百龍灘水電站水輪機技術(shù)改造對電氣設(shè)備影響探討

劉 慧 琳

(中國能源建設(shè)集團廣西電力設(shè)計研究院有限公司， 廣西 南寧 530007)

1 概 述

百龍灘水電站共裝設(shè)6臺單機容量為32 MW的燈泡貫流式機組，發(fā)電機出口電壓為10.5 kV，功率因數(shù)0.95，采用兩機一變擴大單元接線；發(fā)電機中性點經(jīng)接地變壓器高阻接地；電站110 kV出線一回，采用線變組接線；220 kV側(cè)采用單母線分段帶旁路接線，出線三回。110 kV與220 kV之間聯(lián)絡(luò)通過三卷變壓器實現(xiàn)。

因長期運轉(zhuǎn)，原日本富士電機廠生產(chǎn)提供的發(fā)電機定子產(chǎn)生缺陷，擬更換為杭州江河生產(chǎn)的發(fā)電機定子。本次改造1號發(fā)電機定子，其余發(fā)電機組不變。對1號發(fā)電機定子進行技術(shù)改造后，根據(jù)機組廠家提供的資料，1號發(fā)電機定子繞組縱軸超瞬變電抗較原設(shè)備值降低，1號發(fā)電機出口短路電流也相應(yīng)增大，同時隨著電網(wǎng)的不斷發(fā)展，接入系統(tǒng)側(cè)的阻抗參數(shù)也有了較大變化。為保證電廠的安全運行，本文對相關(guān)電氣設(shè)備重新復(fù)核，同時對各主要電氣設(shè)備產(chǎn)生的影響進行了探討。

2 短路電流影響

本文根據(jù)改造后1號發(fā)電機廠家提供的參數(shù)重新進行短路電流計算，復(fù)核內(nèi)容包含電氣主接線中各短路節(jié)點及各分支回路的所有額定電流、轉(zhuǎn)移電抗、計算電抗、t為0～4 s的三相短路電流周期分量，發(fā)電機出口設(shè)備短路電流的直流分量。并根據(jù)短路電流計算成果對發(fā)電機斷路器、隔離開關(guān)、電流互感器等主要電氣設(shè)備的參數(shù)對設(shè)備產(chǎn)生的影響進行校驗。

短路電流計算電氣主接線示意見圖1，短路電流計算阻抗示意見圖2，周期分量短路電流計算成果見表1，d11點非周期分量短路電流計算成果見表2。

圖1 電氣主接線示意

圖2 阻抗示意

短 路 點0 s周期分量Iz″/kA0.2 s周期分量Iz″/kA1 s周期分量Iz″/kA4 s周期分量Iz″/kA220 kV母線 d109.559.349.49.68110 kV母線 d943.923.984.091號、2號機擴大單元出口 d1143.2939.8939.7339.641號發(fā)電機出口(扣除本機后)35.4933.9533.9133.932號發(fā)電機出口(扣除本機后)36.1434.2934.1734.063號、4號機擴大單元出口 d1242.6639.5639.4939.533號發(fā)電機出口(扣除本機后)35.5133.9633.9233.954號發(fā)電機出口(扣除本機后)35.5133.9633.9233.955號、6號機擴大單元出口 d1355.6852.7352.6652.75號發(fā)電機出口(扣除本機后)48.5347.1347.0947.126號發(fā)電機出口(扣除本機后)48.5347.1347.0947.121號電抗器低壓側(cè) d155.155.15.215.212號電抗器低壓側(cè) d165.135.075.185.183號電抗器低壓側(cè) d175.215.075.165.21

表2 非周期分量計算成果

3 主要電氣設(shè)備的影響

1號發(fā)電機定子改造后，發(fā)電機額定電流不變，本文主要討論針對1號發(fā)電機阻抗及系統(tǒng)阻抗的變化引起的短路電流的變化可能對設(shè)備產(chǎn)生的影響。

