黄河龙口水利枢纽电气一次设计

李力伟 梁帅成 李伟博

龙口水利枢纽是黄河北干流托龙段的第2个梯级电站,距上游万家寨水利枢纽(180mW×6)25.6km。龙口水电站装机5台,其中4台机组单机容量为100mW,1台机组单机容量为20MW,多年平均发电量13.02亿kW◦h,发电设备年利用小时数3100 h。本电站在系统中配合万家寨水利枢纽运行,其中400MW装机用于晋蒙电网调峰,在系统中主要担负峰荷。20mW机组用于非调峰期间向河道泄放基流,参与系统基荷运行。

1 接入系统与主接线方案

龙口水利枢纽与万家寨水利枢纽隶属于同一建设管理单位,两个项目均系“三方投资、两侧送电”的建设管理模式,由水利部、山西、内蒙两省(自治区)投资建设。电站电力分别送入山西内蒙两省(自治区)。在电站初步设计阶段,两省电力设计单位就已经开展了龙口电站的接入系统设计工作,但由于接入系统方案涉及到山西内蒙两省(自治区)的国民经济发展规划、电网规划、股东权益、地方部门之间关系等诸多方面因素,导致从项目初步设计阶段到最终的实施阶段,接入系统方案发生多次变化,电站主接线方案也随之发生多次变化。

1.1 初步设计阶段的方案

在水电站初步设计阶段,经过两侧电网设计单位初步规划,龙口水电站的接入系统方案为:1#和2#机组共200mW容量,通过2回220kV线路“∏”接入山西电网;3#、4#、5#机组共220mW容量,通过2回220kV线路 “∏”接入内蒙电网。龙口电站接线应具备今后两省电网在此联网运行的条件,同时具备两省电网互相借用机组运行的条件。根据上述原则,经过技术经济比较后,水电站220kV侧采用双母线接线,详见图1。

电站运行初期不装设母联断路器,每回进出线的2个母线隔离开关之间设置闭锁,两侧机组分别接入各自的母线,2条母线类似2个独立的单母线方式运行。随着电网发展,如果两侧电网要求在龙口电站联网运行,则可以装设母联断路器,最终形成完整的双母线的接线形式。如果电站需要“借机”运行,可以通过隔离开关倒闸切换实现。

图1 初步设计阶段主接线图

1.2 优化设计方案

水电站初步设计完成后,两省(自治区)电力规划部门也相继完成了龙口电站接入系统方案的初步设计工作。经电力主管部门审定的接入系统方案为:山西侧以1回220kV线路,接入河曲变电站;内蒙侧以1回220kV线路接入宁格尔变电站,备用1个出线间隔。

在此期间,业主委托北京中水新华国际工程咨询公司召开了《黄河龙口水利枢纽工程设计优化咨询会》,会议的主要目的是要求尽量简化设计,以节省投资。会议中就龙口电站电气主接线是否考虑 “联网” 和“借机”运行的原则进行了讨论。

两侧电网虽然有联网的意向,但是在两网的接入系统报告及审查意见中均未提及此事,可以理解为“联网”事宜尚未进入实质性操作阶段,会议确定:龙口电站主接线可按照“不联网”原则设计。

“借机”运行有利于提高电站的经济效益,对于业主单位来讲是件好事,但是由于这种运行方式涉及到两省调度的协调问题,在实际操作上很难实现。上游万家寨水电站一直在与两网进行这方面的协调工作,但是一直未能实现借机运行。鉴于这种情况会议确定:龙口电站主接线按照“不借机”原则设计。

根据会议确定的 “不借机、不联网”的原则,设计条件和要求发生了变化。龙口电站220kV开关站可按照 “一厂两站”的模式设计,即山西侧和内蒙侧各设置独立的单母线接线,见图2。

1.3 主接线实施方案

图2 优化设计主接线图

工程进入实施阶段后,山西侧送出线路的设计、审批工作进展的较为顺利,送出工程的完工时间与首台机组发电的时间相吻合。

而内蒙侧电力需求增长速度放缓,电网调整了发展布局,龙口送出线路建设项目被暂时搁置。龙口建管局紧急与山西电网协商后,山西侧电网同意在一定时限内,龙口电站全部机组可以接入山西侧电网运行,待内蒙侧送出线路建成后仍然按照审定的接入系统方案运行。鉴于这种情况,龙口电站220kV接线又必须进行调整,在原有的2段母线之间加装了隔离开关。龙口建管局考虑到即使内蒙侧送出线路建成后,地区电力需求在短时间内也很难吸纳龙口所属机组的全部电力,担心电站效益受损,因此希望主接线能够实现内蒙侧机组“借机”至山西电网运行的功能。经过综合考虑后,主接线修改为图3形式。

