紫坪铺水利枢纽工程厂用电系统设计分析

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(水利部四川省水利水电勘测设计研究院，成都 610072)

1 概 述

紫坪铺水利枢纽工程位于四川省成都市西北约60km处的岷江上游，地处都江堰市麻溪乡，距都江堰市约9km，建有高速公路和高等级公路与成都市相通。该工程以灌溉和供水为主，兼具发电、防洪、环境保护、旅游等综合效益，是都江堰灌区和成都市不可替代的控制性水源工程。

大坝为混凝土面板堆石坝，最大坝高156m，水库正常蓄水位877m，总库容11.12亿m3。电站总装机4×190MW，年发电量34.7亿kW·h，年利用小时数4496h。电站具有不完全年调节性能，承担系统的调峰、调频、事故备用等作用，是川西电网比较经济的调峰调频电源。

电站发电机端电压为13.8kV，以500kV电压等级接入电力系统。对该水电站采用了“无人值班(少人值守)”的运行方式设计，通过计算机监控系统，对电站、泄洪大坝等重要设施进行监视和控制，电站及各功能设施的运行自动化水平很高，相应要求更高的厂用电系统的运行可靠性水平。

2 厂用电设计

2.1 设计原则

厂用电设计，应按照水力发电厂的运行、检修、初期发电和分期过渡全面考虑，使设计达到经济合理、技术先进，保证机组安全、经济和满发运行。

2.2 厂用电源的选取

由于紫坪铺电站处于地震多发区，并有可能出现其他一些自然或人为灾害的影响，将会导致电站厂房排水系统(包括主辅机的渗漏排水、生活排水等)失去作用；全厂消防系统(包括消防水泵、火灾报警、通风排烟等)失去作用；工业电视无法监视；闸门无法控制，水位信号消失；通信中断。因此，要求在设计时应考虑采用有效措施保证厂用电源不失或在短时间内恢复厂用电源，使电站的设备正常运转，在灾害时尽量减少损失。

因此，厂用电源必须满足各种运行方式下的厂用电负荷需要，并保证供电可靠。当一个电源故障时，另一个电源应能自动或远方操作切换投入。当全部机组运行时，必须保证不少于3个独立的电源；当部分机组运行时，至少有2个厂用电源同时供电；当全部机组停止运行时，必须保证至少有2个独立的电源，但允许1个电源处于备用状态。

2.3 紫坪铺电站厂用电供电电源

根据上述原则，该电站厂用电供电电源的取得方式主要有以下几种：

a.从发电机端电压母线上取得。从发电机电压母线上取得厂用电电源在水电站厂用系统中应用很普遍，该方式接线简单，布置方便。由于该电站所有机组发电机出口均设有发电机断路器(GCB)，厂用电源可从发电机断路器和主变压器间引接，正常情况下可由机组供给厂用电电源，作为主电源。

b.使用施工时用电电源。保留施工用电电源作为备用电源。施工电源实为电站在修建时利用附近地方电网供电的电源。当电站处于投产试运行阶段时，可作为保障电站试运行和开机的厂用电源。当电站正式投入运行后，可作为主电源的第二备用电源。

c.采用电力系统倒送电源。当电站正式投入运行后，若机组停运时，可从500kV电力系统倒送电源，作为主电源的第一备用电源。但在倒送电力系统电源作为厂用电源时，由于主变压器容量较大，造成空载损耗较高。但总体上该电源供电相对可靠，操作简单，调度方便，可节省投资。

d.使用柴油发电机组作为备用电源。在该电站中，仅在泄洪洞配电中设置柴油发电机，作为其保安备用电源，以确保电站在电源失电的紧急情况下，泄洪闸门能够正常起降，以确保电站安全。

2.4 紫坪铺电站厂用电电压

该电站厂用电系统电压共2级：10kV和400V。通常情况下这两种电压等级均能满足供电容量、供电距离和供电质量要求。由于电站发电机端电压为13.8kV，因此先利用降压变压器降压至10kV再供电。

值得提出的是，由于紫坪铺水电站属于大型电站，对于辅机设备要求很高，在设计时对于机组的检修排水泵用电负荷要求很大，因此，对于大容量厂用电动机的额定电压，目前我国高压电动机额定电压采用6kV和10kV两种电压等级供电。该电站检修排水泵额定功率为220kW，因此配用了10kV电动机，设计将检修排水泵直接接在10kV厂用系统母线中为其供电是合理的。

4.3.3 田间管理。①前期管理。栽苗后3d，查苗补苗；遇旱天，浇水促苗。封垄前锄地灭草。②中期管理。及时排涝防旱，拔除杂草，避免损伤茎叶。提秧控旺防止秧蔓垄底结地瓜。③后期管理。注意防旱排涝，保护茎叶。

3 厂用电系统接线

3.1 紫坪铺电站厂用电系统接线

a.电站10kV厂用电电源主要由发电机端电压13.8kV经厂高变降压至10kV，其次是由500kV系统倒送降压和原10kV施工电源(外来电源)作为备用电源。

b.电站共4台装机，因高压辅机设备不多，因此采用每2台机组供电一段母线，并互为备用，即10kV系统母线共分三段，1、2号机组分别经厂高变THA1、THA2降压接厂用10kVⅠ段母线上；3、4号机组分别经厂高变THA3、THA4降压接厂用10kV Ⅲ段母线上；外来电源白枢线、岷枢线接厂用10kVⅡ段母线上。三段母线之间利用母联断路器连接。这样，每段母线都有两回独立的电源，可以保证提高供电的可靠性。厂用电10kV系统接线情况见下页图1。

