云南楚雄不管河一級(jí)水電站電氣設(shè)計(jì)

（廣西右江水利開(kāi)發(fā)有限責(zé)任公司，廣西 南寧 530029）

【摘 要】云南省水資源十分豐富，但經(jīng)濟(jì)發(fā)展相對(duì)落后，為把水電資源優(yōu)勢(shì)轉(zhuǎn)化為經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢(shì)，云南省大力推進(jìn)中小水電站建設(shè)。如今，30 MW及以下的中小型機(jī)組在云南省已得到廣泛應(yīng)用。根據(jù)發(fā)展要求，同時(shí)為了滿足可靠性、靈活性、經(jīng)濟(jì)性的電力設(shè)計(jì)要求，不管河一級(jí)水電站采用了2臺(tái)發(fā)電機(jī)連接1臺(tái)主變壓器的擴(kuò)大單元接線方式，在中小水電站設(shè)計(jì)中已具有較好的運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)。設(shè)備的選擇考慮了新型設(shè)備，讓新技術(shù)更好地服務(wù)于電力企業(yè)。同時(shí)，采用適宜的設(shè)備配置及可靠的保護(hù)配置，具有較好的實(shí)用性，能滿足供電可靠性的要求。

【關(guān)鍵詞】水電站；電氣主接線；短路電流；繼電保護(hù)；接地

【中圖分類號(hào)】TV734 【文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼】A 【文章編號(hào)】1674-0688（2016）07-0106-04

1 概述

不管河一級(jí)電站為原規(guī)劃一級(jí)、二級(jí)電站的并級(jí)開(kāi)發(fā)電站，地處云南省楚雄彝族自治州楚雄市西舍路鎮(zhèn)境內(nèi)，工程位于紅河（禮社江河段）右岸一級(jí)支流不管河中上游位置，地理位置為東經(jīng)101°5'17''～101°7'00''，北緯24°30'23''～24°32'24''。距楚雄市217 km，離西舍路鎮(zhèn)25 km，屬紅河水系。原規(guī)劃一、二級(jí)電站總計(jì)裝機(jī)容量為9.5 MW，保證出力3 141 kW，多年平均發(fā)電量為5 687萬(wàn)kW·h?，F(xiàn)將原規(guī)劃一級(jí)、二級(jí)電站合并成一級(jí)進(jìn)行開(kāi)發(fā)后，電站總裝機(jī)容量為15 MW，保證出力2.479 MW，多年平均發(fā)電量為6 570萬(wàn)kW·h。電站為引水式高水頭水電站，額定水頭為539 m。

不管河一級(jí)水電站工程由首部取水樞紐、發(fā)電引水系統(tǒng)和電站廠區(qū)3個(gè)部分組成。工程總布置方案如下：分別在不管河干流一茅家壩河與水浸河匯口以下約220 m處及不管河左岸一級(jí)支流一白水河上修建攔河閘壩，首先從不管河水庫(kù)取水，通過(guò)不管河引水渠系引入白水河水庫(kù)，然后又在白水河水庫(kù)取水，利用白水河引水渠系將水引至壓力前池，再由前池進(jìn)水閘室經(jīng)壓力鋼管道進(jìn)入水輪機(jī)發(fā)電，壓力管道采用一管雙機(jī)供水方式，后接布置在不管河三級(jí)水電站取水口上游約70 m處左岸坡腳的地面式發(fā)電廠房，電站尾水進(jìn)入不管河三級(jí)電站取水口。

2 接入電力系統(tǒng)方式

根據(jù)《不管河一級(jí)電站規(guī)劃報(bào)告》和《不管河一級(jí)電站接入系統(tǒng)方案》成果，結(jié)合電站裝機(jī)規(guī)模、地理位置及其在系統(tǒng)中所處的作用等因素，擬定本電站與電力系統(tǒng)的連接方式如下：不管河一級(jí)電站以一回110 kV線路接入不管河三級(jí)電站110 kV母線側(cè)，輸送容量為15 MW，輸送距離約5 km，選用LGJ-95導(dǎo)線；另預(yù)留一回35 kV出線。除廠用電及前池用電外，不考慮近區(qū)負(fù)荷和壩區(qū)用電。

