坪头水电站220kV配电设备选择和布置

王福春，杨 红

(中国水电顾问集团成都勘测设计研究院，四川 成都 610072)

1 前 言

坪头水电站共装3台60MW混流式水轮发电机组，总装机容量180MW，枯水年枯水期平均出力60.2MW，多年平均发电量8.61亿kW·h，年利用小时数4 783h。电站水库具有日调节性能，电站在系统中担负基荷和调峰任务。

发电厂房采用地下厂房型式，厂房枢纽主要建筑物由主副厂房、主变及GIS室、尾水洞、交通洞、出线兼排风洞、排水廊道及出线场组成。

2 电站接入系统及电气主接线

2.1 电站接入系统

坪头水电站接入系统的方式为：出线电压等级为220kV，一回220kV线路至柳洪水电站(线路长14km)，经柳洪水电站送入瓦吉吉220kV联合开关站(线路长8km)，整个梯级电站从联合开关站出线两回至普提500kV变电站(线路长27km)，其电力负荷送入四川主电网。另一回220kV线路至雷波220kV开关站。

2.2 电站电气主接线

电站电气主接线方案为：1号、2号机组与一台容量为150MVA的变压器组成扩大单元接线，3号机组与一台容量为75MVA的变压器组成单元接线，220kV侧为单母线接线，220kV出线2回路。

3 220kV配电设备的选择计算

3.1 短路电流计算

根据系统提供的220kV侧阻抗以及电站主变压器、发电机组的阻抗值进行计算。220kV侧母线三相短路电流11.36kA，冲击电流30.52kA，单相短路入地电流10.18 kA。

3.2 220kV开关设备的选择

坪头水电站厂房枢纽为地下工程，受地质条件的限制，地面不具备布置220kV开关设备的场地，需将220kV开关设备和主变压器均布置在地下洞室内。而GIS设备是集成的成套装置，占地面积小，能较好地适应本电站减小地下洞室开挖工程量的要求。所以电站的220kV开关设备选用GIS。

坪头水电站220kV开关设备采用GIS具有如下特点：

(1)运行可靠性高。由于GIS设备中所有元器件均装在全封闭的金属外壳内，与外部隔绝，减少了故障机率，极大地提高了设备运行的可靠性。

(2)自动控制程度高。GIS设备中的断路器、隔离开关、接地开关等均未电气操作，设备全组装在同一基础上，其机械操作灵活可靠性远高于常规敞开式开关设备，提高了电站自动控制的可靠性，有利于实现电站“无人值班，少人值守”。

(3)可改善电站的运行环境和运行管理条件。电气设备按常规布置存在着带油设备热胀冷缩后渗油的问题，这将直接影响到设备的使用寿命，加大了运行维护工作量。220kV开关设备采用GIS全封闭组合电器是解决以上问题的有效措施和办法。

坪头水电站的220kV GIS设备共有进线间隔2个、出线间隔2个、电压互感器及避雷器间隔1个。220kV GIS设备主要参数见表1。

表1 坪头水电站220 kV GIS设备参数

3.3 220kV高压电缆的选择

3.3.1 220kV高压电缆

根据电站厂房枢纽布置要求，220kV开关站邻近主厂房的下游侧布置，与户外220kV出线场经过约245m长的出线洞连接。因此220kV GIS设备与户外220kV出线场设备采用220kV高压电缆连接。

220kV交联聚乙烯(XLPE)绝缘电缆在我国已有10多年的制造和使用工程案例，技术已趋成熟。XLPE绝缘电缆已经取代油纸绝缘电力电缆并逐步取代充油电力电缆，且电压等级已发展到500kV，分割导体面积达到2 500mm2。XLPE绝缘电缆比充油电缆安装、维护方便，运行安全。坪头水电站220kV高压电缆采用交联聚乙烯(XLPE)绝缘电缆，电缆主要参数见表2。

表2 坪头水电站220 kV 高压电缆参数

3.3.2 220kV高压电缆载流量计算

根据IEC-60287标准和本电站所用电缆的相关参数，电缆额定载流量I计算如下：

=843(A)

式中Δθ——导体运行最大温升(50 ℃)；

Wd——电缆每相单位长度介质损耗(0.298 0W/m)；

R——导体工作温度下交流电阻(6.13E-05Ω/m)；

n——电缆芯数，n=1；

T1——绝缘热阻(0.664 7K·m/W)；

T2——内衬层热阻(0K·m/W)；

T3——外护层热阻(0.066 8 K·m/W)；

T4——外部热阻(0.390 3K·m/W)；

λ1——金属铝护套的功率损耗，0.043；

λ2——铠装层损耗0。

考虑在同一电缆走廊内敷设两回电缆，取载流量修正系数0.95，此时电缆载流量为800A。

3.3.3 220kV高压电缆短路电流计算

3.3.3.1 绝热情况下短路电流

式中IAD——在绝热基础上计算的短路电流(整个短路期间有效值)，A;

t——短路持续时间，s；

K——载流体材料的常数，As1/2/mm2；

θf——最终温度，℃；

θi——起始温度，℃；

β——0℃时载流体电阻温度系数的倒数，K；

S——载流体几何截面，mm2。

3.3.3.2 铜导体非绝热因数ε的公式

对于XLPE绝缘铜电缆，其中参数取值如下：

X=0.41；Y=0.12；S=导体截面；t=短路时间。

3.3.3.3 铝护套非绝热因数ε的公式

式中M=0.092 5；

t——短路时间。

3.3.3.4 非绝热情况下短路电流计算公式

I=ε×IAD

式中I——非绝热情况下的允许短路电流；

IAD——绝热情况下的短路电流。

220kV高压电缆短路电流计算结果见表3。电缆短路电流大于30kA/3s ，满足本电站的使用要求。

3.3.4 220kV高压电缆过负荷电流计算

电缆导体正常工作温度为90℃,在规定时间内允许电缆短时过载，过载时间在10min到2h时内，导体的温度允许为105℃，对电缆使用无影响。

表3 220kV高压电缆短路电流计算

过载允许电流由下式确定：

式中Ii——导体容许最高运行温度时的电流;

