大朝山电站转轮加工厂厂用电设计讨论

罗海龙

（国投云南大朝山水电有限公司，云南 昆明 650213）

0 引言

大朝山水电站位于云南省西部澜沧江中下游河段，电站于2003 年10 月全部机组投产发电，现已成为云南电网中重要调峰调频电厂之一，水轮发电机组投产以来一直存在空载工况运行不稳定，稳定运行区域较窄，转轮裂纹较为严重等问题，特别是在低负荷50～90 MW 区域运行时尤为突出，表现为发生剧烈的水体共振，随着云南电网结构不断发生变化，在电网供应低谷时段,大朝山电厂机组需要频繁参与空载调压和启停操作，问题更加突出，多项指标已超出主机合同和国家标准的相关要求。针对以上问题，决定对水轮机转轮进行更新改造，在论证转轮加工及运输方案时发现，原转轮因当时交通运输原因采用分瓣运输，运行后存在转轮把合分瓣法兰引起顶盖压力值升高的问题，参考国内外大型混流式水轮机转轮的加工运输方案，经过方案比选后选择“散件运输，现场整体加工的”方案，即采用水轮机准乱散件运输至电站现场，在现场新建转轮加工厂，在加工厂内完成转轮现场组装工序的方案。工序包括转轮拼装、转轮焊接打磨、探伤、退火、机加工、镗螺栓孔、静平衡以及泄水锥检查、吊装等；为满足转轮现场加工要求，对转轮加工厂主要设备设置、现有站用电设备参数、估算配套设备工程的用电负荷，设计一套接线灵活、供电可靠的加工厂供电系统，本文参照NB/T 35044-2014《水力发电厂厂用电设计规程》[1]和《电力工程电气设计手册》[2]对转轮加工厂厂用电系统进行设计。

1 厂用电源数量及设置

对照设计规程，本次设计的转轮加工厂厂用电属于规程描述中的厂用电Ⅲ类负荷，允许较长时间停电而不影响水电厂正常运行，电源数量设置考虑的主要因素是供电负荷和运行方式，为提高供电可靠性，选择两个独立电源供电，两个电源分别由不同的高压厂用电母线段上引接，两个电源可经自动装置进行相互切换，互为备用，要求两个电源间设置机械互锁或电气互锁，可至少保证一个可靠电源供电。

2 厂用电电压等级、接线设计

转轮加工厂海拔高程为869 m，属于设计规程描述中低于1 000 m 的常规地区，厂用电高压电压可选用10 kV，且电站原有6 段10 kV 母线，各段10 kV母线供电可靠，故设计将转轮加工厂两个独立电源分别取自厂内10 kV 两条母线。

加工厂配电室设高压开关柜4 台，2 进2 出，高压母线采用单母线接线方式，设2 台10/0.4 kV 干式变压器，要求两台变压器额定电压、组别、接线、短路阻抗相同，两台变压器可选择独立运行或并列运行，低压侧采用单母线接线方式，设置配电柜5 台，2 进2 出，低压侧用电负荷采用放射式与树干式相结合的配电方式，为平衡感性用电负载，提高功率因数，配置1 台低压电容补偿柜，接线如图1 所示。

图1 主接线示意图

供电方式为转轮加工厂配电室电源由两路10 kV 电缆引入，一路电源取自厂内10 kV 母线1 的馈线101 断路器，通过电缆接入配电室103 断路器，二路电源取自厂内10 kV 母线2 的馈线102 断路器，通过电缆接入配电室104 断路器；102 和104 断路器互为备用，为防止两路交流电源非同期并列，两个断路器间设有电气互锁和机械互锁功能，此接线有如下优点：

