巴基斯坦卡洛特水电站电气一次设计

王树清 崔磊 曾江华 徐则诚 董晓宁 刘江

摘要： 卡洛特水电站是巴基斯坦吉拉姆河规划的5个梯级电站的第四级，装机容量720 MW。根据电站的运行特点和要求，综合考虑技术性能和经济比较，发电机和变压器的组合方式采用“一机一变”单元接线，500kV侧采用3/2接线。对电站主接线、电气设备选择、过电压保护及接地、厂用电系统、照明及主要电气设备布置等进行了简要介绍。

关键词：电气主接线;电气设备;防雷接地设计;厂用电系统;电气总体布置;卡洛特水电站;巴基斯坦

中图法分类号：TV734 文献标志码：A DOI：10.15974/j.cnki.slsdkb.2020.03.019

巴基斯坦卡洛特水电站是吉拉姆河（Jhelum）规划的5个梯级电站的第四级，为Ⅱ等大（2）型工程，工程为单一发电任务的水电枢纽。枢纽主要建筑物由沥青混凝土心墙堆石坝、溢洪道、电站引水及尾水系统、电站厂房等组成。电站装设4台单机额定容量为180 MW的混流式水轮发电机组，总装机容量720 MW，多年平均发电量32.1亿kW·h，年利用小时数4 452 h。本文对电站电气一次设计进行了论述。

1 接入電力系统方式

卡洛特水电站连接到电力系统的电压等级为500 kV，架空出线两回，一回通过艾略特（Aliot）电站到达尼拉姆-吉拉姆（NJ）电站，长度约为99 km，另一回连接古杰兰瓦拉（Gujranwala）变电站，长度约为198 km。因卡洛特水电站与古杰兰瓦拉变电站连接的送电距离较长，输电线路充电容量较大，电力规划国际公司（PPI）开展了卡洛特水电项目联网研究。结果表明，在卡洛特水电站引至古杰兰瓦拉变电站的500 kV出线首端（卡洛特水电站侧）设置并联电抗器。

2 电气主接线

2.1 设计原则

卡洛特水电站采用混流式水轮发电机机组，为引水式厂房电站，电站在巴基斯坦电力系统中承担重要负荷，结合电站的装机容量规模、供电范围等，电站电气主接线设计原则如下：

（1）主接线应安全可靠、简单清晰、运行灵活、维修管理方便、满足电力系统运行要求。

（2）充分考虑卡洛特水电站为单一发电任务且发电效率高的特点，电气主接线应具有较高的供电可靠性。

（3）在任一断路器或母线检修时，不应影响电站连续供电;在正常运行情况下，尽量避免全厂停电。

（4）考虑电气设备选型及布置对主接线的影响。

（5） 技术先进，经济合理。

2.2 电气主接线方案

（1） 发电机和变压器组合方式。综合考虑电气设备投资、运输和布置，以及运行灵活、维护方便、接线清晰和供电可靠，卡洛特电站电气主接线中发电机和变压器的组合方式采用“一机一变”组成4个单元接线。单元接线简单、清晰，每个单元设备故障不影响其他单元运行，供电可靠性高，运行灵活。发电机-变压器间设置发电机断路器，单元中任一机组停机不影响厂用电源供电，在机组全部停机的情况下，仍可由系统经主变压器倒送厂用电。发电机断路器的装设能提高厂用电的可靠性，有效限制主变压器内部故障的扩大并减少500 kV侧断路器操作次数。

（2）500 kV侧接线方式。500 kV侧采用3/2接线，保证在母线故障或检修情况下不影响电站的持续运行，断路器检修也不影响连续供电，具有运行灵活、维护方便、可靠性较高的优点。

（3）电气主接线方案。卡洛特水电站装机容量较大，利用小时数较高，电力主送巴基斯坦国家电网，且承担重要负荷，要求电站具有较高的安全可靠性，尽可能避免线路全停、全厂停机等状况出现。根据卡洛特电站的运行特点和要求，综合考虑技术性能和经济比较，发电机和变压器的组合方式采用“一机一变”单元接线，500 kV侧采用3/2接线。

