碾盘山水电站厂用电系统设计

刘伟 黄戡 陶锋

摘要：

为提高碾盘山水电站的厂用电供电系统可靠性，针对枢纽工程贯流机组自用电负荷大，供电可靠性要求高等特点，分析厂用电系统设计原则，计算厂用电最大负荷，总结出碾盘山水电站厂用电系统接线与运行方式：以10 kV和0.4 kV两级电压供电，采用机组自用电和全厂公用电混合的供电形式，厂用电母线采用0.4 kV分段环形接线，母线之间基于PLC实现备自投功能。实践证明，碾盘山电站的厂用电系统设计合理可行并安全可靠。

关键词：

厂用电系统； 供电可靠性； 分段环形接线； PLC； 备自投功能； 碾盘山水电站

中图法分类号：TV734

文献标志码：A

DOI：10.15974/j.cnki.slsdkb.2023.03.011

文章编号：1006-0081（2023）03-0063-03

0 引 言

碾盘山水利水电枢纽工程位于汉江中下游湖北省钟祥市境内，是汉江流域综合开发治理工程之一，除发电外兼具航运、泄洪、灌溉、供水等功能。该工程为Ⅱ等大（2）型工程，电站厂房内安装6台单机额定容量30 MW的灯泡贯流式水轮发电机组。灯泡贯流式电站厂用电系统用电负荷较为分散，机组自用电负荷大，对供电可靠性要求高，因此其厂用电系统比一般水电站复杂。针对碾盘山水电站厂用电系统工作特点，参考同类电站的设计经验，选定10 kV和0.4 kV两级电压、机组自用电和全厂公用电混合的供电方式。

本文以碾盘山水电站的厂用电系统设计为切入点，为提高其供电可靠性，讨论了电站厂用电系统不同的接线形式及实现方式。目前，水电站厂用电接线形式多以单母线或单母线分段接线为主，厂用电源切换采用常规的备自投装置为主［1-3］。厂用电系统设计中，低压厂用电母线采用分段环形接线形式，并通过PLC实现电源间的备自投功能，有效提高了厂用电系统的供电可靠性。

1 厂用电系统设计原则

碾盘山水利水电枢纽从左至右依次布置为左岸连接土坝、24孔开敞式平底泄水闸、河床式灯泡贯流厂房、连接混凝土重力坝（含鱼道）及船闸等，轴线总长1 200.0 m，电站厂用电系统具有用电负荷分散、供电范围广，供电距离远等特点。厂用电系统设计遵循以下两个原则：① 系统采用两级电压供电来保证电能质量，高压厂用电电压采用10 kV，低压厂用电电压采用0.4 kV。② 为确保全部机组可同时运行或单个机组运行，必须保证同时有不少于2个的独立厂用电电源。当全部机组停止运行时，必须保证至少有1个独立电源。

2 厂用电接线设计

2.1 厂用电电源

电站發电机-变压器组接线方式采用两机一变的扩大单元接线，全厂共3组扩大单元，从每个扩大单元发电机电压母线引接一厂用电工作电源。根据NB/T 35044-2014《水力发电厂厂用电设计规程》，当扩大单元组数量在2～3组时，至少从2组扩大单元引接。为提高厂用电系统供电可靠性，选用灵活的匹配机组运行方式，从3组扩大单元发电机电压母线各引接1回厂用电工作电源，3回厂用电工作电源之间互为备用。由枢纽附近的110 kV文集变电站引接1回10 kV线路至厂用电10 kV母线，作为电站厂用电系统的备用电源。全厂停机时，系统可以倒送电以保证供电。同时，另设一台柴油发电机组作为厂用电保安电源。

2.2 厂用电接线方式

10 kV高压厂用电系统分为3段母线，采用单母线分段接线。工作电源分别从3个扩大单元的10.5 kV隔离变压器引接，母线编号为1LM，2LM与3LM，备用电源从文集变电站10 kV母线接入10 kV厂用电母线2LM。三段母线之间设母联断路器并采用PLC实现“四进三出”备用电源自动投入功能。系统正常运行时，各母线分段运行；任意母线失电时，由其他母线自动投入供电。备用电源自动投入装置要求出口逻辑设定灵活，避免任一母线上的两个断路器同时合闸冲击同一段母线。

