水电站电气一次设计方案的优化

杨 倩

(大唐雅安电力开发有限公司,四川 雅安 625500)

1 工程概况

随着我国国民经济的迅速发展,能源瓶颈问题已经成为当前制约经济发展的重要问题。水力发电因具有环保、成本低廉、循环利用和综合效益高等突出优点而得到了国家政策的大力扶持。因此,锅浪跷水电站应运而生。

锅浪跷水电站为混合式开发,坝址位于两河口下游约700 m处,厂址位于下游约11 km处的傍海腔,与在建的脚基坪电站衔接。电站装机3×70 MW,年发电量7.785 5亿kW·h,年利用小时数3 707 h,水库正常蓄水位1 280.00 m,总库容1.84亿m3,具有年调节能力。

2 系统接入方式

根据相关批复文件,锅浪跷电站以一回220 kV线路接入下游脚基坪220 kV变电站并入四川电网天全变电站,导线型号暂定为LGJ-400。

2.1 电气主接线

2.1.1 电气主接线方案比较

根据锅浪跷电站的出线电压等级、出线回路数、水能特性和电站枢纽总布置等特点,电气主接线应力求布置清晰、操作过程简单、维护方便、电气设备数量少、一次性投资和运行费用少[1]。同时,根据220 kV输送容量和运行方式,初步拟定了三个接线方案进行比较。

三个主接线方案技术经济比较见表1,经综合分析,方案一接线简单清晰,运行维护方便灵活,供电可靠性较高。因此,推荐方案一为该电站的电气主接线方案。

表1 主接线方案比较

2.1.2 厂用电接线和坝区供电

选配两台1 000 kVA的厂用变压器分别连接在两段发电机10.5 kV母线I段和Ⅱ段上,低压侧设有两段低压母线,布置在主厂房设备廊道内,低压母线设有联络开关,并设有自动投入装置。另设置一回外来电源通过一台1 000 kVA变压器降压接入厂用母线,3台变压器互为备用。厂内设置一台柴油发电机作为安保电源。

坝区供电由发电机扩大单元10 kV母线通过一台630 kVA隔离变压器引至坝区,通过一台630 kVA变压器降压至400 V接在坝区厂用电母线,另设置一回外来电源通过一台630 kVA变压器降压接入厂用母线,2台变压器互为备用。由于闸坝有防洪要求,电源必须可靠,因此,在闸坝母线上也设有一台柴油发电机,作为安保电源。

2.2 短路电流计算及主要电气设备选择

2.2.1 短路电流计算

(1)计算依据。①根据方案比较后推荐的主接线;②由于现无系统归算阻抗值,本电站220 kV母线的短路阻抗按无穷大系统考虑,基准容量100 MVA,基准电压为平均电压,进行短路电流计算[2]。

(2)为了校验该电站各电压级所选电气设备在三相短路时,各支路电气设备是否满足动、热稳定要求,须选择各电压级短路电流最大点进行短路电流计算。根据设计推荐的电站电气主接线方案,分别在220 kV母线上选择d-1短路点和10.5 kV发电机电压母线上选择的d-2、d-3短路点进行三相短路电流计算(图1),短路电流计算成果见表2。

图1 三相短路电流计算接线图

表2 短路电流计算结果表

2.2.2 电气设备选择

2.2.2.1 电站环境

多年平均气温 17 ℃

极端最高气温 36.8 ℃

极端最低气温 -4.2 ℃

多年平均相对湿度 84%

最大风速 17 m/s

多年平均雷暴日 31.8 d

地震烈度 Ⅷ度

2.2.2.2 主要电气设备

(1)水轮发电机主要技术参数

发电机型号 SF70-14/450

额定容量 70 MW

额定电压 10.5 kV

额定电流 4 398 A

功率因数 0.875

额定频率 50(Hz)