3 主要电气设备选择

3.1 短路电流水平

根据卡洛特水电站短路电流计算结果： 550 kV高压电器设备的短路电流按50 kA考虑;发电机主回路电压设备的短路电流按63 kA考虑。

3.2 发电机封闭母线

发电机与主变压器采用铝管离相封闭母线连接。从发电机主母线引出分支母线用变压器、励磁变压器、PT柜与高压厂相连。根据发电机额定容量，离相封闭母线主要参数见表1。

3.3 发电机断路器

为从系统倒送厂用电，在每台发电机出口设有发电机断路器，主要参数见表2。

3.4 主变压器

主变压器额定容量应与所连接的水轮发电机额定容量相匹配。卡洛特水电站单机容量180 MW，采用单元接线，525 kV主变压器额定容量选择225 MVA。根据电站的地理位置和交通情况，主变压器的选型需要考虑运输条件。受运输条件限制，电站选用单相变压器，3个单相变压器组成三相变压器组。单相变压器容量为75 MVA，3个单相变压器组总容量为225 MVA。由于卡洛特水电站水流泥沙较多，水冷却器的水质很难达到要求;主变压器布置在电站上游副厂房主变压器室内，为半敞开式布置，通风、散热条件均较好。综合考虑，卡洛特水电站主变压器的冷却方式选择强迫油循环风冷方式。变压器高压侧经油/SF6套管与SF6管道母线连接，变压器低压侧与发电机离相封闭母线连接。主变压器主要技术参数见表3。

3.5 GIS高压配电装置

550 kV GIS的主要技术参数见表4。

3.6 550 kV 并联电抗器

550 kV并联电抗器的主要技术参数见表5。

4 过电压保护及接地

4.1 过电压保护

（1）发电机避雷器配置。卡洛特水电站发电机和变压器采用单元接线型式，在发电机和主变压器之间装设了发电机断路器，每台主变压器低压侧均装有厂用变压器，并考虑系统倒送厂用电的运行方式。当发电机断路器断开时，主变压器低压侧连接有封闭母线，为防止变压器绕组间电磁感应传递过电压的作用，在每台变压器低压侧均装设了一组氧化锌避雷器。

（2） 550 kV开关站避雷器配置。GIS配电装置布置在地面升压变电站内。主变压器低压侧与封闭母线连接，高压侧采用油/SF6套管与GIS连接。在GIS配电装置室屋顶设出线设备平台，两回500 kV架空线路通过出线平台层高压套管和敞开式出线设备出线。

根据NB/T 35067-2015《水力发电厂过电压保护和绝缘配合设计技术导则》[1]，在每回架空出线引下线处各设一组敞开式氧化锌避雷器，在GIS两组主母线上、每台主变压器高压侧均设一组SF6避雷器进行过电压保护。

（3）550 kV并联电抗器避雷器配置。并联电抗器场布置在厂房后边坡顶部平台，布置了出线门构、550 kV隔离开关、550 kV断路器、550 kV并联电抗器等。

在并联电抗器场门构引下线处布置550 kV避雷器，以防雷电侵入波的危害。此外，考虑到550 kV断路器分断并联电抗器时，在强制熄弧下将产生操作过电压，因此，在550 kV断路器与550 kV并联电抗器之间布置一组550 kV避雷器，防止操作过电压对并联电抗器的危害。

4.2 直击雷保护

根据发电厂、变电站过电压保护及接地设计[2]，电站在每回架空出线（含并联电抗器场架空出线）上装设避雷线对其进行直击雷保护， 550kV敞开式设备和并联电抗器均位于避雷线的保护范围内。

溢洪道及进水口建筑物屋顶、电站内其他需要保护的建筑物屋顶均采用避雷带。进水口、溢洪道、尾水平台等处的门机均带有避雷针进行直击雷保护，其轨道应良好接地。

4.3 接 地

4.3.1 工频接地电阻设计

根据IEEE Std 80-2013《交流变电站接地安全指南》[3]接地导则，整个电站的工频接地电阻允许值按不超过1 Ω设计。

4.3.2 电站接地网总体布置

卡洛特水电站地处山区，电站坝址范围内土壤电阻率可能较高。为限制电站地网工频电压升高，应充分利用电站内水工建筑物水下部分可利用的金属物体，即辅助接地体作为接地装置，同时按照IEEE有关标准，设置铜绞线人工接地网。为满足电站接触电位差和跨步电位差的要求，对高电压场所进行均衡电位接地设计。