图1 厂用电10kV系统接线情况

c.厂区内分别设置了机组自用电系统、公用电系统和照明用电系统等。每个系统均从10kVⅠ段和Ⅲ段母线上取得供电电源，两个电源互为备用，保证了其供电的可靠性。

d.泄洪闸厂用电源一回从电站的厂用Ⅰ段母线引1回10kV电源至泄洪闸配电Ⅱ段母线，作为主电源；一回从10kV外来电源白青线引至Ⅰ段母线，作为备用电源；并设置柴油发电机作为保安电源。详细接线情况见图2。

图2 泄洪闸厂用电源接线情况

3.2 紫坪铺电站厂用电系统运行方式

正常运行时，10kV Ⅰ段母线由1号厂高变THA1(或2号厂高变THA2)供电，10kV Ⅲ段母线由3号厂高变THA3(或4号厂高变THA4)供电；10kV外来电源白枢线、岷枢线作备用。当10kV Ⅰ段母线失电时，10kV备自投装置动作，10kV Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ段联络运行；当10kV Ⅲ段失电时，10kV备自投装置动作，10kV Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ段联络运行；当10kV Ⅰ、Ⅲ段同时失电时，10kV备用电源自动投入装置动作，外来电源白枢线或岷枢线带10kV Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ段母线联络运行。

4 系统中主要设备的选择

4.1 紫坪铺电站高压厂用变压器型式选择

为了更好地满足水电站的布置、防火及节能要求，电站13.8kV高压厂用变压器选用环氧树脂浇注干式变压器。干式变压器安全、耐燃性能高，具有良好的环保特性、免维护、安装简便、综合运行成本低、防潮性能好等特点，可在100%相对湿度下正常运行，停运后不经预干燥即可投入运行；还具备损耗低、局部放电量低、噪音小、散热能力强、体积小、强迫风冷条件下可以150%额定负荷运行等优点，更适合于在水电站中采用。

高压厂用变压器高压侧与发电机离相封闭母线连接，为防止发电机发生机端相间短路，机端均采用单相设备。13.8kV变压器选用单相干式无励磁调压变压器组，接线组则分别为Y/Δ接线。

4.2 紫坪铺电站厂用变压器容量选择

厂用变压器容量是根据负荷统计法确定的，不仅与各种系统辅助设备的容量有关，而且也与辅助设备不同时期、不同运行工况、不同运行方式有关，对紫坪铺电站负荷波动变化较大。

发电机端引接4组高压厂用变压器，分3段母线运行，每段母线的2台变压器互为备用。每段母线中的每台高压厂用变压器能承担厂内50%的机组(即2台机组)自用负荷、公用负荷、照明负荷等。根据负荷统计法计算，13.8kV高压厂用变压器选择的计算容量应为1486.84kVA，故13.8kV高压厂用变压器选择的容量应为1600kVA，共4台。

4.3 紫坪铺电站厂用其他设备选择

对于该电站高压厂用变压器高压侧设备的选择，在初步设计中，仅考虑直接从发电机端引出离相共箱母线直接与厂高变连接，但是这样厂用变压器高压套管附近发生短路时，由于短路电流可高达上百千安，无法选定合适的断路器。而对于水电站来说，厂用电率不足1%，这一短路电流比厂用变压器额定电流高近千倍，这将使厂用变压器遭到严重损坏，对发电机本身也有直接的影响。因此，在最终设计时加入了高压限流熔断器组合保护装置FUR 。

FUR装置主要由高压限流熔断器FU、高能氧化锌非线性电阻FR与真空断路器和隔离开关组合对厂用变压器进行保护。

厂用变压器高压侧加装FUR装置有如下优点：

a.厂用变压器得到有效保护，避免因内部故障而发生爆炸事故。

b.厂用分支短路，对于主变压器是穿越故障，FUR的快速动作，使最大短路冲击电流降低，可避免主变压器因线圈变形而遭到损坏。

c. FUR快速切除厂用分支故障，可避免发电机长时间多次遭受强大的短路电流冲击。

因此将FUR组合保护装置运用在电站厂用电系统中，减少了设备的误动率，有效保护了主要电气设备，提高了电站的经济效益。

5 结 语

紫坪铺电站厂用电系统的总体方案设计，充分考虑了水电站的自身特点，从电源获取、接线方式、电源切换等几个方面实现了供电的可靠性和灵活性，为电站的安全运行奠定了基础。厂用电供电的安全稳定是现代化电厂实现无人值班模式的必要条件。由于紫坪铺水利枢纽是以灌溉和供水为主，担负着提供都江堰灌区的农业用水和成都市的生活、工业用水任务，故紫坪铺电厂厂用电系统的安全稳定运行尤为重要。厂用电系统有足够的备用电源点，是下游供水安全和全厂机组安全经济稳定运行的重要保证，在同类型工程设计中应予以重视。

[1] DL/T 5186—2004 水力发电厂机电设计规范[S].

[2] DL/T 5164—2002 水力发电厂厂用电设计技术规范[S].