淺論水電工程廠用及船閘用電設計優化

劉 慧 琳

(中國能源建設集團廣西電力設計研究院有限公司， 廣西 南寧 530007)

0 前 言

近幾年，筆者參與設計建設了幾個國內外大中型水電站，其中包括裝機8×57 MW低水頭貫流式機組的橋鞏水電站，裝機3×16 MW的越南占化水電站、裝機2×44 MW高水頭沖擊式機組的老撾HLG水電站、裝機2×22.5+2×18 MW的都柳江大融、從江航電樞紐。通過對上述幾個不同類型水電站的廠用及船閘用電設計經驗分析，總結了對廠用及船閘用電規劃，廠用電電壓及中性點接地、配電母線，廠用電低壓電器設備及電纜導體選擇部分內容的一些優化設計，供同類工程借鑒。

1 廠用及船閘用電規劃設計

水電站廠用及船閘用電設計之初，收集廠用電負荷、按照設備系統及分布位置擬定廠用電接線、規劃好變壓器、主分屏的數量，在接線圖基礎上再設計招標、施工詳圖。主屏指400 V配電主屏；分屏包括：機組輔機控制柜、全廠公用設備控制柜、配電柜、磁力啟動器(內裝接觸器及熱繼電器)、按鈕箱等。電站的風機數量很多，且有與消防聯動要求。若采用每臺風機旁設一個磁力啟動器的方案，磁力啟動器由于尺寸較小，增加接點不易，配消防聯動線也較困難。若采用配電及控制設備集中統一放置一個柜內，每臺風機再配一個現地按鈕箱進行現地操作的方案，電控箱尺寸較大，布置過多的電控箱則會影響美觀。綜合考慮走線簡潔、布置美觀、操作方便等原則，決定在每一層統一設置一個風機電控柜，在每臺風機旁配一個現地按鈕箱的方式。消防聯動接線、PLC控制接線全在電控柜上，按鈕箱尺寸也相對較小，布置起來較美觀。

2 廠用及船閘用電電壓及中性點接地、配電母線優化設計

低壓廠用電系統的中性點接地方式，一般有兩種：中性點經高電阻接地和中性點直接接地。這兩種方式的區別主要為：高電阻接地方式在發生單相接地故障時不用立即跳閘，動力網絡和照明、檢修網絡相互獨立，供電可靠性較高，但是低壓廠用網絡較復雜，必須另設照明、檢修網絡，增加照明、檢修和其他單相負荷的供電變壓器，對二次的220 V交流電源，也需要另設控制變壓器獲取。中性點直接接地方式在發生單相接地故障時立即跳閘，動力網絡和照明、檢修網絡可以共用，互相影響大，供電可靠性較低，但是這種方式在發生單相接地短路時，中性點不發生位移，防止了相電壓出現不對稱及超過250 V，低壓廠用網絡較簡單，不用另設控制變壓器獲取二次的220 V交流電源，不用增加照明、檢修和其他單相負荷的供電變壓器，可為了獲得足夠的單相接地時的靈敏度，可能需加大電纜截面及采用四芯電纜，以增大單相接地時的短路電流。

主、分屏配電母線目前我們都是按A、B、C、N、PE五線配制，然后示意把N、PE互連后接地，變成四線制中的PEN線。配成5線是考慮A、B、C、N線布置在柜頂，可直接側伸出與并列放置的廠變A、B、C、N線連接，而PE線則布置在柜底，便于設備及電纜等的接地。以往工程招標圖中未要求廠家將N、PE線連接好，在現場就需增加柜頂N至柜底PE線的連接工作及材料。安裝圖如沒交待這個工作及材料，往往造成遺漏。如越南占化水電站的總結中提到：“廠用電圖低壓屏柜N和PE共一根母線，而訂貨來的低壓屏柜N和PE是兩根獨立母線，N是絕緣的，PE是接地的。設代人員帶運行單位的電氣班長到一個個屏柜去交底，要將N和PE母線用導線連接并從PE母線接地，但歷時幾個月工作都未完成。施工期是用施工用電接進400 V系統使用，零線和火線錯位常有，備用電源接觸器線圈、母線PT、燈泡等都是交流220 V，錯接一次，交流380 V電壓就會燒去上萬元的元器件。若N相接地了，就可避免了。”因此，若按五線配，在招標文件中就要求廠家將N、PE線連接好；若全廠低壓配電開關均為三極，且沒有安裝N線CT，建議就只設一根PEN線在柜底，與廠變側連時，就由廠家在開關柜內將PEN線上引后再側向引至廠變柜內，減少現場的連接工作。

3 廠用及船閘用電斷路器整定及靈敏度、選擇性校驗

廠用及船閘用電關于斷路器與斷路器配合時間整定按進線0.6 s，聯絡0.4 s，主屏0.2 s，分屏瞬動0 s進行設計。在進行斷路器脫扣器整定時，按躲過電動機啟動電流整定。進線斷路器及部分主屏斷路器因使用了短路短延時，動作時間大于0.02 s，可靠系數K取1.35，使用瞬時整定的主、分屏斷路器可靠系數則取1.7，確定脫扣器可整定的下限值。直接啟動電動機電流一般為額定電流的5～7倍，1.7×7=11.9，廠家提供的產品瞬時脫扣最大值一般為10～12 In，由于許多電動機采取了軟啟動等方式，應按實際計算確定整定值。按靈敏度校驗滿足1.3倍，確定脫扣器可整定的上限值。