电站构筑物主要有大坝、电站厂房、溢洪道、引水洞等，辅助接地网主要利用这些主体建筑的钢筋网或金属构件组成。辅助接地网设计主要利用上述构筑物和电站厂房尾水渠及护坦底板面层钢筋网，蜗壳里衬钢筋，尾水管底板面层钢筋网，尾水护坦面层钢筋网，引水洞钢筋网，共同构成电站的自然接地体散流地网。另外，在电站厂房各层、大坝、泄洪设施等部位设置铜材接地网（主接地装置），接地网（主接地装置）通过接地干线和辅助接地网等各部位连接，共同构成整个电站的总体接地网。

在GIS室楼板、副厂房顶出线场、主变压器室楼板、并联电抗器场等高压配电装置布置的区域，敷设均压接地网，均压接地网中的接地干线与楼板结构钢筋每隔5 m点焊，以保证结构钢筋与均压接地网无电位差，避免厂房结构出现局部放电。

为防止电站的高电位转移到地网外场所或地网外的低电位转移到电站内，对通向电站外的低压及金属管道等须采取地电位隔离措施。

4.3.3 接地线截面选择

接地导体的截面积应保证任何导体和接头能耐受整个接地故障电流而不超过某一特定温度。根据《交流变电站接地安全指南》11.3.3章的内容，继电器故障会导致故障持续时间超过主故障清除时间，后备清障时间通常适合于确定导体的尺寸;对于小型变电站，后备清障时间可能达到3 s或更久;大型变电站通常具有复杂的或是冗余的保护装置，故障通常会在1s或者更短的时间内清除。由于该电站为大型水电站，具有复杂且冗余的继电保护设计，后备清障时间小于1 s，即接地故障会在1 s内清除。因此，建议故障持续时间为1 s，按此计算接地线的最小截面为65.2 mm2。根据业主要求，故障清除时间为3 s。经计算，接地铜绞线截面积为113 mm2，故电站选择截面为120 mm2的铜绞线作为人工接地网主干线。业主还要求厂内和所有高电压场所接地网主干线采用185 mm2铜绞线，溢洪道、进水口等场所接地网主干线采用95 mm2铜绞线，并按此进行施工详图设计。

5 厂用电系统

5.1 厂用电电源引接

（1） 从发电机电压母线上引接以及从500 kV系统上引接倒送。由于卡洛特水电站发-变组合采用单元接线，发电机与变压器之间已装设发电机断路器，因此从发电机电压母线上引接的厂用电源，不受机组开停影响。当机组停机时，发电机断路器断开，可从500 kV系统倒送厂用电源，不仅提高了供电的可靠性、连续性且更为经济。鉴于卡洛特水电站在巴基斯坦国家电网中的重要性，要求厂用电具有较高的可靠性、灵活性和稳定性，因此电站每个单元接线的发电机电压母线上均引接1回厂用电源（共4回），作为厂用电工作电源。