图3 实施方案主接线图

目前,电站5台机组均接入山西电网运行,业主单位正在积极促成内蒙侧送出工程的建设。

1.4 厂用电接线

龙口电站的厂用电电源考虑3种方式引接:(1)发变单元的分支线上引接,由本站机组供电;(2)主变压器倒送厂用电;(3)从永临结合的施工变电站引接厂用电的事故备用电源。

电站厂用电系统供电范围不大,故采用一级电压供电并采用自用电和公用电混合供电方式。考虑到枢纽可能采用“一厂两站”运行模式,尽量考虑将厂用电系统的用电负荷根据机组段划分为山西侧供电区和内蒙侧供电区。电站共设置3组厂用变压器,其中41B、42B厂用变压器分别引接自1#、3#机组的发电机端,作为2个区域的主供电电源。43B厂用变压器作为备用电源使用,44B作为43B的备用。

2 主要电气设备选择

龙口电站主要电气设备均采用国内成熟产品,主要设备的参数如下:

(1)水轮发电机

(2)发电机电压成套封闭母线设备

(3)发电机断路器

(4)主变压器

(5)高压电缆

金属护层允许最大单相接地短路电流(3s)/kA 54.854.8电缆路径高差/m 2020金属护层接地方式 金属护套一端直接接地,一端保护接地敷设方式 在电缆廊道内空气中敷设,品字形布置

(6)220kV配电装置

(7)厂用变压器

3 主要电气设备布置

1#～4#机组发电机主引出线采用离相式封闭母线,分别从发电机风罩引至主厂房下游侧的机压配电室内。发电机断路器、PT柜及励磁变压器、厂用变压器等均布置在该配电室内。5#机组的主引出线采用共箱式封闭母线,机压配电装置采用12kV金属铠装中置柜,布置在5#机下游的5#机组机压配电室内。

电站四大一小5台主变压器从左至右依次布置在尾水平台上,相临2台主变压器外廓间的距离为22m。主变压器可以通过搬运轨道运至厂房安装间进行检修和维护。

变压器中性点隔离开关,避雷器及放电间隙等设备就近布置在主变压器旁边。

主变高压侧通过软导线与220kV电缆户外终端连接,220kV电缆沿尾水平台下的高压电缆廊道敷设进入到GIS室下电缆夹层,通过SF6终端与GIS设备连接。

关于220kV GIS开关站的布置,在工程初步设计阶段重点对尾水平台和左岸厂前区2个方案进行了技术经济比较。尾水平台方案采用SF6油气套管连接GIS与主变压器,布置更紧凑,投资略少,但是尾水平台振动问题对GIS设备的长期安全运行存在不利影响;厂前区方案采用高压电缆连接GIS与主变压器,投资较尾水平台方案略多,但是避免了振动问题带来的不利影响。最终采用了GIS布置在左岸场前区内的方案。

4 过电压保护及接地

4.1 过电压保护装置

(1)为防止静电耦合过电压危及主变低压侧线圈绝缘,在发电机电压母线处设置氧化锌避雷器。

(2)220kV GIS两条母线及送出线路入口处,装设220kV氧化锌避雷器。

(3)主变压器高压套管与220kV电缆终端头之间设置氧化锌避雷器。

(4)主变压器中性点采用隔离开关接地,并联装设氧化锌避雷器。

(5)5#发电机断路器柜内装有过电压保护器及阻容吸收装置。

(6)消防加压泵房及生活区等近区供电,设置隔离变压器供电。

4.2 直击雷保护装置配置

(1)开关站出线侧以避雷线为主要保护。

(2)枢纽所有建筑物均按规范要求进行防雷保护,建筑物顶部设置避雷带。

4.3 接地

(1)设计中主要采用设置人工接地网来降低接地电阻,在电站坝段上游基岩上明敷水下接地网,电站坝段下游侧沿尾水护坦内设置水下接地网,底孔坝段下游护坦内设置水下接地网。

(2)220kV高压电缆廊道、GIS室、GIS室下电缆夹层、GIS室屋顶出线场地以及尾水平台设置均压网,均压网采用长条网孔,均压带间距3 m,并间隔30m左右设置跨条。

(3)主副厂房各层均设置了用于设备接地的环形接地体,并间隔30m左右设置跨条。厂内所有电气设备均按要求接地,电缆桥架、支架等通过贯通接地扁钢连接。

(4)充分利用闸门槽、轨道等自然接地体。

电站总体接地电阻经实测后为0.11Ω,达到了设计要求的小于0.4Ω要求。