3.1 發(fā)電機配電裝置主要電氣設(shè)備的影響

根據(jù)三相短路電流周期分量對發(fā)電機配電裝置進行復(fù)核，復(fù)核結(jié)果詳見表3。

由以上設(shè)備參數(shù)復(fù)核成果得知：

(1)1號、2號發(fā)電機擴大單元及3號、4號發(fā)電機擴大單元回路的發(fā)電機出口斷路器、廠用分支斷路器、隔離開關(guān)、電流互感器等滿足回路動熱穩(wěn)定要求。

(2)3號、4號發(fā)電機擴大單元回路及5號、6號發(fā)電機擴大單元的發(fā)電機出口斷路器、隔離開關(guān)、電流互感器等滿足回路動熱穩(wěn)定要求。

(3)3號、4號發(fā)電機擴大單元回路及5號、6號發(fā)電機擴大單元的廠用分支斷路器的短路開斷電流原設(shè)計要求為45 kA，實際配置僅為37 kA。如按電抗器前短路電流校驗，不滿足回路開斷及動熱穩(wěn)定要求；按電抗器后短路電流校驗，則滿足要求。按《導(dǎo)體和電器選擇設(shè)計技術(shù)規(guī)定》(DL/T 5222-2005)，可按電抗器后短路電流進行校驗。但如廠用分支斷路器至限流電抗器之間出現(xiàn)短路故障，當短路電流超過該斷路器的開斷能力時，則要進行閉鎖，由發(fā)電機出口斷路器及主變高壓側(cè)斷路器進行跳閘，從而導(dǎo)致發(fā)電機、主變壓器停運的情況，使事故擴大化，發(fā)電可靠性降低。而且，由于限流電抗器之前的短路電流過大，普通真空斷路器無法承受其動穩(wěn)定電流值，可能會出現(xiàn)斷路器損毀的情況。因此，本文建議在條件許可的情況下對設(shè)備進行改造。

(4)主回路電纜熱穩(wěn)定復(fù)核：根據(jù)短路電流校驗，主回路電纜所需的最小截面積為185 mm2，因此主回路采用的6根YJV22-3×240電纜并聯(lián)，滿足熱穩(wěn)定要求。

(5)鋁母線。①熱穩(wěn)定復(fù)核：根據(jù)《水電站設(shè)計手冊》第七章，C熱穩(wěn)定系數(shù)按導(dǎo)體斷路器溫度為70℃取87。根據(jù)校驗，母線槽所需的最小截面為656 mm2，本工程現(xiàn)有鋁母線最小截面為800 mm2，滿足熱穩(wěn)定要求。②動穩(wěn)定復(fù)核：1號、2號擴大單元及3號、4號擴大單元短路電流值分別為43.3 kA、42.7 kA，與改造前42.7 kA變化不大，對鋁母線動穩(wěn)定影響不大。5號、6號擴大單元受110 kV系統(tǒng)影響，短路電流值為55.68 kA，比原短路電流41.75 kA增加13.93 kA，對回路鋁母線動穩(wěn)定影響較大，本文建議對該設(shè)備單獨立項，詳細復(fù)核后確定是否改造。

3.2 對發(fā)電機回路斷路器直流開斷能力的影響

根據(jù)表2，本文對0.06 s時發(fā)電機回路各斷路器開斷直流分量參數(shù)進行復(fù)核，見表4。

表4 1號、2號發(fā)電機回路斷路器開斷直流分量參數(shù)復(fù)核

注：(1)由于收資得到的本工程發(fā)電機的出口斷路器銘牌及參數(shù)表均不含最大開斷電流直流分量參數(shù)，發(fā)電機專用斷路器開斷直流分量能力一般在60%以上，因此按60%進行估算；(2)1號廠用電分支斷路器的參數(shù)取自百龍灘電廠廠用分支開關(guān)改造項目廠家資料；(3)由于未獲得2號、3號廠用電分支開關(guān)設(shè)備的參數(shù)，本表不進行復(fù)核。

從表4可以看出，1～6號發(fā)電機回路斷路器，1號、2號機擴大單元廠用電分支斷路器開斷直流分量能力滿足回路要求，3號、4號及5號、6號擴大單元廠用電分支斷路器開斷直流分量能力目前無法復(fù)核，但本文認為，設(shè)備開斷直流分量能力分別須不小于28 kA、不小于29 kA。

