韩江高陂水利枢纽工程厂用电及闸坝用电设计

肖天泽

(广东省水利电力勘测设计研究院有限公司，广州 510635)

1 项目概况

韩江高陂水利枢纽工程是国务院确定的172项重大水利工程之一，是列入2015年开工建设的27项工程中的一项，是韩江流域防洪控制性工程和水资源配置骨干工程。韩江高陂水利枢纽工程位于广东省大埔县境内的韩江干流、高陂镇上游约6 km处，高陂水利枢纽工程主要建筑物由泄水闸、 电站厂房、 通航船闸及挡水坝等组成[1]，是以防洪、供水为主，兼顾灌溉、发电、航运等综合利用[2-3]的大型水利工程。电站部分总装机容量为100 MW，共装设4台25 MW的灯泡式贯流水轮发电机组。电站多年平均年利用小时数为4 055.7 h。闸坝部分主要由19台泄水闸门组成，在洪峰来临时起到泄洪作用。

发电机10.5 kV电压侧共2段母线，2台机组与1台63 000 kVA变压器组成一个扩大单元接线接于Ⅰ段母线，另2台机组与另1台63 000 kVA变压器组成一个扩大单元接线接于Ⅱ段母线，2台厂用变压器、2台闸坝变压器及2台营地变压器分别接于发电机电压Ⅰ段、Ⅱ段母线；110 kV电压侧采用“二进一出”单母线接线[4]。枢纽电气主接线如图1所示。

图1 高陂水利枢纽电气主接线示意

2 厂用电、闸坝用电接线方案

根据高陂水利枢纽工程的任务及电气主接线方案，各设2台厂用、闸坝、管理营地变压器，0.4 kV母线侧均为单母线分段接线。2台厂用变容量一致，2台闸坝变容量也一致，厂用及闸坝供电在正常运行时均由1台变压器带1段母线运行，如果1台变压器故障或检修，另1台变压器可担负厂用或闸坝全部用电负荷。管理营地变压器设大、小容量各1台，正常运行时由1台大容量变压器带1段母线运行，当这台营地变故障或检修，另1台小容量营地变只为营地内二级负荷供电。

由于本工程首要任务为防洪，考虑其重要性，将10 kV施工外来电源在施工完成后做永久电源用，并设1台备用变压器作为闸坝的备用电源；考虑到本工程防洪调度中心设置在厂房，因此，将此备用变压器亦作为厂房部分重要负荷的备用电源(厂用电、闸坝用电接线如图2所示)。

图2 厂用电、闸坝用电接线示意

依据水利工程建设标准强制性条文，对特别重要的大中型水力发电厂、泵站、泄洪设施等，如有可能失去厂(站)用电电源，影响大坝安全度汛或可能水淹厂房而危及人身设备安全时，应设置能自动快速起动的柴油发电机组或其他应急电源，其容量应满足泄洪设施，渗漏排水等可能出现的最大负荷的需要[5-7]。该方案具有供电可靠、供电范围清晰的优点。

3 厂用电系统及闸坝用电系统负荷分析

3.1 厂用电负荷分析

为保证厂用电设备平稳运行与正常启停，厂用变压器的选型至关重要。首先需按实际负荷情况，采用“综合系数法”计算变压器容量，再通过自起动容量校验再次核算变压器容量。因此，须通过NB/T 35044-2014《水力发电厂厂用电设计规程》进行计算，才能保证厂用电设备的正常运行。

由表1可看出，当1台机组检修时，用电负荷达到最大，约为1 569.3 kW。根据NB/T 35044-2014《水力发电厂厂用电设计规程》采用“综合系数法”[8]对厂用变容量进行计算，选取综合系数0.79，经计算0.79×1 569.3=1 239.7 kVA，因此，本电站厂用变压器容量选择1 250 kVA。

表1 厂用电负荷分析

3.2 闸坝用电负荷分析

闸坝用电的主要负荷来自于19台泄水闸门启闭机，在洪峰来临期间，闸门启闭机的可靠供电十分重要。为达到快速泄洪的目的，设计上会要求短时间内起动尽量多的启闭机，但受限于变压器容量与供电距离，同时起动3台以上必将带来巨大的压降，使启闭机机端电压过低。因此，在运行方式上仅分析2台同时起动和运行1台起动1台这两种工况。

