水電站電氣系統(tǒng)的分析

王曉輝　何文擁

河南豫能電力工程有限責(zé)任公司

水電站電氣系統(tǒng)的分析

王曉輝何文擁

河南豫能電力工程有限責(zé)任公司

水電站是現(xiàn)代電能生產(chǎn)的重要樞紐之一，采用電氣設(shè)備把自然界水源轉(zhuǎn)換為電能，為該地區(qū)經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展提供穩(wěn)定的能源支持。隨著我國(guó)對(duì)電能資源需求的日益增長(zhǎng)，再加上以多元化電能生產(chǎn)的電力作業(yè)模式改革進(jìn)程的加快，從而推動(dòng)了我國(guó)電氣系統(tǒng)自動(dòng)化改造進(jìn)程。本文對(duì)水電站電氣系統(tǒng)進(jìn)行了詳細(xì)的闡述。

水電站；電氣系統(tǒng)；分析

一、電氣主接線方案的選擇

（一）水電站電氣主接線的特點(diǎn)

1.水電站一般遠(yuǎn)離負(fù)荷中心，在發(fā)電機(jī)電壓側(cè)很少接有大功率用戶，而用較高電壓送電，故主變壓器容量多按機(jī)組容量確定。

2.除徑流式電站外，其余電站大部分但任系統(tǒng)調(diào)頻、調(diào)峰和事故備用，利用小時(shí)數(shù)一般較低，因此，開停機(jī)較頻繁。

3.水電站開機(jī)程序比較簡(jiǎn)單，機(jī)組起動(dòng)迅速并且容易實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化。

4.水電站規(guī)模確定后，一般不考慮擴(kuò)建。

5.水電站多處山區(qū)，地形復(fù)雜，電氣設(shè)備布置及出線走廊均受到一定限制，因此，應(yīng)盡可能簡(jiǎn)化接線。

（二）初選方案的選擇

1.發(fā)電機(jī)—變壓器組接線方式

根據(jù)單元接線與擴(kuò)大單元接線的特點(diǎn)，并考慮滿足本電站機(jī)組運(yùn)行的靈活性要求，只能采用單元接線。

2.主接線接線方式

根據(jù)各電氣主接線的特點(diǎn)及使用范圍，能使用于本電站的電氣主接線方式有：?jiǎn)文妇€帶旁路母線、雙母線、雙母線帶旁路母線。

（三）初選方案的比較和精選方案的確定

各種電氣主接線的優(yōu)缺點(diǎn)：

1.單母線帶旁路母線接線

單母線帶旁路母線，除具有單母線優(yōu)點(diǎn)外，還可以使出線斷路器檢修時(shí)不影響送電，它比單母線分段帶旁路母線節(jié)省一組斷路器及其附屬設(shè)備，布置面積小，同時(shí)也存在單母線其它的一些缺點(diǎn)。

2.雙母線接線

優(yōu)點(diǎn)：雙母線接線與單母線相比，停電機(jī)會(huì)減小了，必需的停電時(shí)間縮短了，運(yùn)行的可靠性和靈活性有了顯著提高。另外，雙母線在擴(kuò)建時(shí)也比較方便，施工時(shí)不停電。

缺點(diǎn)：使用設(shè)備較多，投資大，配電裝置較復(fù)雜。同時(shí)，在運(yùn)行時(shí)需將隔離開關(guān)作為操作電器，操作隔離開關(guān)時(shí)需按嚴(yán)格的操作程序進(jìn)行。

3.雙母線帶旁路母線接線

優(yōu)點(diǎn)：它具有雙母線優(yōu)點(diǎn)，可靠性和靈活性都高于所有單母線接線和雙母線接線。

缺點(diǎn)：母聯(lián)斷路器故障時(shí)全廠短時(shí)停電，檢修時(shí)兩組母線解列運(yùn)行，隔離開關(guān)切換操作工作量大，繼電保護(hù)復(fù)雜，不利于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化，同時(shí)增加設(shè)備和投資，增大布置面積。

