几内亚苏阿皮蒂电站厂用电设计分析与推广应用

杜才明，杨 晴，高阳涛 (中国水利电力对外有限公司，北京 100120)

苏阿皮蒂水利枢纽工程是西非几内亚共和国孔库雷河梯级开发的第二级电站，距首都科纳克里135 km。本工程水库正常蓄水位对应库容63.17亿m3，为多年调节水库，装机容量450 MW，工程等别为Ⅰ等，工程规模为大(1)型。主要建筑物有碾压混凝土重力坝、坝后厂房、进场公路及桥梁等。

电站布置4台混流式机组，额定水头87 m，总装机450 MW，保证出力184 MW，设计年发电量2016 GWh。机端电压15.75 kV，发电机-变压器单元接线，通过8.6 km的225 kV双回线路与电站下游已建成的装机235 MW的凯乐塔水电站联网，电力除供应国内外，还有部分出口。

计算最大厂用负荷1 858 kVA，一级电压下400 V最大三相短路电流42.7 kA，单个最大厂用电机185 kW。枢纽布置集中，坝后式厂房，坝区负荷在400 V厂用电合理供电范围。施工期已从凯乐塔变电站引出2路30 kV施工电源，投产发电后作为永久性系统外来厂用电，并设置有30 kV高压配电装置，单母线分段接线。

工程于2016年4月正式动工，计划2020年9月首台机发电，2021年1月竣工。

1 变化历程

法国咨询公司早期规划的预可研设计，厂用电系统为5路电源，400 V一级电压供电，机组自用电与公用照明、坝区等负载分3段，如图1所示。可研详设阶段中方设计提供的方案为7路电源，10.5 kV和400 V两级电压供电，机组和公共、照明等用电全部分开，共27台套10.5 kV开关设备，14台厂用变，如图2、3所示。但10.5 kV并未直接利用，仅作为一级串联分配过渡电压。

图1 预可研厂用电系统图

图2 初步设计高压厂用电系统图

图3 初步设计低压厂用电系统图

上级单位组织的方案审查意见为：设计方案可行，但同时应研究一级电压方案的可行性。为此，进行相关设计规范的收集解读，寻找国内同规模、同类型电站一、二级电压应用实例，对本站有关供电区域负荷、400 V系统短路电流变化和设备选型进行计算分析，以确定切实可行的最终应用方案。

2 基本原则

水电站的厂用电设计，应做到安全可靠，技术先进，经济合理，根据电气主接线、枢纽布置、水能调节、运行方式等具体情况，合理制订设计方案，在满足规范要求、生产安全、运行可靠的情况下，尽量简化接线，节约能源，使后期的运行维护和检修工作灵活、方便，工作量较小[1-2]。

3 主要内容

3.1 规程要求

相应设计规程前后有两版：《水力发电站厂用电设计规程》DL/T5164-2002，以及《水力发电厂厂用电设计规程》NB/T35044-2014，为了较完整地掌握设计规范的本意实质，需要前后联系地看，并对各自的附录解释性《条文说明》进行认真解读。

其技术内容涉及电源引接、电压级数、接线方式、负荷统计分配、短路电流计算与厂用变压器选择等主要方面。但规程规范总体是原则要求和定性规定，具体执行中考虑的侧重点、设定边界条件的参照、甚至数据计算统计的结果都可能会存在人为的因素差异。本文就是试图进一步细化、量化这些边界条件，突出设计过程应考虑的重点，探讨工程应用的具体参照执行标准，不断提高设计应用的针对性和可操作性。

3.2 电源引接与数量

对于大型电站、发变组单元接线的厂用电源引接方式和数量，规程有明确要求，即部分机组运行时至少应有两路工作电源，全停时允许其中一路备用。本站前后两种方案，分别从2～4台机端引接，并从系统有2路30 kV外来电源，还有800 kW柴油发电机作应急电源，都是完全达到规范要求的。关于应急电源，法国技术咨询习惯、并倾向于单独安装1台应急小水电机组，而中国规范对此，包括安装柴油机组都是持谨慎态度。从实际运行看，确实必要性与应用效果较差。本站是一个溢流坝+底孔泄洪水库，保证出力达184 MW、有1台机接带基荷的调峰调频主力电站，且下游6 km处的另一个中型电站，有生态流量应急小机组和柴油发电机，两站之间通过225/30 kV凯乐塔枢纽变电站互联，防汛等特殊情况下的应急电源有一定需求，故保留了柴油发电机配置。

