卡基娃水電站電氣一次設計技術特點淺析

李 強，溫鳳香，羅曉雪，李 偉

(1.中國電建集團成都勘測設計研究院有限公司， 四川 成都 610072；2.國家電網遼寧省電力公司， 遼寧 沈陽 110004)

0 前 言

水電站電氣一次接線、電氣設備等的選擇能夠在很大程度上影響到發電工作的效率和具體工作模式，是發電、供電工作中的重要組成部分。作為發電系統主體的一次系統需要承載著高電壓與大電流，在一次系統設計中各個結構的選擇與設計都關系著整個電站電氣系統的可靠性與安全性。設計水電站電氣一次系統時需要格外注意一次系統中各個部分，如發電機、發電機電壓母線、發電機出口斷路器、變壓器、高壓開關設備、廠用電系統變壓器、開關柜、電纜等，同時須注意整個系統結構是否科學合理，只有通過詳細計算與分析，才能夠保證整個系統正常運行。水電站電氣一次系統設計是電站運行期正常發電的基礎，在設計時需要進行必要、詳細的研究。

本文根據接入系統的要求，結合卡基娃水電站自身特點，確定電氣一次接線方案后，在該電氣主接線設計方案的基礎上，通過短路電流計算，對該水電站主要電氣設備進行選擇，論述了該電站電氣一次系統設計的主要技術特點。

1 工程概況

卡基娃水電站位于四川省涼山州木里縣境內的木里河干流上，電站采用混合式開發，地面廠房。電站總裝機容量452.4 MW，其中主電站裝設4臺110 MW立軸水輪發電機組，生態小電站裝設2臺6.2 MW臥軸水輪發電機組，另有上通壩電站和無量河梯級電站接入。主廠房的安裝間位于主機間右側，電站升壓站布置在主廠房下游側的建筑物內。接上通壩的220/500 kV升壓站布置在主廠房上游側的建筑物內。無量河梯級電站接入的220/500 kV升壓站布置在進廠公路側。進廠公路自安裝間下游側進廠，廠前設回車場。

2 接入系統及電氣主接線

2.1 電站接入系統

根據卡基娃水電站接入系統報告及其審查意見，卡基娃電站接入系統采用500 kV和220 kV兩級電壓出線，其中500 kV出線1回至木里500 kV變電站，送電距離約60 km，另預留1回；220 kV最終出線4回，初期1回至上通壩電站，送電距離約30 km，遠期2回至上游(無量河)梯級電站，平均送電距離約50 km，另預留1回?？梢姡ɑ揠娬緦⒆鳛閰^域水電站的匯集站在電網中運行。

根據卡基娃生態電站接入系統報告及其審查意見，卡基娃生態小電站采用35 kV一級電壓，通過1回35 kV線路接入卡基娃升壓站500/220/35 kV聯絡變壓器的35 kV側，送電距離約6 km，另預留2個35 kV出線間隔場地。

2.2 電氣接線

電氣主接線主要根據本電站裝機臺數、接入系統對本電站送出回路數，并考慮電站運行的安全性、可靠性、靈活性及接線的簡單、清晰性及合理性等，對電站各種可能的電氣主接線進行技術經濟比較，選出電站適合的最優方案?？ɑ匏娬倦姎庵鹘泳€為：發電機與主變壓器的組合方式采用擴大單元接線；裝設發電機出口斷路器；550 kV 升高電壓側采用雙母線接線；上通壩接入卡基娃的220 kV側采用線路變壓器組；無量河梯級電站接入卡基娃的220 kV側采用單母線接線；生態電站接入卡基娃大電站的35 kV側結合廠用電系統也采用單母線接線”?？ɑ揠娬镜碾姎庵鹘泳€情況如圖1所示。

