浅谈黑河水电厂生活区锅炉变设计中电缆选择的问题

申景涛

(陕西省水利厅，陕西 西安 710004)

1 前言

随着国家节能减排政策的要求，各水力发电站冬季不应再采用燃煤锅炉取暖，建议采用清洁能源供电。水力发电站最可靠的清洁能源就是电能，无污染，而且水电站均有生活用电的专用变压器，但是在国家节能减排政策以前，大部分水电站生活区绝大部分采用燃煤锅炉供暖，主要原因是水电站普遍地理位置偏僻，厂区和生活区距离较远，供电距离较远；电锅炉故障时对水电站母线冲击较大；燃煤价格较低。随着国家节能减排政策的出台，生活区的供暖成为一个突出的矛盾。

2 工程概况

黑河水电站位于秦岭周至县黑峪口，电站装机3台，其中8000 kW机组2台，4000 kW机组1台，黑河生活基地位于电站下游侧2 km处。电锅炉用电负荷为1500 kW，电源取自坝后电站发电机6 kV母线。

根据黑河坝后水电站的运行工况，在冬季枯水期，水量较大时仅为其中一台8000 kW机组运行，水量较小时仅为一台4000 kW机组运行，最大出力不足2000 kW。由于电站所在地区电网条件的限制，其35 kV母联断路器必须断开运行。鉴于该工程的实际情况，供电电源分别取自坝后电站Ⅰ段及Ⅱ段6.3 kV开关柜柜顶母线。生活区锅炉变主接线图见图1。

生活区锅炉变采用电源进线直接接在发电机出线侧上，位于发电机断路器与发电机之间，当生活区锅炉变需要检修时，此段无明显断开点，故设置锅炉变进线断路器作为检修点。

图1 生活区锅炉变主接线图

3 生活区锅炉变难点研究

生活区锅炉变既属于厂用变压器，但又不同于传统的厂用变压器，传统的厂用变压器运行负荷连续且较小，安装距离近，高压配电设备选择简单。生活区锅炉变的特点是负荷大，且不连续，一般都在生活基地内，距发电厂房较远，高压配电设备配置复杂，尤其是电缆选择。一是生活区锅炉变进线一般直接接在发电机出线处而不是母线上，故此处的选择需要考虑热稳定效应；二是从发电厂房到生活区锅炉变处距离较长，采用电缆还是架空导线对于防雷的要求不一样，需综合考虑。下面将对这个选择难点进行论证。

3.1 发电机出口至生活区锅炉变电缆选择

生活区电锅炉变用电负荷较大，又是直接接在发电机出口端母线上，当生活区锅炉变故障发生在接点处至电锅炉变进线开关柜之间时，将可能直接影响机组安全运行，所以这段电缆的选择成为锅炉变设计的一个难点。根据已有数据：Ⅰ段母线接两台8000 kW发电机，最大运行方式下发电机母线短路电流20.32 kA；Ⅱ段母线接一台4000 kW发电机，最大运行方式下6.3 kV发电机母线短路电流7.3 kA；电锅炉变负荷1500 kW，为电阻负载，功率因数为1，高压侧额定电流145 A，低压侧额定电流2279 A。

高压侧电缆截面根据额定电流选择50 mm2可以满足要求，但是否满足本工程要求，需要进一步论证。生活区锅炉变受到电站条件限制，不能按常规水电站变压器那样选择，只满足额定电流，还需校验低压侧短路时流过保护安装处的短路电流。与常规水电站变压器不同之处在于，首先锅炉变直接接在发电机出口端，中间无隔离电器来保护锅炉变；其次用电负荷在2 km外的生活区，变压器保护配置不同于常规变压器，那么短路热效应的时间取值也不同于常规水电站变压器，短路热稳定时间应取后备保护动作时间和断路器全分闸时间之和。

(1)锅炉变短路热效应计算电缆导体允许最小截面公式：

(1)

式中：s为导线截面；Qd短路电流的热效应，由公式(1)可知，导线热稳定效应由导线截面决定。

(2)周期分量热效应计算公式：

Qd=i″2t

(2)

