水电站接入近距离变电站主接线优化设计的探讨

丁洁晶，马志龙，张晓军

（1.杭州水利水电勘测设计院有限公司，浙江 杭州 310012；2.水利部海委引滦工程管理局大黑汀水库管理处，天津 300384）

水电站接入近距离变电站主接线优化设计的探讨

丁洁晶1，马志龙1，张晓军2

（1.杭州水利水电勘测设计院有限公司，浙江 杭州 310012；2.水利部海委引滦工程管理局大黑汀水库管理处，天津 300384）

一般水电站与电网变电站距离较远，它们的主接线各自独立，水电站出线通过输电线路接入电网变电站。当水电站与电网变电站距离较近时，在满足电站与变电站运行管理的前提下，可将主接线设计优化，以节省项目的建设成本，简化运行操作。本文以格鲁吉亚KHELVACHAUR-I水电项目的施工设计为案例，通过对相关设备的选型、计算校验及分析，并在满足相关标准规范和当地运行管理要求的前提下，取消了输电线路两侧的开关及保护，仅保留电站厂房内36 kV开关及保护设备，以“站变合一”的方式优化了变电站主接线的设计。

水电站；变电站；优化设计；站变合一

1 工程概况

格鲁吉亚共和国KHELVACHAURI-1水电站项目坐落于黑海东部克鲁河下游，电站及开关站厂址位于巴统省乔治区。电站共装设6台贯流式水轮发电机组（5×9100kW+1×1980kW），总装机47.48MW，电站电气主接线采用发电机-变压器单元接线，5台9 100 kW发电机各通过1台11 000 kVA变压器升压成34.5 kV电压，1台1 980 kW发电机通过1台2 400 kVA变压器升压成34.5 kV电压。电站升压变34.5 kV侧为单母线接线，电站采用34.5 kV一回电缆出线，至距电站厂址约300 m的110 kV KHELVACHAURI-1变电站，电站主接线示意图见图1。

图1 KHELVACHAURI-1水电站主接线示意图

110 kV KHELVACHAURI-1变电站为KHELVACHAURI-1及KHELVACHAURI-2水电站共用的枢纽变电站，变电站内设 2台 50（62.5）MVA-110/34.5 kV主变压器，主变110 kV侧采用主母线和旁路母线接线，110 kV侧设置3回出线，分别至Batumi变电站和KIRNATI水电站，另一回出线预留；1号主变34.5 kV侧与KHELVACHAURI-1电站厂房36 kV出线相连，两者相距约为300 m，2号主变为预留位置。变电站主接线方案见图2。

图2 KHELVACHAURI-1变电站设计主接线示意图

2 优化设计方案的提出

原工程主接线方案中，在KHELVACHAURI-1电站厂房处36 kV出线侧设置有36 kV开关、配电装置柜及相关的保护设备；而在110 kV KHELVACHAURI-1变电站，36 kV进线和110 kV主变低压侧均设置有36 kV开关、配电装置柜及相关的保护设备。

根据本工程实际情况，即电站至变电站的输电线路较短，约为300 m电缆线路；电站和变电站属同一个建设单位和运行管理单位；业主希望电站与变电站建成后统一运行管理；且投资方也有优化电站与变电站36 kV系统接线的意向。

因此，我们提出了取消输电线路两侧的36 kV开关及保护设备，即取消厂房36 kV出线和变电站36 kV进线的开关和保护设备，将变电站110 kV主变低压侧的开关及保护设备移至300 m外的厂房内，即利用电站36kV出线开关柜作为变电站110kV主变低压侧开关柜，相当于取消了变电站内整套36 kV开关柜及相关的保护设备。实际上，优化后的主接线方案把电站和变电站两个独立的工程合二为一，构成了一个整体，即“站变合一”。此方案对于变电站来说，既降低了工程的建设成本，又简化了电站和变电站的操作流程。优化后的变电站主接线见图3。

图3 优化后的变电站主接线示意图

3 对于优化设计方案的可行性研究

对于优化设计方案是否满足规程规范及电站安全运行的要求，我们通过下列相关设备的选型计算和校验进行可行性研究。

3.1 主变低压侧电缆的选择与校验

3.1.1 按允许载流量选择电缆

已知1号主变额定容量SN（62 500 kVA）及低压侧额定电压Ue（34.5 kV），

根据电流计算公式：

取桥架敷设系数为0.7，则主变低压侧电缆要求持续工作电流Ix取为1 494 A。

选择3×3×（YJV-35-1×240）电缆作为1号主变低压侧接入电缆。

查电缆样本，电缆YJV-35-1×240在40℃时，其在空气中的允许载流量IY为650 A，本例采用3根并用出线，则3根电缆总允许载流量I3-Y为1 950 A。

因此，3根电缆总允许载流量I3-Y大于主变低压侧要求持续工作电流Ix，满足要求。

3.1.2 校验主变低压测电缆的电压降

已知1号主变低压侧接入电缆长度L=300 m；低压侧额定电压Ue（34.5 kV）。

查35 kV交联聚乙烯绝缘电缆的参数表得，电缆感抗X为0.18 Ω/km，电缆电阻R为0.060 1 Ω/km。

根据电压损失计算公式：

计算得电缆电压损失△U%为0.21%，即△U%＜10%，电缆电压损失校验满足要求。

3.2 电流互感器二次电缆的选择与校验

3.2.1 电流互感器交流回路二次电缆的选择

已知主变压器低压侧36kV电流互感器（CT）额定电流比为：1200/1/1/1A；准确度等级为：5P20/5P20/0.5；

二次绕组的额定容量为：30VA/30VA/30VA

根据设计规范及主变距离低压柜距离较远的实情，二次控制电缆采用4 mm2截面的铜导线。

3.2.2 电流互感器（CT）负荷校验

根据电流互感器（CT）二次回路阻抗计算公式：

Z2=Zj+Zx+Zc

公式中：Zj-测量、保护装置电流线圈的阻抗，单位为Ω；

Zx-二次电缆的阻抗，单位为Ω；

Zc-连接导线的接触电阻，一般取0.1 Ω。

由电流互感器（CT）产品参数可知，保护装置或测量仪表二次电流功率消耗均不大于0.5 VA，所以，计算得测量、保护电流互感器（CT）电流线圈的阻抗Zj为0.5 Ω。

