某百万级水电站第三路备用电源设计与应用

陈 飞，陈钰林，李 鑫，龙 瑞

（1.广东能源集团天生桥一级水电开发有限责任公司水力发电厂，贵州 兴义562400；2.贵州电网有限责任公司兴义安龙供电局，贵州 兴义562400）

某水电厂装机容量1 200 MW（4×300 MW），是南方电网“黑启动”电源点，有5段10 kV厂用电，其中4段为电厂的厂用电分段母线，第5段为外来电源点与电厂互为备用的35 kV线路。为了提高电厂厂用电可靠性，电厂又从另一外来电源点引10 kV电源入厂用电Ⅱ段作为10 kV厂用电的第二路备用电源。由于该两处外来电源均处于高频落雷区域，雷雨天气仍会因恶劣的天气出现跳闸现象，为了能够保证电厂在负荷低谷及机组全停时能安全运行，并满足南方电网“黑启动”的要求，需进行第三路备用电源的设计与建设。

1 厂用电运行情况

电厂正常运行时，10 kV I、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、V段分段运行，I段与Ⅱ段，Ⅱ段与Ⅲ段，Ⅲ段与Ⅳ段，Ⅳ段与V段之间的联络开关设置备用电源自动投入装置，互为第一备用电源。V段电源设专用线，引自外来电源点自耦变35 kV侧。

2 负荷情况分析

根据《技施设计说明》的厂用电设计说明，电站的负荷情况分析如下：

机组自用电负荷：P1=470+170.1=640.1（kW），厂房 a、b 段公用电负荷P2=1387.97+792=2179.97（kW），厂房 c、d 段公用电负荷P3=1263+633.4=1896.4（kW），厂房照明用电负荷P4=211.8（kW），放空洞用电负荷P5=470.1+86=556.1（kW），进水口用电负荷P6=184.8+55=239.8（kW），溢洪道用电负荷P7=341+221=562（kW），总负荷P总=（P1+P2+P3+P4+P5+P6+P7）×Kt=6286.17×0.6=3771.7（kW），总厂区用电同时率取Kt=0.6。

3 工程设计建设方案

3.1 架空线路设计

10 kV配网属于南方电网系统的一部分，因此其架空线路设计必须严格依照国家和南方电网在电力设计领域的相关制度、政策与技术规程，例如《架空配电线路设计技术规程》等，必须积极践行相关规定。要在维护人身安全的基础上引入先进的设计理念，采用先进的设计工艺，确保系统安全和电厂供电安全，为电厂的安全可靠运行提供保障[1]。

为了降低建设耗资，第三路备用电源线路“T”接于电厂周边变电站的10 kV线路，再经电厂门岗东侧低谷处架线进至电厂厂房端部楼西北侧，采用电缆下地进入电站10 kV厂用电系统Ⅲ段母线。期间跨越国道公路一条，线路沿线树木种类以松树为主，局部地段为灌木杂树，平均数高约8 m，胸径约20 cm，数量30棵。电厂第三路备用电源设计线路长度约868 m。

通过对供电设备的负荷预测与分析，结合负荷分布情况，第三路备用电源线负荷约为1 021.9 kW，取经济电流密度J=1.15 A/mm2（Tmax＜5 000 h），则电厂第三路备用电源建设工程架空线路所需导线截面为：

其中：P30为线路计算负荷（kW）；U为线路额定电压（kV）；J为线路经济电流密度（A/mm2）；cosφ为功率因数，取0.9。

通过对供电设备的负荷预测，结合负荷分布情况，第三路备用电源线负荷约为1 021.9 kW，取经济电流密度J=2.25 A/mm2（Tmax＜5 000 h），则电厂第三路备用电源建设工程电力电缆所需导线截面为：

其中：P30为线路计算负荷（kW）；U为线路额定电压（kV）；J为线路经济电流密度（A/mm2）；cosφ为功率因数，取0.9。

根据配电网规划设计原则及实际运行情况，考虑线缆预留一定的供电能力及结合现有线路运行情况，线路线缆型号选择如表1所示。

表1 线路线缆选型

3.2 杆塔选型

杆塔选型原则：根据线路所符合的气象条件结合技术上安全可靠、经济合理的原则，综合地形、地貌及气象条件，选用中国南方电网公司《10 kV和35 kV配网标准设计》中的10 kV线路杆塔，该系列杆塔安全可靠、经济合理，符合线路设计要求。