厂用电接线0.4 kV进线4回，0.4 kV厂用电母线分Ⅰ，Ⅱ，Ⅲ段，分别从厂用电的10 kV母线1 LM，2 LM与3 LM上的10 kV厂用变压器引接，柴油发电机出线接至厂用电0.4 kV的Ⅱ段母线。三段母线采用分段环形接线，各段母线之间设母联断路器，并设置备用电源自动投入装置。各段母线分段运行，母线上的负荷均匀分配。根据厂用电负荷性质和分布地点，采用辐射式供电。厂用电系统接线如图1所示。

碾盘山水电站低压厂用电系统采用分段环形的接线方式。分段环形接线是一种较普通辐射式供电更为可靠的接线形式，在城市电网中广泛应用，能够一定程度上确保供电可靠性［4］。其劣势在于，与常规接线方式比较，增加了设备投资，备自投装置动作逻辑复杂。

水电站低压厂的分段环形接线，分别从三段发电机出口电压母线，引接三路工作电源，当某一段或二段发电机出口电压母线停电检修或电源回路设备突发故障时，对整个低压厂用电系统不会产生较大影响。当发生停电事故，只需合闸与带电母线间的母线分段开关即可恢复供电。若采用常规单母线分段接线，当中间母线即Ⅱ段母线故障时，Ⅰ段和Ⅲ段母线有可能因本段母线电源发电机停机而失电，且较分段环形接线，设备投资只减少了1台分段联络柜及若干连接导体约15万元。本工程中应优先考虑供电可靠性，且采用分段环形接线增加投资不明显，采用该方案是适宜的。

3 厂用电设备选择

3.1 厂用电最大负荷计算

枢纽供电范围包括坝区、泄水闸、电站厂房以及船闸。电站厂用电负荷包括机组自用电和公用电（含检修用电）。在全部机组正常运行和1台机组检修、其余机组正常运行的两种工况下，各用电部位计算负荷采用综合系数法计算［5］，统计负荷情况如表1所示。

根据负荷统计结果，厂用电最大负荷出现在1台机组检修，其余机组正常运行时，经计算额定功率总和为2 549 kW，取综合系数为0.79，则厂用电最大负荷为Sjg=0.79×2 549=2 013.7 kW。选用厂用变压器3台，每台的额定容量不低于厂用电最大负荷的60%，并考虑1.3倍的过负荷，可选用1 600 kW。厂用变压器为正常供电电源，当全厂停机，该组变压器停运时，可投入备用电源或系统倒送电承担厂用电负荷。

3.2 厂用变压器型式及布置

为满足枢纽布置、防火及节能要求，厂用变压器选用SCBH15型非晶合金干式变压器。非晶合金干式变压器和常规的硅钢片变压器相比，空载损耗降低 70%～80%，空载电流降低40%～50%［6］。根据厂用电负荷计算容量，3台厂用变压器可选择型号为SCBH15-1600/10.5±2×5%/0.4 kV。

厂用电负荷主要集中在高程41.7 m水泵层、47.7 m运行层和53.8 m运行层，因此厂用电配电设备主要布置在高程47.7 m运行层的电气副厂房内。為方便运行管理，同时方便厂用变压器与低压柜的连接，3台厂用变压器均布置在厂房低压配电室内，与厂用0.4 kV低压柜并排放置。变压器本体加固外壳，10 kV与0.4 kV侧引出线分别与高、低压柜连接，其中高压侧采用电缆连接，低压侧采用铜排与低压柜侧面连接。低压柜采用抽屉式开关柜，分两列对向布置，0.4 kV的Ⅰ段母线同列布置，Ⅱ段与Ⅲ段母线单独一列布置，Ⅰ段与Ⅱ段和Ⅲ段母线间通过低压母线槽连接形成环网。

4 厂用电运行方式

碾盘山水电站0.4 kV厂用电系统包含3个正常工作电源，1个交流保安电源，共有4个电源进线开关以及3个母线分段开关，并通过1台PLC实现备自投功能。

传统的备用电源自动投入装置采用各种继电器、接触器、开关等设备，根据不同的运行方式构成备自投回路，设备体积大、接线复杂、可靠性差。近年来广泛采用微机型备用电源自动投入装置，其特点是拥有完善的故障逻辑判断和可靠的故障响应，但基本用于典型的分段自投或进线自投装置。传统的备用电源自动投入装置和微机型备用电源自动投入装置很难满足碾盘山水电站厂用电系统的安全可靠运行要求。基于 PLC 实现的备用电源自动投入装置与常规备自投装置相比，不仅动作逻辑实现起来更加简单，还可随时通过修改程序实现逻辑变换，设备投资少，是一种性价比较高的厂用电备自投实现方法［7-8］。