（2） 设置柴油发电机组作为保安电源。原设计方案是从邻近变电所不同母线引接2回电源作为电站的厂用备用电源，经过实地查勘，无法在附近找到合适的外来电源，目前的施工用电也是从施工现场的重油电站获得，因此需要考虑利用备用电源替代外来电源。原设计方案全电站只设置了一台柴油发电机，布置在溢洪道变电所内，与变电所0.4 kV母线连接，容量为800 kW。除保证溢洪道汛期泄洪安全外，該柴油发电机还兼做电站的黑启动电源，同时作为厂房内渗漏排水泵的备用电源。因溢洪道与电站厂房距离较远，溢洪道供电系统与厂内供电系统之间通过11 kV电缆-架空线-电缆的方式进行连接。在发生全厂失电，需要黑启动的情况下，设置在溢洪道变电所的柴油发电机需要通过溢洪道变电所的变压器将电压从0.4 kV升压至11 kV，通过11 kV架空线送至厂房，再由厂房内的厂用变压器降压至0.4 kV后向厂内机组倒送电。操作环节多，操作流程耗时费力，供电可靠性较低。为保证在全厂失电、没有任何外来电源的情况下，能及时启动单台机组，恢复厂用电供电，有必要在厂内增设一台柴油发电机，作为机组黑启动电源，同时可作为厂内紧急事故保安电源（如渗漏排水等）。经计算，厂内新增柴油发电机容量为600 kW。由于厂内增设了一台柴油发电机，原溢洪道变电所的柴油发电机仅负责溢洪道汛期泄洪闸门的应急供电，容量也可减小，经计算，容量选择为600 kW。厂内增设一台柴油发电机后，原设计从邻近变电所引接的外来电源可以取消。该方案已获得业主同意。

5.2 厂用电供电电压

由于卡洛特水电站枢纽范围大，各用电负荷比较分散，采用0.4 kV一级电压不能满足电压质量的要求，因此必须采用两级电压供电。第一级电压采用11 kV，第二级电压采用0.4 kV。

5.3 厂用电接线

电厂从发电机组机端引接4回厂用电源（对应4组单元接线），4回厂用电源经4台高压厂用变压器降至11 kV，形成4段11 kV母线。4段母线分成2组。各分段母线间均设有母联开关，母联开关和进线电源均设有备用电源自投装置，以保证运行段母线（分段或不分段运行时）任何时候只由一个电源供电。

根据枢纽各建筑物的布置及供电要求，在溢洪道设置11 kV配电装置，两回电源来自电站厂房11 kV厂用电母线，溢洪道和进水口各设1个11/0.4 kV变电所，每个变电所配置两台互为备用的变压器，11 kV电源引自溢洪道11 kV配电装置。因尚未确定业主营地负荷，现阶段暂从溢洪道11 kV配电装置取2回电源至业主营地。

5.4 厂用电供电点设置

400V厂用电系统根据用电设备的重要性、运行方式及用电设备布置位置，设置8个低压厂用电供电点：1号和2号机组自用电供电点、3号和4号机组自用电供电点、1号公用电供电点、2号公用电供电点、厂内照明供电点、溢洪道供电点、进水口供电点、进厂公路供电点。除进厂公路供电点采用单电源回路由箱变供电外，其余均采用双电源回路供电，双回路互为备用。

6 照 明

6.1 设计原则

根据电站建筑物的布置特点，照明设计分厂内、厂外两部分。厂内照明包括主/副厂房、室内重要通道、电缆夹层、电缆廊道等部位;厂外照明包括高压并联电抗器场地、进水口、尾水口、溢洪道及进厂公路等部位。

照明种类包括正常照明、应急照明等。正常照明是在正常情况下日常生产、生活使用的照明。应急照明是在正常照明电源因故障失效的情况下，供继续工作及确保人员安全、疏散的照明，包括备用、安全、疏散等照明。水电站的各工作、活动场所均设置正常照明和应急照明，且应满足有关规定。

6.2 照明电源

厂内工作照明电源取自专用照明供电点，应急照明电源取自厂内EPS应急电源系统。厂外照明采用动力、照明共网方式运行，照明负荷分别引自各部位的动力电源。

6.3 照明光源与灯具

根据使用要求及环境条件，综合考虑光源的光色、启燃/再启燃时间、频闪等性能指标，进行技术、经济比较后选择LED灯、荧光灯、金卤灯、高压钠灯等高光效、长寿命的光源。室内场所的光源一般选用荧光灯和金卤灯，室外场所的光源一般选用金卤灯和透雾能力更强的高压钠灯。上述光源光效高、寿命长，可以节省投资、减少维护工作，符合照明节能要求。