方案一的投資較方案二和方案三少，繼電保護(hù)和實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化均簡(jiǎn)單易行，但由于本電站在系統(tǒng)中的重要作用，對(duì)靈活性和可靠性要求較高，因此將方案二和方案三作為精選方案。

二、水電站短路電流的計(jì)算

（一）最優(yōu)方案等值電抗

對(duì)于發(fā)電機(jī)出口，由于發(fā)電機(jī)出口電壓需升高至110KV和220KV兩個(gè)電壓等級(jí)，因此，對(duì)連接于兩個(gè)電壓等級(jí)下的發(fā)電機(jī)出口各取一個(gè)短路點(diǎn)；接于聯(lián)絡(luò)變壓器下的發(fā)電機(jī)出口也取一個(gè)短路點(diǎn)；對(duì)于110KV側(cè)負(fù)荷回路短路時(shí)所有發(fā)電機(jī)和系統(tǒng)的電流均送往該點(diǎn)，因此，把110KV負(fù)荷側(cè)的短路點(diǎn)做為短路計(jì)算點(diǎn)；220KV側(cè)母線短路時(shí)所有發(fā)電機(jī)及系統(tǒng)電流均送至該點(diǎn)。

（二）母線的選擇

根據(jù)《發(fā)電廠電氣部分》P61“當(dāng)母線回路工作電流不超過(guò)2000A時(shí)，可采用每相單條矩形母線；當(dāng)母線回路工作電流超過(guò)2000A時(shí)，可在每相將2～4條矩形母線并列使用，每相2或3條矩形母線適用于母線工作電流為2000～4000A的回路中；槽型母線載流量大，集膚效應(yīng)系數(shù)小，機(jī)械強(qiáng)度高，一般適用于母線工作電流為4000～8000A的回路中；管型母線的集膚效應(yīng)系數(shù)小，機(jī)械強(qiáng)度高，還可以采用管內(nèi)通水或通風(fēng)冷卻措施，因此，當(dāng)母線工作電流超過(guò)8000A時(shí)常采用管型母線”。鋁的電阻率為銅的1.7-2倍，但密度只有銅的30%，易于加工，安裝連接方便，且價(jià)格便宜。

綜上，發(fā)電機(jī)出口母線型式選用槽型鋁母線。

（三）電壓互感器的選擇

1.電壓互感器的配置原則

○11發(fā)電機(jī)：一般在發(fā)電機(jī)出口裝設(shè)2～3組電壓互感器。其中一組為三只單相雙繞組電壓互感器，供勵(lì)磁調(diào)節(jié)裝置用，準(zhǔn)確級(jí)為0.5級(jí)，另一組為三繞組構(gòu)成Y/Y/Δ接線供測(cè)量、周期、繼電保護(hù)及絕緣監(jiān)視適用。

○22母線：工作母線和備用母線都應(yīng)裝一組三繞組電壓互感器。

○33出線：對(duì)方無(wú)電源時(shí)不裝。有電源時(shí)可裝設(shè)一臺(tái)單相雙繞組或單相三繞組電壓互感器；110KV及以上線路為了節(jié)約投資和占地，載波通信和電壓測(cè)量可共用耦合電容，故一般用電容分壓式電壓互感器。

三、二次基本方案的初步規(guī)劃

為了保證水電站電氣一次設(shè)備正常工作和安全經(jīng)濟(jì)運(yùn)行以及操作管理二次設(shè)備，如測(cè)量監(jiān)視儀表、繼電保護(hù)裝置、操作電器的設(shè)備和各種自動(dòng)、遠(yuǎn)動(dòng)裝置等，電流互感器和電壓互感器的二次繞組、蓄電池組或自用電等低壓電源供電，將二次設(shè)備通過(guò)連接導(dǎo)體互相連接而構(gòu)成的電路稱為二次回路或二次接線。

二次設(shè)備一部分安裝在配電裝置內(nèi)，如電流互感器和電壓互感器的二次線圈、斷路器的跳、合閘線圈和其輔助觸點(diǎn)等。另一部分則安裝在控制屏、保護(hù)屏、自動(dòng)裝置屏和直流屏上，二次設(shè)備之間通過(guò)二次電纜加以連接。