二次控制电缆采用4 mm2截面的铜导线，查表得，电缆阻抗值为：R=5.197 Ω/km，X=0.119 Ω/km，电缆长度按300 m计算，

导线Zx=5.198×0.3=1.56 Ω；得二次控制电缆阻抗Zx为1.56 Ω。

因此，电流互感器（CT）二次回路阻抗Z2=Zj+Zx+Zc=0.5+1.56+0.1=2.66 Ω。

已知CT二次电流I=1 A

CT二次负荷S=I2Z2=12×2.66=2.66 VA＜30 VA

所以，计算得其二次负荷S为2.66 VA，小于其额定容量30 VA，满足规范要求。

3.3 电压互感器二次电缆的选择与校验

3.3.1 电压互感器（PT）二次电缆的选择

已知主变压器低压侧36 kV电压互感器（PT）选择参数如下：

根据设计规范及常规设计经验，电压互感器（PT）二次控制电缆采用2.5 mm2截面铜导线。

3.3.2 电压互感器（PT）的二次负荷校验

根据电压互感器（PT）二次回路阻抗计算公式：

Z2=Zj+Zx+Zc

公式中：Zj-测量、保护装置电流线圈的阻抗，单位为Ω；

Zx-二次电缆及导线的阻抗，单位为Ω；Zc-连接导线的接触阻抗，一般取0.1Ω。

由电压互感器（PT）产品参数可知，保护装置或测量仪表二次电流功率消耗均不大于1 VA，所以，计算得测量、保护电压互感器（PT）电流线圈的阻抗

二次控制电缆采用2.5 mm2截面的铜导线，查表得，电缆阻抗值为：R=8.4 Ω/km X=0.27 Ω/km，电缆长度按300 m计算，

导线Zx=8.404×0.3=2.52 Ω，得二次控制电缆阻抗Zx为2.52 Ω。

Z2=Zj+Zx+Zc=3333+2.52+0.1=3335.92 Ω

故，电压互感器（PT）二次回路阻抗 Z2为3 335.92 Ω，

所以，计算得其二次负荷S为1 VA，小于其额定容量90 VA，满足规范要求。

3.3.3 电压互感器（PT）二次控制电缆的电压降校验根据二次控制电缆电压损失计算公式：

计算得电缆电压损失△U%为0.078%，满足电压互感器（PT）二次回路电缆电压损失△U%＜3%的规范要求，二次控制电缆选用合适。

3.4 二次控制及信号回路的电缆选择及校验

3.4.1 控制电缆的选择

经统计计算，本控制及信号回路的最大功率不大于50 W，根据设计规范及设计经验，控制电缆采用2.5 mm2截面的铜导线。

3.4.2 二次控制电缆的电压降校验

已知控制及信号回路采用DC 110 V系统，U=110 V。

计算得本回路的二次装置电阻R=U2/P=1102÷ 50=242 Ω

已知控制电缆距离按照300 m考虑，导线采用2.5 mm2截面的铜导体。

导线电阻Rx=2×（8.4×0.3）=5.04 Ω；

根据二次回路电阻计算公式：R2=Rj+Rx+Rc=242+5.04+0.1=247.14 Ω

其中，连接导线的接触电阻Rc依然取0.1Ω。

根据二次控制电缆电压损失计算公式：

计算得电缆电压损失△U%为2%，满足控制及信号回路电缆电压损失△U%＜10%的规范要求，二次控制电缆选用合适。

4 结论

通过前文的选择、计算及校验可以看出，本工程取消变电站主变低压侧的开关及保护设备，采用“站变合一”主接线方案，技术上可行，经济上合理。既节约了工程项目的建设成本（约100万美元），又简化了电站和变电站的操作流程，同时也降低了项目将来的运行成本。因此，优化后的施工设计方案得到了业主的肯定和好评。

综上所述，对于中小型水电站与近距离变电站的工程，在地方电力系统中，只要建设与运行管理是同一个单位，就可以推广采用“站变合一”主接线方案，对节省工程投资，降低电站和变电站运行成本，具有一定的现实意义。

［1］格鲁吉亚KHELVACHAURI-1水电站合同及技术文件［Z］，2012.

［2］中国航空工业规划设计研究院，等.工业与民用配电设计手册［M］.3版.北京：中国电力出版社，2005.

［3］国家发展和改革委员会.DL/T 5186-2004水利发电厂机电设计规范［S］，2004.

［4］国家发展和改革委员会.DL/T 5056-2007变电所总布置设计技术规程［S］，2007.

［5］国家住建部和质检总局.GB/T 50062-2008电力装置的继电保护和自动装置设计规范［S］，2008.

TM645.1

B

1672-5387（2016）07-0029-04

10.13599/j.cnki.11-5130.2016.07.009

2016-05-04

丁洁晶（1982-），女，工程师，从事水电站及水利泵站的电气一次、二次设计工作。