3 電氣主接線

根據(jù)電站裝機(jī)規(guī)模及擬定的接入系統(tǒng)方案，按照接線簡(jiǎn)單清晰、技術(shù)先進(jìn)、經(jīng)濟(jì)合理及便于分期過(guò)渡的原則，對(duì)本電站的電氣主接線進(jìn)行以下3個(gè)方案的技術(shù)經(jīng)濟(jì)比選。

方案一：采用“兩機(jī)一變”的方式，發(fā)電機(jī)電壓側(cè)接線為單母線接線；升高電壓側(cè)，110 kV出線和35 kV出線為變壓器一線路組接線方式，主變壓器為一臺(tái)容量為20 000 kVA的三線圈無(wú)載調(diào)壓變壓器。設(shè)2臺(tái)廠用變壓器，容量均為200 kVA，一臺(tái)接至6.3 kV電壓母線，另一臺(tái)接至保留下來(lái)的施工電源。此方案的優(yōu)點(diǎn)為接線簡(jiǎn)單、清晰，操作靈活，維護(hù)方便，且高壓側(cè)設(shè)備少，占地面積小，設(shè)備投資和土建投資都較少。但只有一臺(tái)主變壓器，當(dāng)變壓器或者6.3 kV母線發(fā)生故障時(shí)，將造成全廠停電，故障影響范圍大；此外，小負(fù)荷運(yùn)行時(shí)，空載損耗較大。

方案二：發(fā)電機(jī)電壓側(cè)接線為單母線接線，但采用2臺(tái)主變壓器，容量均為20 000 kVA，一臺(tái)升高至110 kV，另一臺(tái)升高至35 kV，升高電壓側(cè)接線均采用變壓器一線路組接線方式。設(shè)2臺(tái)廠用變壓器，容量均為200 kVA，一臺(tái)接至6.3 kV電壓母線，另一臺(tái)引全保留下來(lái)的施工電源。此方案的優(yōu)點(diǎn)為有2臺(tái)主壓器，當(dāng)一臺(tái)主變壓器發(fā)生故障時(shí)，不導(dǎo)致全廠停電，可靠性較高；此外，其一期工程投資低。缺點(diǎn)是2臺(tái)主變壓器容量均為20 000 kVA，整體工程投資過(guò)高，且二期工程建成之后，將造成主變壓器容量過(guò)剩。

方案三：“采用一機(jī)一變”的方式，2臺(tái)主變壓器都為三線圈變壓器，容量均為10 000 kVA。升高電壓側(cè)110 kV接線和35 kV接線均為單母線接線方式。設(shè)2臺(tái)廠用變壓器，容量均為200 kVA，分別引接至2臺(tái)發(fā)電機(jī)出口。此方案的優(yōu)點(diǎn)為供電可靠性高和靈活性高，任一臺(tái)主變壓器發(fā)生故障都不會(huì)影響另一臺(tái)機(jī)組的正常發(fā)電和線路的供電。但采用2臺(tái)三圈變壓器，繼電保護(hù)復(fù)雜，高壓側(cè)設(shè)備增多，增加了電氣設(shè)備的投資和占地面積，鑒于電站所處位置為陡坡，將大大增加土建開(kāi)挖量，導(dǎo)致土建投資過(guò)大。

以上3個(gè)方案在技術(shù)上都能滿足供電要求，雖然方案二和方案三的供電可靠性要比方案一的高，年停電損失費(fèi)用也少1.5萬(wàn)元，但其投資較大，僅計(jì)所增加的電氣設(shè)備投資，方案二和方案三所減少的停電損失費(fèi)用至少需要50年以上才能收回。此外，考慮到目前變壓器的可靠性極高，生產(chǎn)廠家可保證非人為破壞情況下20年內(nèi)不需檢修。

綜上所述，本電站的電氣主接線方案推薦采用方案一。

4 主要電氣設(shè)備的選擇

4.1 短路電流計(jì)算

根據(jù)本電站的接入電力系統(tǒng)方式，本電站短路電流計(jì)算（如圖1所示）以楚雄變電站110 kV母線為無(wú)窮大系統(tǒng)，結(jié)合發(fā)電機(jī)及主變的運(yùn)行參數(shù)，經(jīng)計(jì)算得以下成果（見(jiàn)表1）。