额定转速 428.6 r/min

纵轴超瞬变电抗Xd≈0.18

短路比 ≥1.05

绝缘等级 F级

励磁方式 自并激

(2)主变压器选择

①主变压器选择原则

a.无近区负荷,保证本电站三台机组额定负荷(3×70 MW)全部送出,不因变压器的容量选小了而受到限制,又不能因变压器的容量选择太大而造成变压器长期欠载运行而增加空载损耗;

b.变压器的运输重量(带油或充氮运输)及运输尺寸,不能超过公路、铁路、桥梁设计的承载能力和隧洞尺寸,锅浪跷电站最大一台主变压器不带油运输重量不大于120 t,按现有的运输公路均能满足设备运输要求;

c.根据上述原则,锅浪跷电站选择标准型号SF10-160000/220型变压器一台和SF10-80000/220型变压器一台,能把锅浪跷电站的全部电能送入系统。

②变压器参数

a.一号变压器参数

型式 户外双圈油浸风冷式

型号 SF10-80000/220

额定容量 80 MVA

额定电压 242±2×2.5%/10.5 kV

阻抗电压 10.5%

接线组别 YN.d11

调压方式 无励磁调压

b.二号变压器参数

型式 户外双圈油浸风冷式

型号 SF10-160000/220

额定容量 160 MVA

额定电压 242±2×2.5%/10.5 kV

阻抗电压 10.5%

接线组别 YN.d11

调压方式 无励磁调压

③220 kV电气设备

220 kV电气设备的选型关系到电站运行的可靠性、经济性以及枢纽布置方案。从设备选型上该电站可以选用户外敞开设备,也可以选用GIS设备。为了增加供电可靠性,为了检修和维护的便利,选用GIS设备布置比较合适。GIS设备主要技术参数如下:

额定电压 252 kV

额定电流 2 500 A

开断电流 40 kA

④发电机电压配电装置设备

发电机回路和厂用变高压侧回路电气设备均按其设备的额定电压、额定电流大于或等于回路的最高工作电压和持续工作电流进行选择,按该回路所选断路器、 隔离开关的额定开断电流4秒热稳定电流、 断流容量进行校验均满足要求[3]。柜内电气设备参数如下:

型式 专用发电机出口断路器

型号 -10/6 300 A-100

额定电压 10 kV

最高工作电压 11.5 kV

额定电流 6 300 A

额定开断电流 100 kA

4 s 热稳定电流 100 kA

数量 3套

发电机出口电压互感器的配电装置,初步选为XGN2-10 3150A/6300 A型开关柜,其元件的动、热稳定及熔断器开断容量均满足短路参数要求。并以接入系统报告为依据进行设备选型复核。

⑤导体设计

发电机的出线端子到变压器低压侧回路选用离相封闭母线,单元接线段电流为5 kA,扩大单元母线至变压器段电流为10 kA。

⑥厂用变压器及厂用低压屏

厂用变压器选择原则根据该电站装机容量的1%～2%进行初选,选择一台630 kVA干式变压器及两台1 000 kVA干式变压器作为该电站厂区厂用变压器,三台变压器互为备用;选择两台630 kVA干式变压器作为该电站坝区厂用变压器,两台变压器互为备用。其参数如下:

型式 户内三相干式变压器

型号 SCB10-630/10

额定容量 630 kVA

额定电压比 10.5±2×2.5%/0.4 kV

阻抗电压 4%

接线组别 D,yn11

型式 户内三相干式变压器

型号 SCB10-1000/10

额定容量 1 000 kVA

额定电压比 10.5±2×2.5%/0.4 kV

阻抗电压 6%

接线组别 D,yn11

型式 户内三相干式变压器(隔离变压器)