圖1 電氣主接線示意

3 短路電流計算

根據接入系統資料，系統歸算至本電站500 kV母線側阻抗、線路參數、以及電站變壓器、發電機的阻抗進行計算，各短路點的短路電流計算成果見表1。

表1 各短路點的短路電流計算成果

4 主要電氣設備選擇

電站主要電氣設備選擇原則為在滿足正常運行、短路和過電壓等各種要求的前提下，結合電站的自然環境條件，選擇有成熟運行經驗、技術先進、安裝運行維護方便和經濟合理的產品。由于電站廠址海拔約2 600 m，所有電氣設備均選擇高原型產品。電站的基本地震烈度為Ⅶ度，電氣設備選型時按照Ⅷ度選擇設計抗震型產品。

4.1 水輪發電機

水輪發電機選取4臺套豎軸懸式、密閉自循環空氣冷卻器冷卻、三相凸極同步水輪發電機，型號為SF-J110-18/6250，額定功率110 MW，額定容量122.2 MVA，額定電壓13.8 kV，額定電流5 113 A，額定功率因數0.9(滯后)，額定頻率50 Hz，額定轉速333.3 r/min，飛逸轉速555 r/min，定子接法為2Y接，額定勵磁電壓183 V，額定勵磁電流1 275 A，勵磁方式為靜止晶閘管勵磁，旋轉方向為俯視順時針，額定點效率不低于98.5%(保證值)，轉子轉動慣量GD2為3 250 t·m2，直軸同步電抗Xd為1.02(標么值)，直軸超瞬變電抗Xd″飽和值為0.20(標么值)，交軸同步電抗Xq不飽和值為0.67(標么值)，交軸超瞬變電抗Xq″不飽和值為0.23(標么值)，勵磁繞組短路時定子繞組時間常數Ta為0.32 s，發電機總質量459 t。

4.2 500 kV變壓器

主變壓器布置在主廠房下游側的550 kV GIS樓下游側(室外)，300 MVA自耦聯絡變壓器布置在主廠房上游側的252 kV GIS樓室內(兩側開敞)，750 kVA自耦變壓器布置在廠房下游側500/220 kV升壓站內252 kV GIS樓室內(三側開敞)。綜合考慮卡基娃電站內500 kV各容量變壓器采用組合式三相變壓器、單相變壓器組和現場組裝三相變壓器的可能性，根據電站設備招標時對外公路運輸重量不超過100 t的對外運輸條件限制，并兼顧方便運行，變壓器結構型式應統一，最終選擇卡基娃500 kV變壓器均為現場組裝三相變壓器。根據各變壓器的布置情況，變壓器最終冷卻方式選定為OFAF。

500 kV主變壓器選定為戶外油浸組合式三相雙繞組銅線圈強迫油循環風冷電力變壓器，型號為SFP10-JT-250000/500，額定容量250 MVA，額定頻率50 Hz，額定變比550/13.8 kV，阻抗電壓13.6%，冷卻方式為OFAF，聯結組別YN、d11，中性點接地方式為直接接地，從工廠至現場最大運輸重約 39 t。

上通壩接入卡基娃的300 MVA自耦聯絡變壓器選定為戶內油浸現場組裝式自耦三相銅線圈強迫油循環風冷電力變壓器，型號為OSFP10-JT-300000/500，額定容量300 MVA，額定頻率50 Hz，額定變比550/242/38.5 kV，阻抗電壓分別為高中14%、高低50%、中低35%，冷卻方式OFAF，聯結組別YN、a0、d11，中性點接地方式直接接地，從工廠至現場最大運輸重約39 t。

無量河上游梯級電站接入卡基娃水電站部分屬于本電站二期工程，采用容量為750 MVA的自耦聯絡變壓器，現場組裝式，布置在廠房尾水下游側的220/500 kV的升壓站內。具體參數待二期工程技施時招標完成后確定。

