(qiáng)左、右岸的互補(bǔ)性。

左岸兩臺(tái)機(jī)組并網(wǎng)運(yùn)行，假設(shè)為1F和3F機(jī)組。同樣，考慮到冬季機(jī)組檢修的情況，左岸電站在某一時(shí)期內(nèi)一般只安排一臺(tái)機(jī)組檢修 (假設(shè)為2FB檢修)。同理，為提高廠用電系統(tǒng)的可靠性，增加備用機(jī)組開機(jī)的快速性和選擇靈活性，也應(yīng)將所有可用主變倒掛運(yùn)行。

（3）冬季枯水期廠用電方式如圖7所示。

圖7 冬季枯水期廠用電系統(tǒng)接線圖

4.3 10 kV廠用電運(yùn)行方式安排其他注意事項(xiàng)

（1）當(dāng)左、右岸的10 kV母線通過(guò)左右岸聯(lián)絡(luò)線聯(lián)絡(luò)運(yùn)行時(shí)，應(yīng)將左右岸相應(yīng)母線的備自投退出，并將與相鄰母線的母聯(lián)開關(guān)搖至“試驗(yàn)”位置。

（2）一般情況下，右岸6M和7M、左岸2M和3M盡量不聯(lián)絡(luò)運(yùn)行。當(dāng)需要聯(lián)絡(luò)運(yùn)行時(shí)，被聯(lián)絡(luò)母線的備自投應(yīng)退出。

（3）一般情況下，右岸5M、8M盡量不聯(lián)絡(luò)運(yùn)行。當(dāng)需要聯(lián)絡(luò)運(yùn)行時(shí)，兩端母線的備自投應(yīng)退出，并將與相鄰母線的母聯(lián)開關(guān)搖至“試驗(yàn)”位置。左岸1M、4M同樣如此。

（4）由于受容量的限制，任何進(jìn)線電源不許對(duì)兩段母線同時(shí)充電，因此當(dāng)左岸1M和2M、3M和4M、右岸5M和6M、7M和8M聯(lián)絡(luò)運(yùn)行時(shí)，若進(jìn)線電源失電，應(yīng)密切關(guān)注1M、4M、5M、8M的備自投動(dòng)作情況，必要時(shí)人為手動(dòng)控制，防止此母線長(zhǎng)時(shí)間失電。

（5）柴油發(fā)電機(jī)投運(yùn)后，應(yīng)定期進(jìn)行試驗(yàn)，保證可靠備用。

5 結(jié)語(yǔ)

廠用電系統(tǒng)是保證電站安全穩(wěn)定運(yùn)行的關(guān)鍵設(shè)備之一，是需電站重點(diǎn)控制和保障的設(shè)備。電站應(yīng)根據(jù)機(jī)組投產(chǎn)情況以或水文特點(diǎn)，靈活安排機(jī)組檢修計(jì)劃和主變倒掛運(yùn)行方式，從而合理安排廠用電運(yùn)行方式，保證廠用電系統(tǒng)的安全可靠運(yùn)行。

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