7 主要电气设备布置

7.1.1 发电机主引出线布置

发电机主引出线位于主厂房机组段水轮机层的上游侧，主引出线采用离相封闭母线穿出机坑墙（母线中心高程为396.10 m）至上游副厂房（高程391.0 m），然后转直角弯沿墙向上垂直穿越高程398.5，404.5 m和411.5 m楼板，引至高程419.0 m再转直角弯与主变压器低压端子连接。

7.1.2 主变压器布置（高程419.0 m）

12台525 kV主变压器布置在高程419.0 m上游副厂房的每个机组段内，备用变压器布置在同层安装场段，其低压侧与封闭母线连接，高压侧采用油/SF6套管与GIS连接。主变压器室外上游侧敷设了主变压器运输轨道，每个主变压器小室运输轨道与户外运输轨道对接。1～3号主变压器中性点连线经穿墙套管引至B相变压器室左侧小间，经电流互感器接地;4号主变压器中性点连线经穿墙套管引至3号主变压器B相变压器室左侧小间，经电流互感器接地。

7.1.3 GIS设备布置（高程431.0 m）

550 kV GIS布置在电站上游副厂房的GIS室内。在GIS室下游侧的楼板下方设有一条贯穿GIS室的电缆通道。为了便于550 kV GIS的安装和检修，在GIS室内设置有15 t桥机1台，可在地面和高空操作。

550 kV GIS设备为3/2形式布置，GIS上、下游侧均设置有巡视操作通道，下游侧通道兼运输功能，汇控柜紧靠下游墙布置。考虑运输、安装、维修的方便，在GIS室的合适位置设置了一个6 m×4 m的吊物孔。

7.1.4 敞开式出线设备布置（高程444.60 m）

敞开式设备布置在高程444.60 m，空气/SF6出线套管、阻波器、电容式电压互感器、避雷器等由上游至下游布置，设备相间距离为8 m。出线立柱布置在下游侧与架空线连接。

7.1.5 并联电抗器场布置

并联电抗器布置在厂房后边坡顶部平台，3台单相并联电抗器一列式布置，并依次布置了550 kV并聯电抗器、550 kV避雷器、550 kV隔离开关、550kV断路器、550 kV避雷器，并联电抗器经裸导线依次与550 kV避雷器、550 kV断路器、550 kV隔离开关、550 kV避雷器相连，再向上引至出线门构。并联电抗器场尺寸约为62.3 m×59.6 m （长×宽），并联电抗器场地距电站副厂房顶出线门构约235 m。

8 结 语

结合工程实际情况，卡洛特电站采用了供电可靠、运行灵活、简单清晰的电气主接线和厂用电接线，主要电气设备选型、防雷接地设计、照明设计满足规程规范和EPC合同要求，电气设备布置清晰、合理。目前，电站机电设备正陆续运抵工地，现场安装工作正在紧张有序进行，电站预计于2021年投产发电。

参考文献：

[1] NB/T 35067-2015水力发电厂过电压保护和绝缘配合设计技术导则[S].

[2] 舒廉甫. 發电厂、变电站过电压保护及接地设计[M]. 北京：中国电力出版社，2009.

[3] IEEE Std. 80-2013 Guide for safety in AC substation grounding[S].

（编辑：李晓濛）

Preliminary electrical design on Karot Hydropower Station in Pakistan

WANG Shuqing，CUI Lei， ZENG Jianghua，XU Zecheng，DONG Xiaoning， LIU Jiang

（Changjiang Survey， Planning， Design And Research Co.，Ltd.， Wuhan 430010， China）

Abstract： Karot Hydropower Station is the fourth one of five cascade hydropower stations planned on the Jhelum River with installed capacity of 720MW（4×180MW）. Based on operation characteristics of the station， and by taking into account the technical performance and making an economic comparison， we decided to adopt the connection mode of "one generator connected to one  transformer"， and the 500 kV system uses 3/2 connection mode. We briefly introduced the main electrical connection design， main electrical equipment selection， overvoltage protection and grounding design， auxiliary power system， lighting system and electrical equipment general layout.

Key words： main electrical connection design; main electrical equipment selection; lightning protection and grounding design; auxiliary power system; electrical equipment general layout; Karot Hydropower Station; Pakistan