東莊水電站發(fā)電機(jī)電壓配電裝置選擇布置分析

宋 蕊，梁春龍，王 帥

（陜西省水利電力勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，陜西 西安 710001）

0 引言

東莊水利樞紐工程壩址位于涇河干流,距西安市約90 km。水電站為地下式廠房布置，電氣設(shè)備均位于地下主、副廠房?jī)?nèi)，其中發(fā)電機(jī)電壓配電裝置集中布置在主廠房與主變室之間的母線洞內(nèi)，密度高且布置復(fù)雜。母線洞由于受到廠房開(kāi)挖和巖石穩(wěn)定性的限制，電氣設(shè)備布置場(chǎng)地非常有限。因此，發(fā)電機(jī)電壓配電裝置的選擇和電氣設(shè)備布置的合理緊湊，在水電站電氣設(shè)計(jì)中值得重點(diǎn)分析。

1 工程概況

涇河?xùn)|莊水利樞紐工程是陜西省實(shí)施西部大開(kāi)發(fā)戰(zhàn)略、加快關(guān)中經(jīng)濟(jì)區(qū)發(fā)展的重大水利項(xiàng)目。工程開(kāi)發(fā)任務(wù)為：以防洪減淤為主，兼顧供水、發(fā)電、改善生態(tài)等綜合利用。東莊水電站為引水式地下廠房結(jié)構(gòu)，裝設(shè)4臺(tái)混流式水輪發(fā)電機(jī)組，總裝機(jī)容量110 MW（2×35 MW+2×20 MW），年均發(fā)電量為2.85億kW·h，裝機(jī)年利用小時(shí)為2592 h。35 MW的機(jī)組按日調(diào)峰4 h～6 h運(yùn)行，20 MW的機(jī)組按日20 h～18 h運(yùn)行，按生態(tài)基流、工業(yè)供水流量、灌溉流量以及棄水流量進(jìn)行發(fā)電。

電站以110 kV一級(jí)電壓接入電力系統(tǒng)，110 kV出線2回，以110 kV同塔雙回架空線路“π”接入110 kV淳西變—東莊變線路中的一回，形成淳西變—水電站升壓站—東莊施工變—淳西變環(huán)網(wǎng)。

電氣主接線形式采用擴(kuò)大單元+擴(kuò)大單元，具有接線簡(jiǎn)單清晰，運(yùn)行維護(hù)便利，設(shè)備數(shù)量較少，任何一臺(tái)機(jī)組停機(jī)時(shí)不影響廠用電源供電，繼電保護(hù)配置清晰簡(jiǎn)單，便于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化，具有投資較少等優(yōu)點(diǎn)。接線圖見(jiàn)圖1。

圖1 東莊水電站電氣主接線圖

2 發(fā)電機(jī)電壓配電裝置選擇與布置分析

2.1 發(fā)電機(jī)電壓配電裝置選擇

2.1.1 短路電流計(jì)算

根據(jù)電力接入系統(tǒng)參數(shù)，東莊水電站的最大運(yùn)行工況下短路電流計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 三相短路電流計(jì)算結(jié)果表

短路類型 短路點(diǎn) 分類 短路電流（kA）廠用變T1低壓側(cè)周期分量（kA）（t=0 s）三相短路發(fā)電機(jī)G1、G2供 25.16系統(tǒng)及G3、G4供 34.15合計(jì) 59.31廠用變T2低壓側(cè)周期分量（kA）（t=0 s）發(fā)電機(jī)G3、G4供 14.38系統(tǒng)及G1、G2供 21.96合計(jì) 36.34 110kV母線周期分量（kA）（t=0 s）發(fā)電機(jī)G1～G4供 4.9系統(tǒng)供 10.245合計(jì) 15.145

由表1可以看出，每臺(tái)發(fā)電機(jī)端最大的短路電流由其他發(fā)電機(jī)及系統(tǒng)供給，最高達(dá)46.73 kA，其直流分量達(dá)42.4%，廠用變最大短路電流來(lái)自發(fā)電機(jī)及系統(tǒng)側(cè)，高達(dá)59.31 kA。

2.1.2 發(fā)電機(jī)斷路器選擇

根據(jù)短路電流計(jì)算結(jié)果，發(fā)電機(jī)端短路電流較大且直流分量較高，在擴(kuò)大單元回路接線的發(fā)電機(jī)出口處裝設(shè)專用的發(fā)電機(jī)斷路器。

目前，發(fā)電機(jī)斷路器有六氟化硫和真空型兩種結(jié)構(gòu)。SF6斷路器的滅弧和絕緣性能優(yōu)越，但體積大、價(jià)格較高、維護(hù)工作量大。真空斷路器具有較高可靠性、體積小、壽命長(zhǎng)、價(jià)格較便宜、維護(hù)工作量小等優(yōu)點(diǎn)。由于發(fā)電機(jī)斷路器柜布置在地下廠房母線洞內(nèi)，布置場(chǎng)地空間緊張，真空斷路器在參數(shù)性能上完全能滿足作為發(fā)電機(jī)斷路器的要求，且柜體尺寸小。選用真空型發(fā)電機(jī)斷路器，短路開(kāi)斷電流50/63 kA。