式中：i″为短路电流最大周期分量，t=tp+td其中tp为继电保护装置后备保护动作时间，td为断路器全分闸时间。

(3)非周期分量热效应依据公式(3)计算可得

Qt=Ti″2

(3)

综上所述：Qd=Qt+Qd

周期分量和非周期分量下的热效应之和，即导线短路热效应。本电站机组容量较小，可不考虑非周期分量的影响。根据公式(1)可得出周期热效应，经计算线缆截面应大于127.43 mm2，选择150 mm2。

上述参数不能作为厂用变压器选择依据，若直接作为厂用变压器选择依据，则会造成电缆截面偏小，当发生短路电流时，若短路时间大于时间t，就会造成安全事故。同样从原理定性讨论主接线时，锅炉变和厂用变的供电电源均取自发电机母线，发电机母线的截面是按发电机短路电流和系统侧短路电流叠加而成的最大短路电流选择的，厂用变压器是直接接在发电机母线上，所以不用考虑母线截面问题。但是锅炉变位于2 km以外，中间有部分高压线路，若把这部分高压线路当做发电机母线的延伸段，截面需要按短路电流最大值校验，则电缆截面选择会偏大，造成浪费。为了不造成材料的浪费，故厂用变高压进线截面按电缆热效应校验，计算得出新的电缆截面，是小于将高压线路作为发电机母线延伸的截面，从而使设计更合理。

3.2 进线采用架空线和电缆的设计

3.2.1 架空线设计方案

当选择锅炉变压器的电缆截面后，需要选择连接方式，有高压架空线连接和高压电缆两种方式。采用两种连接方式均可，但都存在过电压保护的问题。当采用高压电缆连接时，从坝后电站发电机出口端引出后采用架空线路的方式引至锅炉变的高压进线，主要存在的问题是当架空线路发生雷电过电压时，雷电流会沿着架空线传递到发电机出口端，并传递到发电机，对发电机产生危害，所以架空线路过电流、过电压保护是必须要解决的一个问题。根据规范《交流电气的过电压保护和绝缘配合设计规范》规定要保障电机安全的要求，就需要增加出线电抗器限制过电流，增加电容器防止过电压(本文只讨论过电流问题)。

3.2.2 电缆设计方案

锅炉变高压进线也可以采用地埋10 kV电缆。电缆引自发电机出口端，通过直埋方式至锅炉变压高压侧户内开关柜处。当发生雷电过电压时，雷电流流向锅炉变侧经避雷器导入大地，保证了锅炉变安全。流向发电机母线侧，经过近2 km的电缆至发电机母线侧电流衰减至安全数值以下。

3.2.3 改进方案

通过对锅炉变进线采用架空线和电缆方案的比较可知，全程采用架空线为保证发电机安全需增加出线电抗器来降低雷电流，此方案增加了相关设备和土建费用；全程采用电缆虽然可以保证发电机安全，但是电缆价格较高，施工难度较大。

既然增加电抗器是为了降低雷电流，通过计算电抗器的阻抗，用部分电缆代替电抗器，只要电缆的阻抗不小于电抗器的阻抗就可以起到降低雷电流的目的。

(1)计算电抗器阻抗：

xl=ωl=2πf

(4)

式中：l表示电抗器值。

经计算，xl=0.094。

(2)电缆阻抗：

(5)

式中：ρ为电阻率，铜取0.0182，铝0.0283。

Z≈xl=0.75R

(6)

由公式(5)和(6)计算可得，电缆长度150 m，电缆阻抗等于电抗器阻抗。

通过上式的验证，采用电缆加架空线的方案是可以起到保护发电机安全运行的要求的，即减少了增加的设备，又降低工程施工费用。

4 结论

随着国家节能减排的政策出台，会有越来越多的水电站生活区放弃燃煤锅炉，改用电锅炉取暖。电锅炉的电源取自电厂将是一种重要的方案，因为锅炉变与厂用变在电站用电负荷的不同，所以锅炉变在发电机出口电缆截面的选择、锅炉变进线方式均不同于厂用变压器。本文通过对锅炉变设计过程中几个重点问题研究，有效解决了截面选择和出线方式的问题，对此类工程提供了一定的工程设计借鉴。