Ic——导体正常工作温度时的电流750A;

θi——导体容许最高运行温度105℃;

θc——导体正常工作温度90℃;

θ0——环境温度40℃。

3.3.5 220kV高压电缆金属护层感应电压计算

根据GB 50217-2007《电力工程电缆设计规范》及本电站采用电缆的相关参数，电缆金属护层感应电压计算如下：

3.3.5.1 正常运行时感应电压

B相电缆的感应电压：Es=LLXs=25(V)

AC相电缆的感应电压：

α=(2ωln2)×10-4

ω=2πf

式中L——电缆金属层的电气通路上任一部位与其直接接地处的距离(最大)，0.298km；

I——电缆导体正常工作电流750A；

S——电缆相间距300mm；

r——电缆金属护套平均半径；

f——工作频率。

3.3.5.2 短路时感应电压

短路时电缆导体短路电流约57 000A，其他参数同上，电缆感应电压计算如下：

B相电缆的感应电压：Es=LIXs=1 905(V)

AC相电缆的感应电压：

3.4 220kV高压电缆附件的选择

3.4.1 220kV高压电缆附件

220kV(XLPE)绝缘电缆一端采用干式GIS终端与SF6GIS设备连接，另一端采用瓷套型户外终端与户外出线设备连接。220kV高压电缆附件参数见表 4。

表4 220 kV 高压电缆附件参数

3.4.2 220kV高压电缆终端电场分布的设计计算

电缆附件(户外终端和GIS终端)计算过程：将产品结构尺寸、绝缘材料介电常数及额定电压U0值作为边界条件输入有限元电场分析计算程序，计算得出系列产品的电位分布图和关键部位电场强度数值图，然后进行结构优化调整再次分析计算后按产品电气性能指标进行校核，最终确认产品结构尺寸。

3.4.2.1 瓷套型户外终端

经有限元电场分析计算得出瓷套型户外终端的场强如下：

(1)在U0电压下电缆绝缘与应力锥界面最高切向场强为0.53kV/mm，整个界面电位分布较为均匀，满足要求。

(2)在U0电压下橡胶半导电应力锥与橡胶绝缘界面最高场强为 1.81kV/mm，满足要求。

(3)在U0电压下终端瓷套外绝缘表面最高切向场强为0.23kV/mm，满足要求。

3.4.2.2 干式GIS终端

经有限元电场分析计算得出干式GIS终端的场强如下：

(1)在U0电压下电缆绝缘与应力锥界面最高切向场强为0.56kV/mm，整个界面电位分布较为均匀，满足要求。

(2)在U0电压下应力锥与环氧套管界面最高切向场强为0.58kV/mm，整个界面电位分布较为均匀，满足要求。

(3)在U0电压下环氧套管外表面最高切向场强为0.47kV/mm，整个界面电位分布较为均匀，满足要求。

(4)在U0电压下环氧套管内部嵌入屏蔽电极表面最高场强为1.59kV/mm，满足要求。

(5)电应力锥与橡胶绝缘界面在U0电压下最高场强为1.31kV/mm，满足要求。

4 220kV电气设备的布置

4.1 220kV开关设备的布置

220kV升压站邻近厂房下游侧布置，为两层结构：一层与发电机层同高程(602.50m)，布置有1号、2号主变压器。主变室层高11m，占地面积38.7m×14.4m(长×宽)。二层为GIS设备层，地面高程613.50m，GIS室层高11.5m，布置GIS开关设备。GIS设备主要包括进线间隔2个、出线间隔2个、电压互感器及避雷器间隔1个。进线间隔采用SF6管道母线与主变直连，以节省空间。出线间隔与220kV电缆干式终端相连。见图1、2。

4.2 220kV电缆的布置

220kV电缆沿出线电缆道敷设，2个回路电缆分2层平行敷设，并且每回路电缆沿线敷设成蛇形，敷设时半波长一般在5～6m，敷设的弧幅一般为200mm左右。

图1 GIS楼平面设备布置

图2 GIS楼纵剖面设备布置

4.3 220kV户外出线场

220kV户外出线场结合地形布置，2回路出线分别沿美姑河上下游方向出线。户外出线场布置有线路隔离开关、电压互感器、避雷器和高压电缆终端等。出线场占地面积为22m×20m。

5 结束语

水电站电压配电开关设备布置一般受限于电站厂房布置。特别是坪头水电站地质条件较差，受到地形、地质条件的制约，选择的电压配电开关设备应尽量减小洞室开挖。结合坪头水电站厂房枢纽要求，220kV配电设备采用GIS开关设备及XLPE绝缘电缆，既适应了电站的特殊地面地质条件，又满足了电站设备运行可靠性、电站自动控制的可靠性要求，有利于实现电站“无人值班，少人值守”，满足系统和电站对设备运行可靠、实现自动化操作的要求。

参考文献：

[1] 水电站机电设计手册编写组.水电站机电设计手册(电气一次)[M].北京：水利电力出版社，1982.

[2] IEC60287-2-1 ELECTRIC CABLES-CALCULATION OF THE CURRENTRATING，2006.

[3] 中国电力科学院.气体绝缘金属封闭电器技术条件[M].北京：中国电力出版社，2010.

[4] 中国电力工程顾问集团西南电力设计院.电力工程电缆设计规范[M].北京：人民出版社，2007.