碾盘山水电站0.4 kV厂用电系统备自投方案见表2，其运行逻辑关系如下。

（1） 正常工作时，3台厂用变压器为主供电源，3段母线独立运行，所有分段断路器、保安电源均断开。

（2） 当检测到本段母线厂用变压器失电时，断开本段母线厂用变压器低压侧断路器，合上与第一备用电源母线间的分段断路器。

（3） 当检测到本段母线厂用变压器、第一备用电源母线厂用变压器均失电时，断开本段母线厂用变压器低压侧断路器，断开与第一备用电源母线间的分段断路器，合上与第二备用电源母线间的分段断路器。

（4） 当检测到本段母线厂用变压器、第一备用电源母线厂用变压器、第二备用电源母线厂用变压器均失电时，退出母线备自投功能，运行人员可根据当时实际情况选择是否投入柴油发电机［8］。

5 结 语

碾盘山水利水电枢纽对汉江干流梯级开发有着重要作用，厂用电系统的供电可靠性直接关系到整个枢纽的效益以及泄洪、航运设施的安全运行，厂用电系统的设计在满足相关规程规范前提下，供电的安全性与可靠性应放在首位。本文对碾盘山水电站的厂用电系统设计方案进行总结，分析了分段环形接线形式以及PLC备自投装置应用在厂用电系统中的优劣性和可行性，实践证明碾盘山电站的厂用电系统设计合理可行并安全可靠，可供类似工程借鉴。

参考文献：

［1］ 徐则诚，董晓宁，王树清，等.巴基斯坦卡洛特水电站厂用电系统设计［J］.水利水电快报，2021，42（11）：84-87.

［2］ 张飞跃.角木塘水电站厂用电系统设计［J］.四川水利，2019，40（6）：67-69.

［3］ 张蕾.三河口水电站厂用电系统设计［J］.陕西水利，2017，9（5）：109-111.

［4］ 梁改革，赵跃宇，牛茂云.10 kV配电网合环运行研究［J］.电工技术，2016（12）：29-30，35.

［5］ 陈帮秀.新形势下高效节能非晶合金干式变压器的发展［J］.建筑电气，2021，40（6）：17-20.

［6］ 水电站机电设计手册编写组.水电站机电设计手册（电气一次）［M］.北京：水利电力出版社，1982.

［7］ 安振，杨杰.应用PLC实现的水电站厂用电备自投功能［C］∥2021年年会暨全国水电厂智能化应用学术交流会论文集.北京：中国水力发电工程学会自动化专委会，2021.

［8］ 赵亮，曹春岩.乌东德水电站厂用电系统设计介绍［J］.水电与新能源，2018，10（32）：26-28，78.

（编辑：唐湘茜）

Design of auxiliary power system for Nianpanshan Hydropower Station

LIU Wei1，HUANG Kan1，TAO Feng2

（1.Hubei Institute of Water Resources Survey and Design，Wuhan 430070，China； 2.Water Resources Allocation Engineering Construction and Management Bureau of Northern Hubei Province，Wuhan 430062，China）Abstract：

In order to improve the reliability of auxiliary power supply system of Nianpanshan Hydropower station，the design principle of auxiliary power system was analyzed and the maximum load of auxiliary power was calculated according to the characteristics of large self-power load and high demand for power supply reliability of tubular units in key project，the connection and operation mode of auxiliary power system of Nianpanshan Hydropower Station was summarized，which is supplied with 10kV and 0.4 kV voltage，and the power supply mode was mixed with the self-use power of the unit and the public power of the whole power plant，the auxiliary power bus adopts 0.4 kV segment ring connection，and the auxiliary automatic switch function was realized between the buses based on PLC.The practice proved that the auxiliary power system design of Nianpanshan Hydropower Station was reasonable，feasible，safe and reliable.

Key words：

auxiliary power system； power supply reliability； segment ring connection；PLC； automatic switch function； Nianpanshan Hydropower Station

收稿日期：

2022-04-21

作者简介：

刘 伟，男，高级工程师，主要从事水利水电工程电气设计工作。E-mail：adamzorro@163.com