杆塔使用情况如表2所示。

表2 杆塔设计选型

考虑到线路沿线周边树木较高，且线路途经厂区绿化带，故在线路架设时采用了两基铁塔，增加架空线弧垂的离地高度。

3.3 防雷接地措施

根据GB 50150-2016《电气装置安装工程电气设备交接试验标准》的要求，电厂第三路备用电源设计建设工程的防雷接地措施主要包括以下3个方面[2]。

（1）10 kV线路设备安装跌落式氧化锌避雷器，避雷器应良好接地，其接地电阻不应大于10 Ω。

（2）在架空线路上方架设避雷线，以保护架空线路免受直接雷击。

（3）接地装置所有铁塔均须接地，接地电阻不超过30 Ω。

3.4 隔离变压器选型

（1）隔离变压器主要是用于电气回路隔离，实现电气系统一次侧和二次侧的有效隔离，并且隔离变压器在电网中的应用可以有效抑制电力系统的高频杂波，提高电网供电的稳定性，因此应合理应用隔离变压器，保障隔离变压器良好的应用性能[3]。

（2）为了对变压器容量进行选择确定，计算隔离变容量时只选取电厂厂区重要负荷进行计算。电厂厂区重要负荷如表3所示。

根据表3中所统计的电厂厂区重要负荷情况，取用电负荷率Kf=0.75，网损率Kv=1.05，用电同时率Kt=1，cosφ×η=0.75。计算外引电源隔离变容量：S=Kf×Kt×Kv×Pmax/（cosφ×η）=0.75×1×1.05×1021.9/0.75=1073（kVA）＜1250（kVA），因此，隔离变容量S取1 250 kVA即可满足电厂厂区重要负荷供电需求。

3.5 继电保护整定计算

供电网络中发生短路时，很大的短路电流会使电器设备过热或受电动力作用而遭到损坏，同时使网络内的电压大大降低，因而破坏了网络内用电设备的正常工作。为了消除或减轻短路的后果，就需要计算短路电流，以正确地选择电器设备、设计继电保护和选用限制短路电流的元件[4]。电厂第三路备用电源的电流保护选用三段式电流保护。

（1）基准值选取

各参数基准值见表4所示。

（2）元件标么值计算

系统阻抗标幺值：Xx*=0.183

线路阻抗标幺值：XL*=XL/ZB=2.4/1.1025=2.1769

表3 电厂厂区重要负荷

表4 电流保护基准值

（3）短路电流的计算

（4）电流速断保护整定计算

按保证小方式下10 kV母线两相短路的灵敏系数Klm≥1.5的要求进行计算。

一次值：Iop1×k1=2018.31/1.5=1345.33（A）

二次值：Iop1×k2=Iop1×k1/nTA=1345.33 A/（200/5）=33.63（A）

动作时间：Top=T+ΔT=0.14+0.3=0.44（s）

（5）过流保护整定计算

与相邻线路过流保护动作一次值：201 A配合。I2≥Kp×IL1，其中Kp为配合系数，取 1.1；IL1为相邻线路过流保护值。

一次值：Iop2×k1=201×1.1=221.1（A）

二次值：Iop2×k2=Iop2×k1/nTA=221.1/（200/5）=5.53（A）

动作时间：Top=T+ΔT=1+0.3=1.3（s）

（6）相电流过负荷定值整定计算

经查JL/LB1 A-120/25导线在25℃时的载流量为380 A[5]。Kfh×If/Nct，其中，Kfh为负荷系数，取 0.95；If为线路安全载流量，T接本分支按负荷占比70%计算。

一 次 值：Iop×f1=Kfh×If×0.7=0.95×380×0.7=252.7（A）

二次值：Iop×f2=Iop×f1/nTA=252.7/（200/5）=6.32（A）

综合上述计算结果，电厂第三路备用电源的继电保护整定计算结果如表5所示。

表5 电厂第三路备用电源继电保护整定计算结果

4 结语

电厂第三路备用电源建设工程设计的线路路径长868 m，其中架空路径长613 m、电缆路径长255 m。有10 m拔梢杆2基，15 m耐张门型杆2基，21 m耐张塔2基。在电厂端部楼西北侧设1 250 kVA干式无载调压隔离变压器1台。导地线路径长565 m。线路接入电厂10 kV厂用电III段分段母线作为第三路备用电源。电厂第三路备用电源建设完成后，在雷雨天气、负荷低谷及机组全停时为该电站10 kV厂用电提供安全可靠的外来电源支撑，不论是“黑启动”时还是在日常厂用电的使用中，都大大提高了电厂厂用电的供电可靠性。