4.3 高壓配電裝置

根據電站樞紐布置，電站地處高山峽谷，地勢陡峭，并綜合考慮地震條件，550 kV和252 kV配電裝置選擇采用SF6氣體絕緣金屬封閉開關設備(GIS)。500 kV出線場布置在下游550 kV GIS樓頂，220 kV出線場布置在上游252 kV GIS樓頂。

550 kV GIS布置在下游550 kV GIS室內，型號為ZF8A-550，額定電壓550 kV，額定電流3 150 A，額定短時耐受電流(有效值，3 s)63 kA，額定峰值耐受電流171 kA，斷路器額定開斷電流63 kA，斷路器、隔離開關、快速接地開關、檢修接地開關的操動機構均為電動/手動，額定絕緣水平(在電氣設備運行地點需達到的參數)：雷電沖擊耐受電壓(峰值)相對地為1 675 kV，斷口間為1 675+450 kV，1 min工頻耐受電壓(有效值)相對地為740 kV，斷口間為740+318 kV。

252 kV GIS布置在上游252 kV GIS室內，型號為ZF9-252，額定電壓252 kV，額定電流2 000 A，額定短時耐受電流(有效值，3 s)50 kA，額定峰值耐受電流125 kA，斷路器額定開斷電流50 kA，斷路器、隔離開關、快速接地開關、檢修接地開關的操動機構均為電動/手動，額定絕緣水平(在電氣設備運行地點需達到的參數)：雷電沖擊耐受電壓(峰值)相對地為1 050 kV，斷口間為1 050+205 kV，一分鐘工頻耐受電壓(有效值)相對地為460 kV，斷口間為460+145 kV。

4.4 發電電壓設備

發電機電壓母線采用離相封閉母線，設SF6絕緣發電機出口專用斷路器。

4.4.1 發電機出口離相封閉母線

發電機電壓母線采用全連式離相封閉母線。廠用分支及勵磁分支回路均采用離相封閉母線，以減少短路故障幾率，提高運行可靠性。本電站離相封閉母線采用自然空氣冷卻方式，帶熱風保養防結露裝置。

封閉母線額定電壓13.8 kV，額定頻率50 Hz，匯流母線、單元母線和分支母線的額定電流分別為12 500 A、6 300 A和630 A，相間距分別為1 350 mm、1 200 mm(機端出口處短段為1 100 mm)和1 350/1 200 mm，2 s額定短時耐受電流分別為125 kA、125 kA和160 kA，額定絕緣水平為雷電沖擊耐受電壓為125 kV、1 min工頻干式耐受電壓為 68 kV，防護等級均為IP54。

4.4.2 發電機出口斷路器

根據發電機回路電流和電壓參數，選用SF6型斷路器。型號FKG1N，額定電壓(最高運行電壓UN)27.5 kV，額定頻率50 Hz，相數為3相，運行地點需達到額定絕緣水平為雷電沖擊耐壓(1.2/50 μs)相對地100 kV，斷口間115 kV，1 min 工頻耐壓(干試)為相對地53 kV，斷口間63 kV，額定電流10 600 A，額定短時耐受電流(有效值/s)為120 kA/3 s，斷路器系統源分斷能力120 kA，額定峰值耐受電流為340 kA，斷路器操動機構為彈簧，隔離開關和接地開關操動機構均為電動和手動。

4.5 廠用電系統設備

根據DL/T5186《水力發電廠機電設計規范》的相關要求，為提高主回路的可靠性，與離相封閉母線連接的2臺高壓廠用變壓器均采用單相變壓器組，與廠用分支離相封閉母線直接連接；其余變壓器采用三相變壓器。根據廠區樞紐布置情況，所有廠用電變壓器均布置在戶內，因此所有廠用變壓器均采用了樹脂澆注干式變壓器。其中13.8 kV高壓廠用變壓器組和35 kV外來電變壓器三相總容量均為2 100 kVA，10.5 kV變壓器全部采用SC(B)13一級能效節能型產品。