（1）低压侧采用单母线接线方式，相比较于双母线接线方式接线简单，无需考虑下级负荷分布情况，不需要额外增加联络断路器和备自投装置，开关柜数量少，投资成本降低；

（2）两台变压器高低压侧均连接同一条母线，当任一台变压器检修或故障，均可进行可靠隔离，不影响系统供电，供电可靠性高；

（3）两台变压器可根据实际用电负荷情况选择一台运行或两台同时运行，提高经济性[3]。

3 主要电气设备选择

3.1 变压器选择

在进行电气设备选择前，对转轮现场加工厂用电负荷进行统计，主要用电设备负荷统计见表1。

表1 主要用电设备负荷统计表

根据表1 计算得出设备用电计算负荷额定功率总和为1 649.7 kW，考虑上述设备的同时使用率最大约为60%，即综合系数按0.6 计算，厂用电最大负荷为989.82 kVA。经复核，大朝山水电站现有厂用电变压器的容量无法满足上述设备用电负荷的需求，考虑到每台变压器需留有20%裕量，故设计增设2 台容量为1 250 kVA 的干式变压器及配套所需的电缆、电气设备，第二台变压器可作为重负荷时使用，变压器型号选用SCB12-1250/10，10±2×2.5%/0.4 kV，Ud=6%，D,yn11，满足参数为：绝缘等级F 级，空载损耗≤1.670，负载损耗≤9.690，空载电流≤0.8%，噪音≤65 dB，GFDD 风冷系统，配低噪声轴流风扇，温显温控。

3.2 电力电缆短路电流计算及选型

经现场实际踏勘，转轮厂房配电室一路电源利用厂内10 kV 母线1 馈线开关柜101 至室外隔离开关之间已敷设的电力电缆，在室外隔离开关处新建1 台电缆分支箱，电缆经分支箱出线引至转轮厂房配电室，电源路径长312 m；第二路电源由电厂尾水架空线起点处T 接，在室外隔离开关处新建1 台电缆分支箱，电缆经分支箱出线引至转轮厂房配电室，电源路径长40 m。为合理选取电缆直径，绘制电缆接线示意图，见图2，对计划选用的ZAYJV22-8.7/15 kV-3×120 型号电缆截面积进行短路热稳定性复核计算[3]。

图2 电缆接线示意图

（1）计算短路电路的阻抗。取基准容量Sj=100 MVA，各元件有效电阻较小，不予考虑，当地电网的电抗：

选 取0.35 km ZA-YJV22-8.7/15 kV-3×120 电缆的电抗为：

(2）计算由当地电网供给K1、K2 点短路电流。基准容量Sj＝100 MVA，基准电流为：

由计算可得出其10 kV 侧最大短路电流值为IK1=16.6 kA，再进行电缆短路热稳定校核：

S：电缆热稳定要求最小截面（单位：mm2）

Qi：短路热效应

C：热稳定系数，C取137

I：10 kV 侧最大短路电流值，I1=16.6 kA，I2=16.2 kAt=0.65 s

最小允许截面S1=97.7 mm²；S2=95.3 mm²

因为ZA-YJV22-8.7/15 kV-3×120 型号电缆截面积120>97.7，再考虑到以后负荷存在增长的情况，所以选取截面积为120 mm2电缆能满足安全稳定要求。

3.3 开关柜选择

高压开关柜选择户内交流铠装中置移开式金属封闭开关柜（KYN28A-12），具备五防闭锁功能，柜顶设有压力释放板，柜内隔离活门、静触头盒固定板采用金属材质并可靠接地，柜内配用西门子3AE8-12630A-25 kA 型高压真空断路器，操作机构采用电动机储能方式，当失去电源时，可选择手动储能，同时断路器具有机械本体手动合分闸装置，可以在失去控制电源时操作断路器。

低压开关柜选择金属封闭抽屉式开关柜，型号为SIVACON8PT，框架的全部结构件都经过镀锌处理，每个盘柜与主母线间，各盘柜之间设置有隔板，可保证任何一个分支回路故障，在不停运行母线情况下进行检维修；柜内配有西门子3WL2N2500ETU45B/GD/3P 型断路器，断路器配装有脱扣器，具有三段式电流保护、接地保护，各保护可灵活采用定时限、反时限设定，延时可整定。