由于目前大、中型水電站對(duì)全廠高壓送電線路、發(fā)電機(jī)、主變壓器和自用電變壓器高壓側(cè)斷路器等的操作，水輪發(fā)電機(jī)的開、停機(jī)和功率的增減，電站綜合自動(dòng)化的投入和切除，滅磁開關(guān)的投入和切除，同期方式的選擇，操作電源和事故照明的切換等都是在中央控制室集中進(jìn)行的，因此上述的控制屏、保護(hù)屏、自動(dòng)裝置屏和直流屏等大都集中在中央控制室。

電力系統(tǒng)繼電保護(hù)的設(shè)計(jì)與配置是否合理，直接影響著電力系統(tǒng)的安全運(yùn)行。

選擇保護(hù)方式時(shí)，希望能全面滿足可靠性、選擇性、靈敏性和速動(dòng)性的要求。同時(shí)滿足四個(gè)基本要求有困難時(shí)，可根據(jù)電力系統(tǒng)的具體情況，在不影響系統(tǒng)安全運(yùn)行的前提下，可以降低某一些要求。

選擇保護(hù)方式時(shí)，應(yīng)力求采用最簡(jiǎn)單的保護(hù)裝置來(lái)滿足系統(tǒng)的要求。只有簡(jiǎn)單的保護(hù)裝置不能達(dá)到目的時(shí)，才考慮采用較復(fù)雜的保護(hù)裝置。

四、主要設(shè)備保護(hù)

1.送電線路的保護(hù)：送電線路上安裝的電流互感器主要用于母線保護(hù)，測(cè)量?jī)x表，線路保護(hù)及斷路器失靈保護(hù)。

2.水輪發(fā)電機(jī)的保護(hù)：發(fā)電機(jī)縱差動(dòng)保護(hù)作為發(fā)電機(jī)相間短路的主保護(hù)，保護(hù)靈敏，簡(jiǎn)單，采用環(huán)流接線法。在發(fā)電機(jī)引出線側(cè)靠近繼電器處和中性點(diǎn)側(cè)裝設(shè)特性和變化完全相同的電流互感器，且兩側(cè)電流互感器一次回路的正極置于母線側(cè)和中性點(diǎn)側(cè)，二次回路的同性端子相連接，保護(hù)范圍除發(fā)電機(jī)定子繞組外，還包括發(fā)電機(jī)出口至斷路器線路。裝設(shè)發(fā)電機(jī)的橫差動(dòng)保護(hù)，用于反映雙星形定子繞組的匝間短路，接線只用一個(gè)互感器裝于雙星形繞組的中性點(diǎn)的連線上。發(fā)電機(jī)的過(guò)電流保護(hù)，作為縱差動(dòng)保護(hù)的后備保護(hù)，以反映發(fā)電機(jī)外部故障引起的過(guò)電流，其保護(hù)范圍除發(fā)電機(jī)外，還包括升壓變壓器高壓側(cè)，母線和自用變壓器低壓側(cè)。另外還接有定子100%接地保護(hù)。

3.變壓器的縱差動(dòng)保護(hù)：用于反映變壓器的相間短路，高壓側(cè)單相接地短路及匝間短路的主保護(hù)，其保護(hù)范圍包括變壓器套管及其引出線。瓦斯保護(hù)，反映變壓器內(nèi)部故障。變壓器的過(guò)電流及過(guò)負(fù)荷保護(hù)，不另設(shè)負(fù)荷保護(hù)，在環(huán)形接線輸入端接入互感器，防止外部故障時(shí)引起的過(guò)電流，作為變壓器的后備保護(hù)。

［1］耿長(zhǎng)興，孫云峰，冀振亞，胡博，康健.自動(dòng)化控制在小型水電站中的應(yīng)用［J］.電子技術(shù)與軟件工程.2015（17）

［2］揭育東.淺談電氣與自動(dòng)化設(shè)計(jì)在工程實(shí)踐中的融合［J］.科學(xué)之友.2011（16）