需求强调的是，电站所有厂用电源形式中，机端变电源是最可靠、应优先采用的主用电源。其引接数量其实还跟发变组之间是否设置机组出口断路器，以及有无系统外来电源有较大关系，这一点两版规程都未明确提出具体意见。由于水电站机组大都启停频繁，未设置断路器的机组停机须从主变高侧解列，会中断该机端变供电。为避免频繁倒换电源，保证厂用电稳定，应有来自系统的可靠电源引接，或机端变的数量宜取上限。由于本站无机组出口断路器，有2路系统30 kV外来电，最终设计将机端变取2台是可以的。只是当地电力系统可靠性不高，笔者倾向于取4台。

3.3 电压级数

水电站是否设置二级电压，设计规程的原则规定其实是明确的，即应根据负荷大小及分布、枢纽布置及供电距离等条件选定。但第一版规程解释较清楚，第二版规程不甚明了，具体边界条件不清，可操作性不强。这也是本站设计选型的关键点和主要分歧点。从实际应用看，中型及以下电站一般都采用一级电压，第一版规范也作了明确规定；大(1)型电站采用二级电压已是标配；大(2)型电站则两种应用例子都有，不过近年来有直接套用二级电压的趋势。这不好用简单的对错进行衡量，毕竟电站电气设备的投资比重较小，而且有时由于设计工期紧张，为了避免繁复的计算论证，直接套用二级电压不失为一种明智之选。二级电压标准高，电力系统发展与设备选型没有障碍，具有广泛的适用性。主要是有两级变压器串联、多台配电变分流后，对降低400 V系统短路电流，减小单台低压厂变容量、开关容量作用明显。

一、二级电压的优缺点是明显的，虽然供电可靠性并无高低之分。前者接线简单清晰，应用成熟广泛，运行操作与维护检修方便，建设成本低；后者接线复杂，运行方式灵活，但设备误操作与故障概率加大，运行维护工作量增加。另外，其厂变台数多，容量、阻抗电压进一步细化，两级厂变阻抗串联，400 V短路电流下降明显，设备选型容易。但需要增加一整套高压开关设备及数百平米的建筑面积，用于开关室、两级厂变布置，土建、高压开关设备、厂变与高压电缆等投资也明显增加。显然，采用哪一种方案，主要看条件许可和实际需要，若一级电压能满足要求，简单套用二级电压方案是不足取的。

第一版设计规程的《条文说明》中对采用二级电压的主要因素做了较明确说明，即有高压厂用电动机(一般容量大于315 kW)，或厂用电供电范围大，400 V供电从距离上有困难时，也就是高压(一般为10.5 kV)系统有直配供电负荷的才考虑。本站送审初步设计是二级电压方案，10.5 kV系统却不存在上述两种负荷，只是中间串接过渡系统而已。随着电力系统的不断扩大，以及户内配电变无油化的广泛推行，一级电压应用制约因素还需增加短路电流和干式变的最大制造容量限制等内容。对一级电压条件不完全满足的，亦可采取机组自用电与公用电由不同变压器分开供电，或选择高阻抗厂用变等措施弥补。下面由此做一个原则性的边界条件具体划分，供借鉴探讨。

3.3.1 一级电压

当计算最大总负荷<2 500 kVA，且负荷分布在400 V合理供电范围，最大电动机容量<315 kW，400 V短路电流计算设计年<50 kA，远景年<55 kA，应首选一级电压方案。这是因为目前400 V干式配电变最大容量为2500 kVA，各类低压开关的最大开断短路电流一般为65～70 kA。

需要指出的是，最大负荷统计与短路电流计算假设很多，不同的系数取值往往使结果差异较大。长期以来，最大负荷设计统计总体偏大，多个运行电站的多年实际最大负荷记录值只占计算最大负荷的30%～50%，甚至更低。