靈敏度校驗用回路末端的單相接地短路電流或二相接地短路電流校驗，用單相、二相短路電流的較小值對應短路短延時或短路瞬時保護整定值來校驗，靈敏度系數均要求大于1.3倍。當末端單相短路的短路電流難以滿足靈敏度要求時，可采用接地(零序)保護或帶長延時過電流脫扣器的斷路器或帶短路短延時的斷路器，此時可用單相接地短路電流對應單相接地短路保護整定值來校驗靈敏度(可調范圍一般為0.2～1 In)。如選用長延時過電流脫扣器時，其動作時間不宜大于15 s。如采用短路短延時，將短路短延時的電流盡量整定得小一些，以滿足靈敏度要求。單相接地短路保護整定值可按躲過最大不平衡電流進行整定，與相鄰元件的配合采用時間級差進行配合。接地保護的時間與各級斷路器相間保護的時間一致。

若靈敏度校驗不能滿足要求，在主屏一般選用帶接地保護的開關來滿足要求；在分屏一般選擇在分屏電纜接入處裝設零序CT，再設零序保護來滿足要求。要注意電流的采集方法，在TN-C配電系統中，應取三相電流的總和才是全部的單相接地短路電流。

在做保護選擇性時，開關不能越級跳，也不能過載或短路時不跳。

選擇性校驗用回路起端的三相短路電流值來進行。在這個短路電流值下,若上級斷路器的跳閘時間大于下級斷路器的跳閘時間0.1 s，即認為滿足選擇性。但上下級均為斷路器時做不到，因此上級斷路器須采用帶延時的斷路器。

采用帶延時的斷路器后，瞬時脫扣器也可以打開使用，但其整定電流應躲開其保護范圍末端的三相短路電流，此時的瞬時脫扣器保護是有死區的。

起重機回路供電設計中，《水電站機電設計手冊》《電力工程電氣設計手冊》上說明的電動機為繞線式電動機或鼠籠式電動機，我們現在用的橋機、門機的電動機一般為變頻式電動機，功率因數不一樣，繞線式功率因數取0.65，鼠籠式取0.5，變頻式一般在0.85及以上，注意按實際情況進行收集總結。

水電站起重機的暫載率按40%考慮，綜合系數取0.5。兩個手冊上尖峰電流的計算公式均有誤，尖峰電流是一個實實在在的瞬時電流，其值應為同時運行的電動機中，最大一臺電動機的啟動電流(繞線式電動機取2 In，變頻式電動機取1.5 In)加上其余電動機的額定運行電流，應按以上概念進行計算。

給起重機供電的電纜截面按計算電流選取，塑殼斷路器的過載長延時電流則按同時運行的電動機實際的額定電流選取。瞬時脫扣器電流(短路短延時扣器電流)按大于或等于1.35(1.7)倍尖峰電流整定，盡量取小值。時間不再與下一級斷路器配合，均不進行延時。為了獲取更寬的整定范圍，塑殼斷路器應選擇帶電子脫扣器的斷路器。

4 電纜導體的選擇

根據設計原則，都柳江從江航電樞紐工程低壓斷路器及導體選擇見表1。

廠用電設計中，大容量、重要負荷回路的電力電纜宜采用銅芯交聯聚乙烯絕緣電纜。消防、地下廠房通風、事故照明、自動控制、遠動通信及電子計算機系統等重要負荷回路的電力電纜應采用阻燃型電纜。

三相四線制網絡，對配電干線或接有單相負荷時，應采用三相四芯電力電纜；對僅接有三相平衡負荷(三相電動機)的負荷分支回路，根據單相接地保護靈敏度要求，可采用三相三芯或三相四芯電力電纜；當采用三相三芯電力電纜時，允許采用與相線分開另外單獨敷設的導體作保護線。

廠內敷設的低壓電力電纜的外護層宜采用塑料護套鋼帶內鎧裝電力電纜。

綜上，廠用及船閘用電設計中，主屏至分屏低壓電纜選擇YJV22-0.6/1 kV(3+1)芯電纜，分屏至電動機可選擇YJV22-0.6/1 kV三芯電纜，以節約成本，但若電纜數量較少，為了減少電纜種類，也可采用(3+1)芯電纜。阻燃電纜可采用ZRC-YJV22-0.6/1 kV電纜。油處理室電纜可采用YCW- 0.45/0.75 kV重型橡套軟電纜。移動式設備及廠家配套的啟閉機電纜一般為YC- 0.45/0.75 kV橡套軟電纜。潛水泵電纜建議采用JHS-0.3/0.5 kV防水橡套電纜或采用YCW- 0.45/0.75 kV重型橡套軟電纜，JHS型防水橡套電纜供交流電壓500 V及以下的潛水電機上傳輸電能用。在長期浸水及較大的水壓下，具有良好的電氣絕緣性能；防水橡套電纜彎曲性能良好，能承受經常的移動。

通常設計手冊及廠用電設計規程上給出的廠用主盤上所允許采用的電器最小規格，是根據動熱穩定校驗得出的，由于現在產品種類很多，應根據所采用產品實際進行校驗。

5 結 論

筆者提出親歷的幾個國內外水電工程廠用及船閘用電設計時，重點考慮的幾個設計問題及解決思路，僅供同行參考，希望對今后相關方面的設計工作有所借鑒。

參考文獻：

[1] 水電站機電設計手冊編寫組.《水電站機電設計手冊》[M]. 北京：水利電力出版社，1982.

[2] 水利電力部西北電力設計院.《電力工程電氣設計手冊》[M].北京：中國電力出版社，2012.

[3] 劉慧琳.國內外中型水電工程電氣主接線的比選實例[J].紅水河，2016(5):49-53.