溪洛渡水電站進(jìn)水口配電設(shè)備選擇研究

曹錫楓

(中國水電顧問集團(tuán)成都勘測設(shè)計(jì)研究院，四川 成都 610072)

1 前 言

溪洛渡水電站位于四川省雷波縣與云南省永善縣交界的金沙江干流上，電站共裝機(jī)18臺，其中左岸地下電站和右岸地下電站各布置9臺單機(jī)額定容量為770MW混流式水輪發(fā)電機(jī)組，多年平均發(fā)電量572億kW·h。

2 進(jìn)水口低壓配電接線

根據(jù)溪洛渡電站在系統(tǒng)中地位的重要性，要求進(jìn)水口具有較高的供電可靠性，廠外樞紐左、右岸低壓配電采用0.4kV供電，單母線分段接線。

3 導(dǎo)體設(shè)備選擇

大型水電站具有裝機(jī)臺數(shù)多、樞紐布置復(fù)雜、供電距離較長、單個(gè)配電負(fù)荷容量較大的特點(diǎn)。因此，在導(dǎo)體選擇時(shí)應(yīng)引起注意，在設(shè)計(jì)中應(yīng)遵循盡量減小供電距離，保證電機(jī)啟動(dòng)端電壓，滿足機(jī)械要求的起動(dòng)轉(zhuǎn)矩的原則進(jìn)行設(shè)計(jì)。

根據(jù)溪洛渡右岸進(jìn)水口閘頂樞紐布置，右岸進(jìn)水口閘頂總長275m左右，進(jìn)水口閘頂最大負(fù)荷為：2臺閘頂門機(jī)160kW(變頻啟動(dòng))、9個(gè)進(jìn)水口液壓啟閉機(jī)快速門(每個(gè)門由2臺45kW油泵電機(jī)Y-△降壓啟動(dòng))、其余為檢修、照明等負(fù)荷。原配電房布置在右岸進(jìn)水口閘頂中部13～14號機(jī)進(jìn)水口之間，根據(jù)工程進(jìn)展和現(xiàn)場實(shí)際情況，結(jié)合樞紐布置要求，現(xiàn)將閘頂配電和右岸10kV配電中心一起考慮，最大供電距離達(dá)到400m左右，導(dǎo)致大容量電機(jī)啟動(dòng)時(shí)壓降較大，通過在不同運(yùn)行工況和啟動(dòng)組合方式下計(jì)算導(dǎo)體壓降，選擇滿足電機(jī)啟動(dòng)壓降的導(dǎo)體。

3.1 配電變壓器容量計(jì)算

根據(jù)進(jìn)水口負(fù)荷容量較大，運(yùn)行頻率較低，同時(shí)運(yùn)行率低的特點(diǎn)，按照DL/T 5164—2002《水力發(fā)電廠廠用電設(shè)計(jì)規(guī)程》中綜合系數(shù)法、負(fù)荷統(tǒng)計(jì)法計(jì)算的同時(shí)，并參照水電站手冊第三節(jié)—廠用變?nèi)萘窟x擇中軸功率作精確計(jì)算，通過以下不同工況運(yùn)行的幾種方法計(jì)算比較，選取合適的配電變壓器容量。

3.1.1 綜合系數(shù)法和負(fù)荷統(tǒng)計(jì)法

進(jìn)水口負(fù)荷統(tǒng)計(jì)見表1：

正常運(yùn)行情況下：作為兩臺互為備用的配電變壓器，每臺配電變壓器的額定容量應(yīng)滿足所有Ⅰ、Ⅱ類負(fù)荷或短時(shí)滿足配電最大負(fù)荷的需要。最大負(fù)荷按每臺變壓器分別各帶二個(gè)液壓啟閉機(jī)快速門同時(shí)啟門工作。

根據(jù)DL/T 5164—2002《水力發(fā)電廠廠用電設(shè)計(jì)規(guī)程》：

B.1 綜合系數(shù)法

B.1.2 全廠廠用電負(fù)荷或全廠公用電與機(jī)組自用電混合供電時(shí)：

Sjs=Ko∑Po

(B.2)

式中Ko——全廠或混合供電時(shí)廠用電負(fù)荷的

綜合系數(shù)，取值見表B.1，本配電

系統(tǒng)負(fù)荷綜合系數(shù)取0.78；

∑Po——所有同時(shí)參加最大負(fù)荷運(yùn)行時(shí)負(fù)荷的額定功率的總和，kW。

表1 進(jìn)水口負(fù)荷統(tǒng)計(jì)

Sjs=Ko∑Po=0.78×612.6=478(kVA)

B.2 負(fù)荷統(tǒng)計(jì)法。負(fù)荷統(tǒng)計(jì)法計(jì)算式為：

(B.4)