4.2 電力設(shè)備選擇

根據(jù)短路電流計(jì)算結(jié)果及本電站升壓站的布置方式選擇電氣設(shè)備，并能滿足設(shè)備本身相對(duì)應(yīng)的要求。選取主要設(shè)備的具體參數(shù)如下。

（1）水輪發(fā)電機(jī)（2臺(tái)）：型號(hào)為SF7500-8/2150；額定出力為7 500 kW；額定電壓為6.3 kV；功率因數(shù)為0.8；額定頻率為50 Hz；勵(lì)磁方式為微機(jī)型自并激可控硅整流靜止勵(lì)磁。

（2）發(fā)電機(jī)引出封閉母線：型號(hào)為GZXFM-10.5/1 250 A；額定電壓為10 kV；額定電流為1 250 A。

（3）主變壓器低壓側(cè)封閉母線：型號(hào)為GZXFM-

10.5/2 500 A；額定電壓為10 kV；額定電流為2 500 A。

（4）發(fā)電機(jī)出口斷路器柜（2臺(tái)）：型號(hào)為KYN28C-

12/18；額定電壓為12 kV；額定電流為1 250 A；額定開(kāi)斷電流為25 kA。

（5）發(fā)電機(jī)出口及母線BV柜（5臺(tái)）：型號(hào)為KYN28C-12/18；額定電壓比為6/根3/0.1/根3/0.1/根3/0.1 kV；

（6）主變壓器低壓側(cè)斷路器柜（1臺(tái)）：型號(hào)為YN28C-12/18；額定電壓為12 kV；額定電流為2 500 A；額定開(kāi)斷電流為25 kA。

（7）41B進(jìn)線柜（1臺(tái)）：型號(hào)為KYN28C-12/18；額定電壓為12 kV；額定電流為1 250 A；額定開(kāi)斷電流為25 kA。

（8）42B進(jìn)線柜（1臺(tái)）：型號(hào)為KYN28C-12/18；額定電壓為12 kV；額定電流為1 250 A；額定開(kāi)斷電流為20 kA。

（9）主變壓器：型號(hào)為SFS9-20000/110；額定電壓為121±8×1.25%/38.5±2×5%/6.3 kV；額定容量為20 000 kVA；接線組別為YNyn0dl1；冷卻方式為風(fēng)冷式；運(yùn)輸重量為43.2 t。

（10）廠用變壓器（2臺(tái)）：型號(hào)為SC-200 kVA；額定電壓為6.3±5%/0.4 kV，10.5+5%/0.4 kV；額定容量為200kVA；接線組別為D，yn-11。

（11）110 kV側(cè)斷路器（1臺(tái)）：型號(hào)為L(zhǎng)W25.126；額定電壓為126 kV；額定電流為2 000 A；額定開(kāi)斷電流為31.5 kA。

（12）110 kV側(cè)隔離開(kāi)關(guān)（3臺(tái)）：型號(hào)為GW5-l10GD/600；額定電壓為110 kV；額定電流為600 A。

（13）110 kV側(cè)電流互感器（3臺(tái)）：型號(hào)為L(zhǎng)B3-110；額定電壓為110 kV；額定電流比為150/1 A；準(zhǔn)確等級(jí)為0.2/10P20/10P20/10P20。

（14）110kV側(cè)電壓互感器（3臺(tái)）：型號(hào)為JDCF-110；額定電壓比為110/根3/0.1/根3/0.1/根3/0.1 kV；準(zhǔn)確等級(jí)為0.5。

（15）110 kV側(cè)電容式電壓互感器（1臺(tái)）：型號(hào)為YDR-110；額定電壓比為110/根3/0.1/根3/0.1 kV；準(zhǔn)確等級(jí)為0.5。

（16）高頻阻波器（1臺(tái)）：型號(hào)為XZK-400。

（17）110 kV避雷器（6只）：型號(hào)為Y10W-126/

312；系統(tǒng)額定電壓為110 kV。

（18）35 kV側(cè)斷路器（3臺(tái)）：型號(hào)為ZWl8-40.5；額定電壓為40.5 kV；額定電流為1 250 A；額定開(kāi)斷電流為25 kA；額定電流比為400/1 A；準(zhǔn)確等級(jí)為0.5/10P20/10P20/10P20。