中型及以下电站一般总负荷较小，引接电源点少，厂变少，容量也不大，可采用机组自用电与公用电混合供电模式，每台厂变容量按全站最大负荷考虑，厂变之间互为暗备用，以简化接线与设备配置。

大(2)型电站如果只是计算负荷、短路电流超过上述边界，且2 500 kVA≤计算负荷<5 000 kVA，但将机组自用电与公用电分开供电后，每台厂变<2 500 kVA，短路电流也满足要求，仍可以采用一级电压。当机组台数较少，能接带基荷，或设置有机组断路器，外来厂用电比较可靠时，优先采用一级电压。

3.3.2 二级电压

大(1)型及以上电站，或大(2)型电站当计算最大总负荷≥5 000 kVA，应当采用一级电压。当2 500 kVA≤计算负荷<5 000 kVA，负荷分布超出400 V合理供电范围、最大电动机容量≥315 kW，以及将机组自用电与公用电分开后，400 V短路电流仍然设计年≥50 kA，远景年≥55 kA的，应选二级电压方案。

3.4 接线方式

经过以上分析，结合规范要求和电站实际情况，该站厂用电系统经过各方讨论后，最终确定采用一级电压方案。但机端变取几台，几种电源如何组合接线，400 V母线分几段，厂用负荷如何连接与供电，备自投方式如何实现，仍有多种方案可以选择，需要实现最优配置。

400 V母线一般按工作电源数采用单母线分段接线，但不宜超过5段。当电源数较多时，可采用分组分段，以避免串联断路器过多，不但备自投逻辑复杂，而且影响了电源之间互为备用的可靠性。经过设计、咨询间的讨论沟通，目前初步确定主母线分4段，其中Ⅰ、Ⅱ段为机端电源，Ⅲ、Ⅳ段为30 kV外来电源及柴油发电机，相互串接备用；从Ⅰ、Ⅱ段以两级辐射方式向机组、公用现地配电屏供电，双电源自动切换。

由于未设置机组出口断路器，现场主张4台机均引接机端变，这样加2路系统外来电和1台柴油发电机，共有7路电源。设计认为备自投逻辑复杂，难以实现，最后确定是从2台机引接机端变。

若厂用负荷重，系统短路阻抗小，又采用一级电压，机组自用电与公用辅助用电宜分别由不同变压器供电。机组自用电由本机主供，系统电备用，则每台机都应引接机端变，比较适合于机组台数少、无出口断路器的大型电站。机组自用电与全厂辅助公用电因此有混合供电、分开供电两种主要方式。

3.5 供电方式

3.5.1 混合供电

各种厂用负荷由机端变主供电，外来电为辅供电，互为备用，但要求每一台厂变均能接带全部负荷。主要适用于总负荷≤2 500 kVA的情况，其特点是厂用电独立自主，基本不从系统反购电。

3.5.2 分开供电

机组自用电各自独立，互为备用，辅助公用负荷从系统或地区外来供电，主要适用于单机容量大，全部厂用负荷>2 500 kVA，1台配电变容量不够的情况。其特点是比较适合机组无出口断路器接线，各种负荷相互独立，厂变容量小，400 V短路电流小。但每台机均需引接机端变，对电网可靠性要求较高，要向电网支付额外厂用电费用，营地生活用电想用电站自发电时不方便。

3.5.3 本站采用混合供电的优势

1)最大厂用负荷1 858 kVA，特殊运行方式下1台机端变就能接带全部负荷，厂用电中的任何重要负荷都无需依赖外来供电。

2)电站保证出力达184 MW，能保证1～2台机常年带基荷运行，不管采用2台还是4台机端变，机端厂用电都非常稳定，其可靠性超过其他任何电源。

3)必要时，单台厂变运行方式下仍有一定的富余容量可向生活营地供电。

4 变压器选型

室内厂用变压器选用环氧浇注式绝缘干式变压器已成为标配。容量2 000/2 500 kVA均可。联结组别国标推荐采用Dyn11，并且对机端为离相封闭母线、未设置厂用分支断路器的，推荐采用单相组合式变压器。而法国咨询更喜欢Yyn0+d联结组别，对中方选用单相组合变也不能理解。凯乐塔厂用电系统曾因按Yyn0联结组别设计出现了严重的三次谐波，后经Yyn0+d改造后得以消除。