4 保护方式的选择及整定计算

本次整定计算是从整个设计接线系统出发，仅计算配电系统高压设备部分，因低压侧部分负荷具体情况还未正式确定，计算出的数值可能不完全适用于实际运行，故0.4 kV 配电装置继电保护计算不在本次计算范围内。对于新增的两台10 kV 配电变压器，保护方式及整定原则根据变压器额定容量进行选择，两台变压器型号均为SCB12-1250/10，10±2×2.5%/0.4 kV，Ud=6%，D,yn11，参照设计规程，单台变压器容量小于10 MVA，两台并联运行容量小于6.3 MVA，可不设置电流差动保护[2]，故转轮加工厂配电变压器不设置电流差动保护，考虑对变压器设置电流速断、过电流、过负荷、非电量保护。现以1 号变压器（对应105 断路器）为例进行定值整定计算。

4.1 电流速断保护定值整定

整定计算1：按1 号变压器低压侧三相短路流过高压侧的短路电流整定[5]：

1 号主变短路阻抗折算至基准阻抗：

容量基准值取100 MVA，可计算最大短路电流为：

I速断=K1×Idmax=1.3×1 203=1 564 A

电流速断保护可靠系数K1取1.3。

整定计算2：按躲过单台变压器最大励磁涌流整定[6]：

对于环氧浇注干式变压器的合闸涌流倍数为58，K2取最大值8 进行计算。

综合对比，为提高保护灵敏性选取计算较小值作为速断保护定值，105CT 变比为100/5，换算至二次电流值为28.84 A。

灵敏度校验：经计算由101 断路器供电时高压侧最小短路电流为7 658 A

故电流速断保护定值为28.84 A，延时0 s。

4.2 过电流保护定值整定

整定计算1：按躲过所带负荷需要自启动的电动机最大启动电流之和整定

可靠系数Krel取1.2，自启动的全部电动机在自启动时的过电流倍数Kzq取3。

整定计算2：按躲过额定电流下可靠返回条件整定

可靠系数Krel取1.05，返回系数Kr取0.9，105CT变比为100/5，故换算至二次电流值为4.21 A，延时设定1.5 s。

按躲过电机自启动电流计算是为备自投装置动作时所带自启动电机的群启问题考虑，但根据转轮加工厂实际情况不使用备自投功能，且计算值较大，故过电流保护按躲过额定电流下可靠返回条件整定，过电流保护定值选为4.21 A，延时设定1.5 s。

4.3 过负荷保护定值整定

过负荷保护按主要设备最大负荷进行计算

最大负荷时两台变压器同时运行，过负荷倍数K4取1.4，105CT 变比为100/5，换算至二次电流值为2 A，延时设定5 s,发报警信号。

综上所述，得出1 号变压器（105 断路器）的继电保护定值整定见表2。

表2 105 断路器继电保护定值单

5 结语

大朝山转轮加工厂设计的总结：

（1）高压侧、低压侧均采用单母线接线方式，两台干式变压器并列运行的设计，双电源供电，接线清晰，统筹兼顾供电可靠性与运行灵活性，可有效降低损耗，提高运行经济性，设备数量少，节省建设成本。

（2）配电室一路电源，电源路径长312 m，电缆起始高程951.51 m，电缆终点高程869 m，电缆沿山体进行折线敷设，采用桥架敷设方式和穿碳素波纹管直埋敷设方式，电缆路径3 次经过行车道，3 次穿越行车道均采用新建1 层2 列CPVCΦ160 行车排管，然后再采用直埋敷设方式，并做局部加固，在折线处套金属软管，以满足电缆转弯半径要求，经过对比发现桥架明敷具有减少土建成本和降低对其余设备干扰的明显优势。

（3）两路电源均引自电站原有高压母线，使用高压母线上的馈线断路器、部分已有的电力电缆和电缆井，有效降低了建设成本。

大朝山转轮加工厂厂用电源的数量设置、接线方式、主要电气设备选择满足设计规范要求，现配电室已正式投入使用，使用结果证明加工厂厂用电系统接线设计简单、清晰，运行方式灵活可靠，设备选型、继电保护定值整定合理，能满足加工厂的各种工况运行需要，为转轮加工生产提供了有力保障。