（19）35 kV側(cè)隔離開(kāi)關(guān)（3臺(tái)）：型號(hào)為GW5-35GD/600；額定電壓為35 kV；額定電流為600 A。

（20）35 kV側(cè)電壓互感器（3臺(tái)）：型號(hào)為JDJ2-

35；額定電壓比為35/根3/0.1/根3/0.1/根3/0.1/3 kV；準(zhǔn)確等級(jí)為0.5。

（21）35 kV避雷器（6只）：型號(hào)為HY5WZ-51/134；系統(tǒng)額定電壓為35 kV。

（22）耦合電容器（1臺(tái)）：型號(hào)為OWF35/根3-0.005。

（23）高頻阻波器（1臺(tái)）：型號(hào)為XZK-200-1.0。

（24）發(fā)電機(jī)中性點(diǎn)電流互感器（3臺(tái)）：型號(hào)為L(zhǎng)AJ-

10；額定電壓為10 kV；額定電流為1 500/1A；準(zhǔn)確等級(jí)為10P20/10P20。

（25）變壓器中性點(diǎn)電流互感器（1臺(tái)）：型號(hào)為L(zhǎng)R-

60；額定電壓為60 kV；額定電流為50/1 A；準(zhǔn)確等級(jí)為10P20。

5 廠用電接線

廠用電接線采用從發(fā)電機(jī)出口6.3 kV母線引接一臺(tái)容量為200 kVA干式變壓器作為主要廠用電源，接至保留下來(lái)的施工變電站容量為200 kVA干式變壓器作為廠用備用電源，2個(gè)廠用電源互為備用，不能并聯(lián)運(yùn)行。本站采用機(jī)組自用電和公用電混合供電的方式，采用一級(jí)380/220 V供電。

2個(gè)壩區(qū)及壓力前池距副廠房輸電距離較遠(yuǎn)，用0.4 kV供電無(wú)法滿足要求。由發(fā)電機(jī)出口6.3 kV母線引接一臺(tái)容量為200 kVA的干式變壓器，升高電壓到10.5 kV，采用兩回10 kV線路向其供電，再各設(shè)一臺(tái)變壓器降壓，這樣投資過(guò)大，鑒于壩區(qū)和前池閘門(mén)均無(wú)泄洪要求，因此可由當(dāng)?shù)剞r(nóng)網(wǎng)直接向其供電。

6 繼電保護(hù)

根據(jù)電氣主接線，本站電氣主設(shè)備的繼電保護(hù)按《繼電保護(hù)和安全自動(dòng)裝置規(guī)程》（GB 14285—93）和《防止電力生產(chǎn)重大事故的二十五項(xiàng)重點(diǎn)要求》及有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)、規(guī)定配置，各保護(hù)均采用微機(jī)型成套保護(hù)裝置，按發(fā)電機(jī)、變壓器、110 kV、35 kV線路分別組屏。發(fā)電機(jī)保護(hù)、主變壓器保護(hù)、110 kV線路保護(hù)和35 kV線路保護(hù)及自動(dòng)裝置布置于中控室。

廠用變壓器供電系統(tǒng)等的繼電保護(hù)裝置，分別采用測(cè)控保護(hù)綜合裝置，該裝置具有監(jiān)測(cè)、控制和保護(hù)多種功能，并具有I/O和串行通信2種接口，與公用現(xiàn)地控制單元LCU連接。廠用變壓器及高低壓廠用系統(tǒng)保護(hù)、備用電源等自投裝置，原則上不單獨(dú)設(shè)屏，隨一次屏成套。

6.1 過(guò)電壓保護(hù)及接地裝置

（1）直擊雷保護(hù)。電站裝設(shè)2根30 m高的避雷針，保護(hù)主變壓器、110 kV出線設(shè)備和35 kV出線設(shè)備。并在廠房頂沿墻敷設(shè)避雷帶，以作直擊雷的保護(hù)。