运行1台起动1台的起动模式即其中1台正在起动的泄水闸启闭机已经躲过了约30 s～1 min的起动电流之后，进入了运行状态，再起动下1台启闭机。待这2台启闭机完全开闸后，再以这样的运行方式起动接下来的2台启闭机。这样的起动方式有利于减小冲击电流，且与同时起动2台的时间相差无几。

从表2可以看出，闸坝变压器的额定负荷并不算大，选择315 kVA或400 kVA变压器即可满足要求，但需通过压降校验对变压器容量进行考核。

表2 闸坝用电负荷

4 容量及压降校验

4.1 厂用变压器自起动容量校验

依据《水电站机电设计手册》[9]，进行自起动容量校验，已判断厂变容量。

厂用变容量为1 250 kVA，自起动有功功率约为1 345.9 kW，选择4倍起动电流。

≈75.6>70

(1)

依据《水电站机电设计手册》，低压厂用母线电压自起动电压最小允许值为65%～70%，因此，1 250 kVA变压器满足要求。

4.2 压降校验

依据NB/T 35044-2014《水力发电厂厂用电设计规程》6.3.1“配电母线上接有照明或其他对电压波动较敏感的负荷，电动机经常起动时，不宜大于10%；电动机不经常起动时不宜大于15%”，本工程闸坝母线上接有坝顶路灯等照明灯具，因此配电母线压降不宜大于15%。

机端压降在NB/T 35044-2014中未提及，本工程依据《水电站机电设计手册》，电动机的端电压不应低于70%～85%，本工程机端压降取中间值不大于25%。

若按照额定负荷选取315 kVA或400 kVA闸坝变压器，依据电缆电阻、电抗见表3所示。

表3 闸坝电缆阻抗 Ω

则配电母线的压降计算如下：

运行负荷电流：

(2)

起动负荷电流：

(3)

315 kVA闸坝变压器压降：

≈34.9 V

(4)

至闸坝配电盘电缆选用2×(YJV22-3×400+1×240)电缆，闸坝变压器至配电盘的电缆压降：

=7.7+19.7≈27.4 V

(5)

400 kVA闸坝变压器压降：

≈27.5 V

(6)

闸坝变压器至配电盘的电缆压降同式(5)，压降为27.4 V。

从计算可以看出，315 kVA不可保证配电盘压降在规范要求内，400 kVA虽可满足，但裕度较小，若负荷稍有增加，则压降校验不可满足，这对闸坝用电的稳定是不利的。因此，为满足压降要求，闸坝变容量初步选择630 kVA变压器(阻抗为4%)与800 kVA变压器(阻抗为6%)。泄水闸启闭机拟选用鼠笼型异步电动机，功率因数0.8，起动时功率因数取0.35，额定效率取0.9；采用软起动方式，起动电流按3倍计算。船闸与泄水闸已带静态负荷30 kW。

在不同的起动方式、变压器容量、电缆截面选择下，会得出不同的压降，依据《水力发电厂厂用电设计规程》(NB/T 35044-2014)附录E对电动机起动电压进行了计算(见表4)。

表4 起动压降对比

从表4可以看出：① 无论是630 kVA变压器或是800 kVA变压器，都无法保证同时起动2台启闭机时配电母线与机端的压降在规范要求的范围内，因此，选择运行1台、起动1台的起动模式；② 800 kVA变压器有着较高的阻抗，并不能有效降低压降，630 kVA经济性更优。因此，选用630 kVA变压器。

5 结语

前文论述从理论上证明了本工程0.4 kV侧的厂用电、闸坝用电接线方案具备合理性；1 250 kVA厂用变压器满足了额定负荷与自起动容量校验；630 kVA闸坝变压器配合大截面电缆满足了额定负荷的要求以及在间隔短时间内，起动2台启闭机的起动方式。

2021年6月18日，高陂水利枢纽首台机组正式投产发电，各辅机设备运行状态良好，泄水闸19台启闭机起动安全可靠，证明枢纽的厂用电系统与闸坝用电系统设计合理、运行可靠，为枢纽未来的运行打下了牢固的基础。