式中Kv——廠用電系統(tǒng)網(wǎng)損率，取1.05；

Kfg——全廠公用電負(fù)荷率，取0.72～0.74，廠用電負(fù)荷中電熱負(fù)荷較大時(shí)取大值，反之取小值；

Ktg——全廠公用電同時(shí)率，取0.73；

∑Pg——所有同時(shí)參加最大負(fù)荷運(yùn)行的全廠公用負(fù)荷額定有功功率的總和，kW；

∑Qg——所有同時(shí)參加最大負(fù)荷運(yùn)行的全廠公用電負(fù)荷額定無功功率的總和，kvar；

3.1.2 軸功率法

單臺電動(dòng)機(jī)的負(fù)荷率選取原則：

(1)GB 50055-93《通用用電設(shè)備配電設(shè)計(jì)規(guī)范》第2.2.3條電動(dòng)機(jī)額定功率的選擇，在選擇電動(dòng)機(jī)額定功率時(shí)，根據(jù)機(jī)械的類型和重要性，應(yīng)計(jì)入適當(dāng)?shù)膬湎禂?shù)(見表2)。

(2)根據(jù)《電力工程電氣設(shè)計(jì)手冊》電動(dòng)機(jī)容量選擇：

Pe≥K×Kt×Kh×Pz

式中Pe——電動(dòng)機(jī)額定功率：

Pz——機(jī)械需要軸功率；

K——機(jī)械儲備系數(shù)；

Kt——溫度修正系數(shù)；

Kh——海拔修正系數(shù)。

表2 機(jī)械儲備系數(shù)

對液壓啟閉機(jī)Y系列45kW電機(jī)，儲備系數(shù)取1.15～1.2，其倒數(shù)1/1.15=0.87為該設(shè)備的負(fù)荷率。(廠家提交資料：液壓啟閉機(jī)實(shí)際功率為37kW，供貨電機(jī)為45kW，基本滿足0.8倍的負(fù)荷率)。

根據(jù)DL-T 5164-2002《水力發(fā)電廠廠用電設(shè)計(jì)規(guī)程》第7.2.2條文說明：一般啟閉機(jī)電動(dòng)機(jī)選擇規(guī)范中要求，電動(dòng)機(jī)容量和機(jī)械需要容量誤差不大于5%；(DL-T 5167-2002水電水利工程啟閉機(jī)設(shè)計(jì)規(guī)范附錄H)(油泵電動(dòng)機(jī)組計(jì)算系統(tǒng)壓力損失5%～10%，系統(tǒng)泄漏系數(shù)1.1～1.3，其(1.1～1.3)×(1-5%)=1.045～1.235的倒數(shù)即為負(fù)荷率：0.95～0.8)。

綜上所述：對液壓啟閉機(jī)Y系列單臺電機(jī)負(fù)荷率取0.9。

事故檢修運(yùn)行情況下：當(dāng)一臺變壓器故障，另一臺變壓器帶全部運(yùn)行負(fù)荷?？紤]一個(gè)液壓啟閉機(jī)門啟動(dòng)時(shí)，在閘頂另一端160kW門機(jī)同時(shí)檢修吊門的情況，根據(jù)實(shí)際參加運(yùn)行負(fù)荷軸功率統(tǒng)計(jì)計(jì)算變壓器容量(見表3)。

各系數(shù)選取：Kv—廠用電系統(tǒng)網(wǎng)損率，取1.05；Kfg—負(fù)荷率，取0.9；Ktg—同時(shí)率為1。

結(jié)論：通過以上分析計(jì)算，在進(jìn)水口部位負(fù)荷同時(shí)工作概率較小的情況下，采用軸功率計(jì)算較為精確，經(jīng)計(jì)算選用二臺SCB10-630/10配電變壓器。

3.2 配電出線回路額定電流、電纜截面、空氣開關(guān)脫扣電流選擇計(jì)算

低壓動(dòng)力電纜有ZR-VV型和ZR-YJV兩大類進(jìn)行選擇，從節(jié)約電纜投資出發(fā)，對小容量負(fù)荷，導(dǎo)體選擇截面小于185mm2的電纜，選用最高工作溫度不超過70℃的ZR-VV型電纜；對大容量負(fù)荷，導(dǎo)體選擇截面大于185mm2的電纜，選用最高工作溫度不超過90℃的ZR-YJV型電纜。由于進(jìn)水口門機(jī)的電纜較長，電纜敷設(shè)系數(shù)取0.6；其余配電回路電纜敷設(shè)系數(shù)取0.7，各負(fù)荷選擇計(jì)算見表4：

3.3 電機(jī)啟動(dòng)電機(jī)端電壓計(jì)算

水電站電動(dòng)機(jī)設(shè)備啟動(dòng)可分為三大類：直接啟動(dòng)、降壓啟動(dòng)、軟啟動(dòng)、變頻啟動(dòng)，各類電機(jī)繞組接線形式和啟動(dòng)特點(diǎn)見表5。

