文峪河水電站電氣主接線設(shè)計(jì)探討

文玉杰

（呂梁市文峪河水利管理局水電站，山西 呂梁032111）

1 問題的提出

山西文峪河水電站地處山西省呂梁市文水縣，是黃河干流梯級電站中的峽谷型水電站，其與黃河干流上游的萬家寨水利樞紐相距26 km，與干流下游天橋水電站相距71.5 km，控制流域面積39.7 萬km2。文峪河水電站包括裝機(jī)容量1250 kVA 的水輪發(fā)電機(jī)組2 臺(tái)，其主變額定容量為1250×2=2500 kVA，屬于壩后式水電站。電站廠址在文峪河水電站防水隧洞出口位置，水電站主要承擔(dān)調(diào)峰、防洪、防凌等功能。

文峪河水電站自運(yùn)行以來已近數(shù)十年，設(shè)備老化嚴(yán)重，電站大部分電氣設(shè)備均按上世紀(jì)設(shè)計(jì)理念和技術(shù)設(shè)計(jì)，運(yùn)行過程中其與當(dāng)前水電站設(shè)計(jì)規(guī)范及運(yùn)營實(shí)際的矛盾日益凸顯。水電站機(jī)組控制屏、低壓配電屏等元器件外部結(jié)構(gòu)防護(hù)等級不斷退化，線路裸露，接地及漏電事故等安全隱患突出。水電站當(dāng)前所使用的2 臺(tái)SFS10-25000/110 和SFS10-16000/110 型主變壓器容量難以適應(yīng)此次水電站升級改造電站擴(kuò)容后機(jī)組裝機(jī)容量增大的情況。文峪河水電站機(jī)組安全等級的改造及機(jī)組裝機(jī)容量的擴(kuò)大改造迫在眉睫。

2 水電站電氣主接線設(shè)計(jì)

2.1 電氣主接線

水電站高壓電器設(shè)備電能連接及分配的電氣主接線設(shè)計(jì)主要依據(jù)電力系統(tǒng)回路、負(fù)荷性質(zhì)等參數(shù)，并且要考慮供電可靠性及所提供電能質(zhì)量。文峪河水電站為中型水電站，承擔(dān)著城市供水、農(nóng)業(yè)灌溉、抗旱排澇等任務(wù)，必須保證供電的可靠性。電氣主接線的設(shè)計(jì)如果太復(fù)雜，則會(huì)增大誤操作的可能，但設(shè)計(jì)過于簡單則難以滿足基本運(yùn)行要求，導(dǎo)致停電次數(shù)和延誤時(shí)間增加，影響水電站運(yùn)行效率。此外，主接線的設(shè)計(jì)還必須考慮水電站機(jī)組容量擴(kuò)大及主變壓器擴(kuò)容、饋電線路擴(kuò)建等的可能。綜上，文峪河水電站電氣主接線設(shè)計(jì)提出方案見表1。

表1 文峪河水電站電氣主接線設(shè)計(jì)方案比選

山西文峪河水電站電氣主接線方式的選擇應(yīng)充分考慮系統(tǒng)運(yùn)行的可靠性和經(jīng)濟(jì)性，通過對上述三種方案的綜合比較，方案一在經(jīng)濟(jì)性上最優(yōu)，方案二則具有較高的可靠性，但經(jīng)濟(jì)性略差，考慮到該水電站資金方面的情況，最終選擇方案一。

2.2 變壓器的確定

2.2.1 主變壓器

（1）主變壓器額定容量

山西文峪河水電站主變壓器設(shè)計(jì)包括變壓器型號(hào)、臺(tái)數(shù)、容量、繞組連接方式、調(diào)壓方式及阻抗等的確定。該水電站發(fā)電機(jī)就近區(qū)域用電負(fù)荷不大，所以，完全可以根據(jù)水輪發(fā)電機(jī)容量進(jìn)行主變壓器容量的確定。當(dāng)主變壓器負(fù)荷＜100%時(shí)，負(fù)荷每減少1%，主變壓器溫度便降低1℃，水電站主變長時(shí)期低負(fù)荷運(yùn)轉(zhuǎn)的情況下，將主變用至滿負(fù)荷是允許的[1]。

文峪河水電站容量1250 kVA 水輪發(fā)電機(jī)組2 臺(tái)，其主變額定容量為1250×2=2500 kVA，考慮到水電站水輪發(fā)電機(jī)組有功功率的情況，所以主變額定容量S=P/cosΦ=1250×2/0.8=322.5kVA。項(xiàng)目區(qū)極端環(huán)境氣溫為36.5℃和-12.4℃，年平均氣溫16.4℃，所以主變運(yùn)行溫度在5℃～35℃且長時(shí)間按額定負(fù)荷運(yùn)轉(zhuǎn)，其額定容量為423.75 kVA。主變運(yùn)行最高環(huán)境溫度≥35℃且長時(shí)期在額定容量下運(yùn)轉(zhuǎn)，其額定容量為718.75 kVA。