（2）過(guò)電壓保護(hù)。按《水力發(fā)電廠過(guò)電壓保護(hù)和絕緣設(shè)計(jì)技術(shù)導(dǎo)則》（DL/T 5090—1999）要求，在主變壓器的高、中、低壓側(cè)各裝設(shè)1組避雷器，在110 kV線路側(cè)和35 kV線路側(cè)配置1組避雷器，110 kV線路全線架設(shè)避雷線。

6.2 接地

電站接地使用一個(gè)統(tǒng)一的接地網(wǎng)，采用人工接地體和自然接地體相結(jié)合的方式。接地電阻不小于2 000/I Ω。

（1）主接地網(wǎng)。電站主接地網(wǎng)由自然接地體和人工接地網(wǎng)2個(gè)部分組成。自然接地體利用引水系統(tǒng)的鋼管和鋼筋、供排水管、機(jī)組蝸殼、尾水管、各種閘門(mén)、攔污柵、水工構(gòu)筑物的金屬構(gòu)架等；在升壓站和廠房附近各敷設(shè)一個(gè)接地網(wǎng)組成人工接地網(wǎng)。自然接地體和人工接地網(wǎng)之間至少用2根接地干線連接，干線截面不得小于50 mm×5 mm的扁鋼或直徑為18 mm的圓鋼，以構(gòu)成全廠接地系統(tǒng)。

（2）電氣設(shè)備接地。在電站主副廠房、主變場(chǎng)及房頂布置各級(jí)電壓的電氣設(shè)備，均與明敷或者暗敷成閉合回路的水平接地干線相連接。各建筑物層的水平接地網(wǎng)間，將通過(guò)多根垂直接地干線連成一體，并與主接地網(wǎng)連接。重要電氣設(shè)備的工作和保護(hù)接地干線的連接不少于兩處。

（3）均衡地位接地。在主、副廠房，沿廠房柱內(nèi)，每隔4 ～5 m距離選定1～2根垂直鋼筋與房頂及地板內(nèi)表層水平鋼筋焊牢，形成一個(gè)屏蔽網(wǎng)。它們與接地干線的連接，使整個(gè)結(jié)構(gòu)地位均衡。此外，在升壓站敷設(shè)均壓網(wǎng)。

7 結(jié)論

本文通過(guò)分析電氣主接線的確定、短路電流計(jì)算、電氣設(shè)備的選擇、繼電保護(hù)設(shè)計(jì)和接地布置，可以得出如下結(jié)論。

（1）電氣主接線具有可靠性、靈活性高和經(jīng)濟(jì)性優(yōu)良的特點(diǎn)。

（2）電氣設(shè)備的選擇完全滿足主接線的要求。

（3）短路電流計(jì)算方法合理有效，計(jì)算方法參考價(jià)值很高，可以在選擇電氣設(shè)備時(shí)，保證設(shè)備在正常運(yùn)行和故障情況下都能安全、可靠地工作，同時(shí)又力求節(jié)約資金。

（4）電氣一次設(shè)備的選擇計(jì)算結(jié)果準(zhǔn)確合理。

（5）廠用電有雙電源，供電可靠性較高。

（6）繼電保護(hù)和接地網(wǎng)設(shè)計(jì)較全面，能較好地實(shí)現(xiàn)保護(hù)和避雷作用。

參 考 文 獻(xiàn)

[1]許建安.中小型水電站電氣設(shè)計(jì)手冊(cè)[M].北京：中國(guó)水利水電出版社，2007.

[2]貴州省水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)院.不管河一級(jí)水電站工程可行性研究報(bào)告[R].2005.

[3]孟詳萍，高燕.電力系統(tǒng)分析[M].北京：高等教育出版社，2004.

[4]熊信銀.發(fā)電廠電氣部分[M].北京：中國(guó)電力出版社，2004.

[5]楊貴恒，常思浩.電氣工程師手冊(cè)[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2014.

[責(zé)任編輯：陳澤琦]

【作者簡(jiǎn)介】何志慧，男，廣西南寧人，本科，廣西右江水利開(kāi)發(fā)有限責(zé)任公司工程師，從事水利水電工程管理工作。