表5 各類電機(jī)繞組接線形式和啟動(dòng)特點(diǎn)

通過以上列表分析，單臺電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)電流倍數(shù)kq的選取原則如下：

(1) 鼠籠式直接啟動(dòng)：采用全壓啟動(dòng)，回路設(shè)備簡單，可靠性相對提高，適合Y型或YZ型鼠籠電機(jī)。(Kq=5.5～7)

(2) 鼠籠式Y(jié)-△降壓啟動(dòng)：當(dāng)負(fù)載對電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)力矩?zé)o嚴(yán)格要求，又要限制電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)電流，且電機(jī)滿足380V的Y接線條件才能采用降壓啟動(dòng)，啟動(dòng)電流只有全電壓啟動(dòng)電流的1/3，但啟動(dòng)力矩也只有全電壓啟動(dòng)力矩的1/3。(Kq=2.5)

(3) 軟啟動(dòng)：當(dāng)采用軟啟動(dòng)方式啟動(dòng)時(shí)，通過軟啟動(dòng)裝置給定初始電壓和啟動(dòng)時(shí)間進(jìn)行調(diào)節(jié)初始轉(zhuǎn)矩，控制啟動(dòng)電流在2～4.5倍電動(dòng)機(jī)額定電流以內(nèi)。(Kq=2～4.5)

(4) 變頻啟動(dòng)：當(dāng)采用變頻方式啟動(dòng)時(shí)，可以平滑地起動(dòng)(起動(dòng)時(shí)間變長)，起動(dòng)電流為額定電流的1.2～1.5倍，起動(dòng)轉(zhuǎn)矩為70%～120%額定轉(zhuǎn)矩；對于帶有轉(zhuǎn)矩自動(dòng)增強(qiáng)功能的變頻器，起動(dòng)轉(zhuǎn)矩為100%以上，可以帶全負(fù)載起動(dòng)。(Kq=1.5)

針對溪洛渡電站金屬結(jié)構(gòu)設(shè)備訂貨的技術(shù)協(xié)議，進(jìn)水口液壓啟閉機(jī)和閘頂門機(jī)的電機(jī)選取如下：

進(jìn)水口液壓啟閉機(jī)：液壓啟閉機(jī)屬輕載啟動(dòng)，電機(jī)選取45kW的Y型鼠籠電機(jī)，采用Y-△降壓啟動(dòng)，效驗(yàn)計(jì)算啟動(dòng)電流倍數(shù)按Kq=3取值。

閘頂門機(jī)：閘頂門機(jī)屬重載啟動(dòng)，電機(jī)選用YZP-160鼠籠電機(jī)，采用變頻方式啟動(dòng)，效驗(yàn)計(jì)算啟動(dòng)電流倍數(shù)按Kq=2.5取值。

根據(jù)DL/T 5164—2002《水力發(fā)電廠廠用電設(shè)計(jì)規(guī)程》附錄D計(jì)算電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)電壓：