型号 SCB10-630/10

额定容量 630 kVA

额定电压比 10.5±2×2.5%/10.5 kV

阻抗电压 4%

接线组别 D,yn11

厂用配电屏选用技术性能好,运行可靠,维护方便的GCS型配电屏。

2.3 过电压保护及接地

2.3.1 过电压保护

2.3.1.1 压器中性点过电压保护

为了防止变压器中性点的避雷器在断路器非同期合闸时而爆炸,采用保护间隙和配合避雷器保护变压器中性点[4]。保护间隙距离在250～350 mm范围内调节;中性点的运行方式根椐系统调度而定。变压器中性点隔离开关,其中性点装有避雷器保护时,其电压等级应与避雷器额定电压配合。

2.3.1.2 直击雷保护

主、副厂房及GIS屋顶设置避雷带,并在建筑物每根柱内设引下线,与全厂接地网相连接,以加强避雷带的散流作用。闸门启闭机平台的栏杆全部接地。雷电侵入波的保护措施是:在各电压母线上配置相应的氧化锌避雷器。

为防止真空断路器快速切除发电机时使发电机端引起过电压幅值和电压上升速度,在发电机出口端装设氧化锌避雷器[5]。另外,要求220 kV所有出线上全线架设避雷线。

2.3.2 接地

电站最高电压为220 kV,主变中性点为直接接地或不接地方式运行,属于大接地短路电流系统。电站的接地电阻需满足设计规范要求。

电站的接地包括主厂房、副厂房、GIS室和闸坝等处。为了充分利用自然接地体的散流作用,将各处水工建筑物内的主钢筋和金属结构互相焊接,形成电气通路的5 m×5 m网孔。主、副厂房各层均敷设接地干线并与闸门、尾水门和压力钢管等自然接地体相连牢固焊接形成一个主接地网与自然接地体相连的总接地网。 避雷针到被保护设备的空气和地中距离均符合规范要求。在深化设计时,将根据实测的土壤电阻率估算接地电阻值,当计算的接地电阻值不能满足要求时,可在尾水渠中设置人工接地装置或在尾水渠中敷设接地模块的方法降低接地电阻。

2.4 电气设备布置

2.4.1 枢纽总布置

电气设备布置分四部分,即主厂房、变压器场、GIS和闸坝用电配电房。

2.4.2 主厂房电气设备布置

发电机层(993.30 m高程)下游侧布置机旁屏36面,分机组段呈“一”字形布置。

发电机层下游侧电气廊道(993.30 m高程)布置有1F、2F、3F机组段相对应的10 kV高压GCB断路器3套,还布置有0.4 kV低压配电屏GCS型30面。水轮机层下游侧电气廊道(987.30 m高程)布置有母线PT两套,FURV限流熔断器3套,发电机出口PT3套。励磁变压器3套,右侧布置有厂用变压器3台,隔离变压器1台。

紧靠电气廊道下游侧为母线廊道(993.30 m高程),水轮机层下游侧为母线电缆廊道(987.30 m高程),母线电缆廊道布置有电缆桥架,10 kV离相封闭母线。

离相封闭母线从发电机风罩壁上引出,经GCB及其他电气设备后通过母线电缆廊道引至变压器。

2.4.3 副厂房电气设备布置

副厂房设在主厂房安装间下游侧,紧靠主厂房安装间布置。

副厂房为一层建筑,布置在电气廊道上方。

高程为999.30 m,设有计算机室、中控室、通讯室和办公室等。

2.4.4 升压变电站电气设备布置

变压器场布置在副厂房下游侧,并设置事故排油坑。

开关站为GIS布置,220 kVGIS布置在变压器场下方,因其布置清晰,运行、检修和巡视安全、方便。

3 结 语

锅浪跷水电站结合工程实际情况,对相关的电气设备的选型和设计合理。水电站进行试运行后,所有设备工作正常,其各项指标均满足设计要求。电气主接线的方案选择,接线简单,运行维护方便灵活,供电可靠性高,经济性强。同时,电气设备作为水电站的核心部分,其选型计算是否合理对整个工程有着巨大影响,也会影响配套设施、厂房设计等几乎所有工作,作为技术人员,应当给予高度重视。