本電站40.5 kV開關柜采用KYN61-40.5型戶內金屬鎧裝移開式開關柜，開關柜內裝設HVX-40.5型真空斷路器；12 kV開關柜采用UniGear ZS1型戶內金屬鎧裝移開式開關柜，開關柜內裝設ABB VD4型真空斷路器；廠用0.4 kV低壓配電柜全部采用MNS 2.0型抽屜式低壓配電盤，以提高廠用電的供電可靠性和縮短因檢修停電的時間。

在廠內設有1 臺在電站使用地點出力不小于400 kW 的柴油發電機組作為保安電源，當電站所有正常交流電源失去時，啟動柴油發電機組，為電站水輪發電機組和滲漏排水泵等提供應急供電電源。

5 生態電站

生態電站的電氣主接線為：發電機為臥式機組，型號為SFW6200-8/2160，出口電壓為6.3 kV，每臺發電機出口設置發電機斷路器，兩臺發電機組成擴大單元接線，經主變壓器升壓至35 kV，35 kV側為單母線接線，出線共4回35 kV出線，其中1回至卡基娃首部大壩，1回經約7 km后至卡基娃大電站廠房，另2回預留備用。

發電機額定電壓為6.3 kV、額定電流約702 A，發電機出口采用ZB-YJVD-8.7/15 kV，1×500 mm2型單芯電力電纜，發電機出口斷路器選擇額定電流為1 250 A，額定短路開斷電流為40 kA的真空斷路器，主變壓器額定容量16 000 kVA，連接組別Y、d11，冷卻方式ONAN，阻抗電壓Uk為8%，主變中性點不接地，安裝在戶外。

6 主要技術特點

卡基娃水電站電壓等級多，本電站含有500 kV、220 kV、35 kV、10 kV、6.3 kV及0.4 kV等主要電壓等級，涵蓋了500 kV以下、除110 kV以外的各種電壓等級，因此本電站的電氣接線相當復雜。

由于對外運輸條件的限制，兼顧投產后運行維護的便利性，本電站500 kV變壓器統一結構型式變壓器只能采用現場組裝變壓器。本電站海拔約2 600 m，在如此高海拔條件下同時完成多臺500 kV常規三相變壓器和自耦變壓器的現場組裝，在國內水電站建設中少見。

本電站升壓站為本區域內的樞紐變電站，除滿足電站機組送出的需求外，還兼顧了本區域內上通壩、上游無量河梯級等其它多個電站的送出。鑒于目前國內220 kV及以下送出線路一般由項目業主承擔自行建設、系統變電站由電網公司承建，本電站若只按自身裝機容量考慮，采用220 kV電壓等級送至系統即可滿足要求，因此在本電站內設置500 kV樞紐變電站，既為電站業主節省了220 kV送出線路的投資，又為電網公司節省在本區域內建設220 kV變電站的投資。

卡基娃水電站廠區地處深山峽谷，樞紐布置緊湊，且電站所在地區為高土壤電阻率地區，出線電壓等級為500 kV，對接地阻抗要求較高。為滿足相關規范對接地阻抗的要求，除利用廠房底板、尾水渠敷設接地網及引水隧洞末端的壓力管道作為接地體外，還利用調壓井前的部分引水隧洞敷設了接地網，同時在尾水沿岸增設深井接地井。上下游側GIS樓周邊及下游尾水平臺路面鋪設厚度不小于50 mm的瀝青路面，并進行接觸電勢差、跨步電勢差實測，確保接觸電勢和跨步電勢滿足相關規范的要求。

7 結 語

卡基娃水電站結合工程實際情況，采用了供電可靠、運行靈活、簡單清晰的電氣主接線和廠用電接線，主要電氣設備選型等相關電氣一次設計滿足規程規范要求，電氣設備布置清晰、合理。首臺機組于2015年3月投產發電，4臺機組于2015年12月全部投產發電，從發電至今運行狀況良好，達到了設計預期要求。