(1) 最大一臺門機(jī)160kW變頻啟動(dòng)時(shí)的端電壓計(jì)算見表6、7：

a.電纜接線方式一(接線簡圖見圖1)(選1根ZR-YJV-3×300+1×150)。

圖1 電纜接線方式一的接線簡圖

b.電纜接線方式二(接線簡圖見圖2)(選2根ZR-VV-3×185+1×95)。

(2) 每個(gè)進(jìn)水口液壓啟閉機(jī)(2臺×45kW)控制箱采用二根ZR-VV-3×185+1×95電纜分別

圖2 電纜接線方式二的接線簡圖

1啟動(dòng)時(shí)廠用高壓母線電壓標(biāo)么值式中 U1?———啟動(dòng)時(shí)高壓母線電壓標(biāo)么值Snb1———高壓廠用變壓器額定容量2 500kVAUZ1———高壓廠用變壓器的阻抗電壓8%S1———擔(dān)負(fù)自啟動(dòng)的高壓母線上在自啟動(dòng)以前已接有的計(jì)算負(fù)荷(kVA),初估計(jì)1 000kVAIq2———接于低壓母線上的自啟動(dòng)電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)電流Kqd=2.5(變頻啟動(dòng)效驗(yàn))U1?=1.051+S1+3×0.38×lq2Snb1×UZ1U1?=1.051+1 000+3×0.38×2.5倍×2972 500×0.08U1?=1.051+1 000+4892 500×0.08U1?=1.0022啟動(dòng)時(shí)低壓母線電壓式中 U2?———啟動(dòng)時(shí)低壓母線電壓標(biāo)么值Sqd=3UndIq2Iq2=Kqd·IndUnd=0.38kVKqd=2.5(變頻啟動(dòng)效驗(yàn))S2———啟動(dòng)前廠用低壓母線上已帶負(fù)荷(kVA);取200kVAPnd———啟動(dòng)時(shí)電動(dòng)機(jī)的額定容量160(kW)Snb2———低壓廠用變壓器額定容量630kVAUZ2———低壓廠用變壓器的阻抗電壓4%U2?=U1?1+S2+3×0.38×lq2Snb2×UZ2U2?=1.0021+200+3×0.38×2.5倍×297630×0.04U2?=1.0021+200+489630×0.04U2?=0.963啟動(dòng)時(shí)電動(dòng)機(jī)的端電壓式中 Ud?———電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)時(shí)端電壓標(biāo)么值Iq2———電動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)電流(A)rl、xl———導(dǎo)線單位長度的電阻、電抗(Ω/km)L———導(dǎo)線長度0.4(km)cosφd———電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)時(shí)的功率因數(shù),鼠籠式取0.35,繞線式取0.5～0.65Und———電動(dòng)機(jī)的額定電壓(kV),取0.38kVUd?=U2?1+3lq2(rlcosφd+xlsinφd)LUndUd?=0.961+3×2.5倍×297(0.095×0.35+0.077×0.94)×0.4380Ud?=0.961+3×2.5倍×297×0.105 63×0.4380Ud?=0.839=83.9%<85%(不合格)

表7 160kW變頻啟動(dòng)時(shí)的端電壓計(jì)算(接線方式二)

接于低壓兩段主母線(接線簡圖見圖3)。當(dāng)一臺變壓器啟動(dòng)二個(gè)進(jìn)水口液壓啟閉機(jī)，效驗(yàn)4臺電機(jī)同時(shí)啟動(dòng)的端電壓計(jì)算見表8(由于控制箱距電機(jī)較近，對該段電纜的壓降忽略不計(jì))。

根據(jù)《水電廠用電規(guī)程》6.6.1條：電動(dòng)機(jī)正常啟動(dòng)時(shí)，所連接母線電壓降應(yīng)滿足下列要求：

(1)電動(dòng)機(jī)經(jīng)常啟動(dòng)，不大于10%；不經(jīng)常啟動(dòng)不大于15%。

(2)電動(dòng)機(jī)能保證生產(chǎn)機(jī)械要求的啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩，且在不破壞同一線路及其他用電設(shè)備供電的條件下，可不大于20%。

(3)電動(dòng)機(jī)由單獨(dú)的變壓器供電且不經(jīng)常啟動(dòng)時(shí)，應(yīng)按生產(chǎn)機(jī)械要求的啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩確定，可大于20%。

(4)條文7.2.2條：對于閘門啟閉機(jī)電機(jī)，一般不宜低于85%額定電壓。

通過以上計(jì)算，電纜截面選擇滿足設(shè)備啟動(dòng)壓降的要求。

表8 檢驗(yàn)4臺電機(jī)同時(shí)啟動(dòng)的端電壓值

3.4 變壓器主回路低壓空氣開關(guān)開斷電流計(jì)算

設(shè)高壓側(cè)系統(tǒng)為無窮大，電抗值為零。

(1)變壓器低壓側(cè)短路時(shí)高壓側(cè)提供短路容量：

(2)低壓側(cè)短路時(shí)(>20kW)電機(jī)提供短路電流：

(3)低壓側(cè)短路時(shí)短路電流合計(jì)：

圖3 進(jìn)水口液壓啟閉機(jī)接線簡圖

3.5 配電屏主母線和插接母線選擇計(jì)算：

運(yùn)行方式：

按環(huán)境溫度對導(dǎo)體載流量修正后選擇低壓屏母線和插接母線。

當(dāng)一臺變壓器故障時(shí)，另一臺帶全部配電負(fù)荷。

水電一次手冊P255：

導(dǎo)體長期允許工作溫度70℃，環(huán)境溫度40℃；

導(dǎo)體載流量修正系數(shù)：

K修正=0.816 1

K豎放=1.0

K平放=0.92(本配電系統(tǒng)插接母線為豎放)。

變壓器低壓側(cè)導(dǎo)體計(jì)算電流：

查建筑電氣安裝圖集JD50-113：

選TMY-3×(100×8)+1×(100×8)

25℃時(shí)載流量為：2 080A。

結(jié)論：合格。

3.6 主回路低壓空氣開關(guān)脫扣電流和CT變比選擇計(jì)算(見表9)

表9 主回路低壓空氣開關(guān)脫扣電流和CT變比選擇計(jì)算

通過以上分析，對大型電站特殊部位配電變壓器容量選擇宜采用軸功率進(jìn)行計(jì)算，在設(shè)計(jì)過程中應(yīng)根據(jù)不同供電部位，了解啟閉機(jī)啟動(dòng)控制運(yùn)行方式和要求，合理并準(zhǔn)確選擇變壓器阻抗電壓和導(dǎo)體截面。