3.3 220 kV及110 kV設(shè)備的影響

根據(jù)表1，“220 kV及110 kV母線上周期分量短路電流值分別為9.55 kA、4 kA”，本文認為，相比1號發(fā)電機改造前(220 kV及110 kV母線上周期分量短路電流值分別為9.87 kA、2.08 kA)變化不大，對220 kV斷路器(額定開斷電流40 kA)、隔離開關(guān)(額定動穩(wěn)定電流80 kA)、電流互感器(額定熱穩(wěn)定電流21 kA)及110 kV斷路器(額定開斷電流40 kA)、隔離開關(guān)(額定動穩(wěn)定電流40 kA)、電流互感器(額定熱穩(wěn)定電流45 kA)沒有影響。

4 1號發(fā)電機中性點設(shè)備的影響

4.1 1號發(fā)電機回路電容電流計算

本文根據(jù)《水電設(shè)計手冊》進行電容電流計算，計入發(fā)電機、發(fā)電機電壓母線、升壓變壓器、廠用變壓器、勵磁變壓器及回路電容器電容值，經(jīng)計算，1號發(fā)電機回路單相對地電容值為2.58 μF，回路三相電容電流值為14.72 A。

4.2 1號發(fā)電機中性點設(shè)備的影響

4.2.1 現(xiàn)有設(shè)備參數(shù)

(1)接地變壓器：容量為35 kVA(過載后的容量)，一次側(cè)額定電壓為10.5 kV，二次側(cè)額定電壓為210 V，額定過負荷持續(xù)時間為5 min。

(2)二次側(cè)電阻：電阻值為0.81Ω，運行時間為2 min(參數(shù)來源：現(xiàn)場發(fā)電機回路中性點設(shè)備銘牌)。

4.2.2 中性點設(shè)備的影響

本文根據(jù)對百龍灘水電站發(fā)電機中性點現(xiàn)有設(shè)備參數(shù)的分析，原富士電機公司的設(shè)計理念是中性點補充約3 A的電阻電流，以確保發(fā)生故障時，繼電保護能及時檢測出故障電流，做出相應(yīng)動作。

根據(jù)《電力工程電氣設(shè)計手冊》，所配置的電阻的選擇原則是使單相接地故障電流等于或大于電容電流，因此本文按該原則進行復(fù)核。

根據(jù)《水力發(fā)電廠高壓電器設(shè)備選擇及布置設(shè)計規(guī)范》 (DL/T5396-2007)第5.14.8條，單相接地變壓器的過載系數(shù)一般可取4～6倍，本文考慮接地變壓器的額定過負荷倍數(shù)取4，1號發(fā)電機中性點接地設(shè)備復(fù)核詳見表5。

表5 1號發(fā)電機中性點接地設(shè)備復(fù)核情況

因此，按《電力工程電氣設(shè)計手冊》設(shè)計原則，本文認為，1號發(fā)電機中性點接地設(shè)備(接地變壓器及小電阻)須進行改造。如按原富士電機公司的設(shè)計理念可不作改造。

2～6號發(fā)電機中性點設(shè)備不受1號發(fā)電機電容的影響，因此本文不進行復(fù)核。但結(jié)論同1號機，可根據(jù)電站實際情況確定是否進行改造。

5 結(jié) 論

本文就百龍灘水電站水輪機技術(shù)改造項目相關(guān)電氣設(shè)備復(fù)核工作進行了闡述和研究。根據(jù)發(fā)電機廠家提供的參數(shù)復(fù)核短路電流計算，同時根據(jù)現(xiàn)場設(shè)備參數(shù)完成1號發(fā)電機回路電容電流計算，并針對1號發(fā)電機阻抗及系統(tǒng)阻抗的變化引起的短路電流的變化可能對設(shè)備產(chǎn)生的影響及1號發(fā)電機中性點接地設(shè)備選擇進行了深入剖析，提出了解決思路和方案建議。百龍灘電廠運行時間較長，面臨后續(xù)機組的改造，作者將跟進改造過程，持續(xù)對其他機組改造對相關(guān)電氣設(shè)備的參數(shù)影響進行復(fù)核，形成更系統(tǒng)、全面的分析數(shù)據(jù)報告。