所以該水電站主變壓器容量應(yīng)該略大于553.75 kVA 和838.75 kVA，綜合考慮水電站實(shí)際情況后，確定選用實(shí)際容量為600 kVA 和850 kVA 的兩臺(tái)主變壓器。

（2）主變壓器型式及繞組連接方式

根據(jù)《水電站機(jī)電設(shè)計(jì)手冊》，330 kV 及以下水電站通常選用三相主變壓器接入，機(jī)組容量120 MW 及以下發(fā)電廠選用三繞組變壓器，而機(jī)組容量120 MW 以上發(fā)電廠則選用雙繞組變壓器。考慮到文峪河水電站機(jī)組運(yùn)行實(shí)際以及對變壓器運(yùn)行可靠性的要求，在忽略運(yùn)輸條件的情況下，該水電站主變壓器選用三相雙繞組型式[2]。

為確保變壓器與電氣系統(tǒng)的并列運(yùn)行，其繞組連接方式必須與電氣系統(tǒng)電壓相位保持一致，水電站電氣系統(tǒng)繞組連接方式包括三角形和星形兩種，必須根據(jù)工程實(shí)際確定具體的連接方式。結(jié)合國內(nèi)水電站電氣接線設(shè)計(jì)實(shí)踐來看，110 kV 及以上電壓的變壓器通常都采用Y0 繞組連接方式，35 kV 及以下電壓則采用△的繞組連接方式，為此，文峪河水電站主變壓器選擇Y0/△的繞組連接方式。

（3）主變壓器調(diào)壓方式

對于變壓器常見的無勵(lì)磁調(diào)壓和有載調(diào)壓兩種方式而言，有載調(diào)壓方式效果明顯，調(diào)壓范圍廣，其對主變電壓的調(diào)節(jié)范圍在±20%及以上，可以在系統(tǒng)與變壓器之間互相傳送功率。無勵(lì)磁調(diào)壓方式的調(diào)壓范圍僅有±5%，但經(jīng)濟(jì)性比有載調(diào)壓方式好，考慮到文峪河水電站實(shí)際情況，采用無勵(lì)磁調(diào)壓方式。文峪河水電站所選用的S11-315/10、S11-630/10 主變壓器特性參數(shù)見表2。

2.2.2 自耦變壓器

考慮到文峪河水電站廠區(qū)用電的實(shí)際負(fù)荷，電壓升高過程中所需的聯(lián)絡(luò)變壓器選擇與主變?nèi)萘肯嗤淖择钭儔浩?，其低壓繞組同時(shí)可作為備用及啟動(dòng)電源。按照裝機(jī)容量0.8%確定文峪河水電站廠區(qū)用電負(fù)荷，其自耦變壓器具體參數(shù)取值見表3。

2.3 短路電流的選擇

短路電流的選擇也是文峪河水電站電氣主接線設(shè)計(jì)的一個(gè)重要方面，為確保所選擇電氣設(shè)備安全可靠運(yùn)行，檢驗(yàn)開關(guān)設(shè)備開斷電能力，校驗(yàn)變電設(shè)備熱穩(wěn)定值等，都必須進(jìn)行具體時(shí)刻短路電流有效值的選擇與確定。文峪河水電站短路電流主要是三相短路，具體見圖1。

圖1 文峪河水電站短路類型及短路電流

文峪河水電站短路電流的確定，應(yīng)選擇可能出現(xiàn)最大短路電流的接線方式，而非僅能切換并行的接線方式[3]，所以選擇主母線220 kV 和110 kV，220 kV 主母線側(cè)發(fā)電機(jī)出口，110 kV 主母線側(cè)發(fā)電機(jī)出口作為三相短路電流的計(jì)算點(diǎn)。短路電流測試結(jié)果見表4。

表2 主變壓器性能參數(shù)

表3 水電站自耦變壓器參數(shù)取值

表4 短路電流測試結(jié)果

3 結(jié)論

文峪河水電站機(jī)組擴(kuò)容過程中，主變壓器的額定容量、型式及繞組連接方式，自耦變壓器及短路電流的選擇等等必須科學(xué)設(shè)計(jì)，技術(shù)上可行，運(yùn)行可靠、經(jīng)濟(jì)。文峪河水電站運(yùn)行實(shí)際表明，其電氣主接線設(shè)計(jì)完全合乎水電站運(yùn)行實(shí)際，電站年發(fā)電規(guī)模顯著增大，運(yùn)行效率顯著提升。