Dyn11联结的主要优点：能有效消除三次谐波；承受不平衡负荷能力大；零序阻抗小，接近正序阻抗，可缩小各种短路类型的短路电流差异，简化保护方式。

Yyn0主要优点：空载和负载损耗略小；制造绝缘材料较省；零序故障电流小，故障接地时对设备损害小。但必须增加辅助d接线圈以消除三次谐波。

本站积极推行中国标准，采用Dyn11联结组别。一级电压下，短路阻抗应选择8%，以大幅降低400 V系统短路电流，适应电力系统发展，保证低压开关有足够的安全开断容量。考虑到实际运行的同时率×负荷率<0.5，由此增加的负载损耗在0.8 kW以内，完全可以忽略不计。另外，由于三相干式变压器结构上各相线圈已经是相互独立的，高压引线为硬连接敷以热塑套管，几乎不存在相间短路的可能性，其绝缘可靠性与金属封闭母线是匹配的。若采用三相变压器，造价和占地能进一步降低。

干式变在湿热带地区的应用应慎重，因潮湿、脏污和散热引起的故障率很高。户外配电变应首选油浸变，若选用箱式变电站(含开关站)，安装基础一定要架空高于地面一定距离，有可靠的排水、通风措施。

5 机组出口断路器

关于单元接线机组断路器与厂用电设计的关系，前面已提到对厂用电的影响，对机端变电源数量的选择参考。法国技术咨询在其完成的大中型电站主接线中，几乎所有发变组单元接线都未设置机组断路器，这一点与中国目前流行设计有较大不同。断路器设置与否各有优缺点，但大型电站若调节性能差、机组启停频繁，最好还是有2台机组能够设置，以保证厂用电稳定。不设置机组出口断路器，其机端厂用电没有保证，厂用电倒换频繁，对系统外来厂用电的依赖性较大。若系统不够稳定可靠，枯期往往需要有1台应急小机组来专门带厂用电。苏阿皮蒂下游的凯乐塔电站就属于这种情形(见图4)，但因小机组容量(650 kW)和上下游电动阀门失电下需人工手动操作等原因，实际作用并未得到有效发挥，枯期白天停机蓄水时，有一段时间专门开1台大机带厂用电，运行经济性不好。

图4 现苏阿皮蒂厂用电系统接线图

6 备自投

备自投属于厂用电系统的二次设计，现行理念都是按无人值守、自全动倒换设计。但实际运行当中，有相当部分电站将备自投退出，特别是柴油发电机启动投退，几乎全改为手动。原因是多方面的，既有运行管理的原因，也有装置和设备本身，以及设计不够可靠完善的原因。在欠发达地区目前电网可靠性差，尚做不到无人值守的实际情况下，备自投逻辑不应追求三类厂用负荷全部全自动倒换。对电源引入多，母线分段多的复杂逻辑，可先分组后编程，以简化开关自动化动作流程，确保设备安全。

负荷分配与供电方式上，采用双层辐射供电，每个现地配电屏由两路不同电源供电，屏中配置机械、电气闭锁双联自动切换开关，相当于第二级备自投，是非常好的设计，也为上一级电源先分组，再简化备自投逻辑进行了完美配合。

7 结 语

厂用电系统设计优化应以标准规范为依据，以数据分析与运行需要为基础，在保证供电安全可靠的前提下，兼顾经济合理性，尽量简化系统接线。围绕电源引接、电压级数、接线与供电方式、自动控制设置等主要环节进行了具体的数据分析和优缺点比较，确定了苏阿皮蒂电站采用一级电压供电，电源由机端电与系统外来电、柴油发电相结合，互为备用，机组自用电与公共照明等分段、双层辐射的供电方案。使厂用电系统接线简明清晰，操作维护方便，得到了参建各方与运维单位的共同认可。