2.1.3 發(fā)電機(jī)中性點(diǎn)設(shè)備

根據(jù)已建成電站統(tǒng)計(jì)資料表明，發(fā)電機(jī)單相接地故障在發(fā)電機(jī)運(yùn)行事故中所占比例最大。發(fā)電機(jī)作為水電站的核心設(shè)備，合理選擇其中性點(diǎn)接地方式，對(duì)保證發(fā)電機(jī)的安全運(yùn)行尤為重要。

發(fā)電機(jī)定子繞組發(fā)生單相接地故障時(shí)，接地點(diǎn)流過(guò)的電流是發(fā)電機(jī)本身及其引出回路所連接元件的對(duì)地電容電流。經(jīng)計(jì)算，35 MW發(fā)電機(jī)的對(duì)地電容電流為2.5 A，20 MW發(fā)電機(jī)的對(duì)地電容電流為1.9 A。選擇經(jīng)配電變高電阻接地的接地方式可以在發(fā)電機(jī)內(nèi)部發(fā)生單相接地故障時(shí)瞬時(shí)切機(jī)，可減小發(fā)電機(jī)故障范圍。經(jīng)配電變高電阻接地的接地方式優(yōu)點(diǎn)如下：

（1）限制接地故障電流值，減少諧波過(guò)電壓，保證接地故障時(shí)立即跳閘停機(jī)。（2）故障后，發(fā)電機(jī)立即脫網(wǎng)，提高發(fā)電機(jī)運(yùn)行的可靠性。（3）過(guò)電壓倍數(shù)不超過(guò)2.6倍相電壓，使過(guò)電壓限制在發(fā)電機(jī)絕緣水平允許的范圍之內(nèi)。

經(jīng)計(jì)算，20 MW發(fā)電機(jī)二次側(cè)電阻值1.4Ω，35 MW發(fā)電機(jī)二次側(cè)電阻值1.1Ω，因此選擇接地變壓器一次側(cè)電壓二次電壓0.22 kV，額定容量20 kV·A。

2.1.4 大容量快速開(kāi)關(guān)

根據(jù)短路電流計(jì)算結(jié)果，廠用變分支短路電流高達(dá)9.31 kA，會(huì)導(dǎo)致廠用變及隔離變的爆炸事故，加之?dāng)嗦菲鲗?shí)際開(kāi)斷時(shí)間約0.06 s，在短路故障切除以前，主機(jī)、主變都將受到周波短路電流的沖擊，這勢(shì)必會(huì)損壞設(shè)備。因此，在兩臺(tái)隔離變高壓側(cè)加裝大容量快速開(kāi)關(guān)裝置與真空斷路器配合使用（簡(jiǎn)稱FSR）。

載流橋體FS在短路故障時(shí)快速分?jǐn)啵搪冯娏髁魅敫邏合蘖魅蹟嗥鱂U中熔斷，過(guò)電壓限制在設(shè)備允許的2.5倍相電壓以內(nèi)，在非線性電阻FR中快速衰減。短路電流只上升到預(yù)期短路電流峰值的1/5至1/10。

因此，采用大容量快速開(kāi)關(guān)確保了分?jǐn)喽搪冯娏鞯目焖傩院拖蘖餍裕拱l(fā)電機(jī)回路的電氣設(shè)備免受短路沖擊，并限制了操作過(guò)電壓，延長(zhǎng)斷路器的使用壽命，降低設(shè)備的成本且安裝維護(hù)方便。

2.2 發(fā)電機(jī)電壓配電裝置的布置

電站廠房采用地下廠房型式，主廠房、主變洞、尾水閘室按典型的三洞室型式布置。主廠房發(fā)電機(jī)層至主變洞之間設(shè)置發(fā)電機(jī)電壓母線洞，每?jī)蓚€(gè)水輪機(jī)組單元分別對(duì)應(yīng)1條母線洞，發(fā)電機(jī)母線洞設(shè)置與發(fā)電機(jī)層、主變壓器室同層。

地下廠房?jī)?nèi)電氣設(shè)備布置在滿足電氣運(yùn)行要求的前提下主接線盡量簡(jiǎn)化，便于電氣設(shè)備的布置。電氣設(shè)備布置緊湊，減少土建開(kāi)挖，節(jié)省工程投資。

2.2.1 母線洞單層布置

發(fā)電機(jī)電壓配電裝置主要包括發(fā)電機(jī)出口斷路器、勵(lì)磁變、電壓互感器避雷器柜、廠用分支大容量快速開(kāi)關(guān)柜、電流互感器柜等。首先應(yīng)根據(jù)電氣設(shè)備自身特點(diǎn)組合并柜，減少設(shè)備數(shù)量。發(fā)電機(jī)斷路器柜內(nèi)包含斷路器、避雷器、電流互感器等；發(fā)電機(jī)出口若干電壓互感器可組柜；發(fā)電機(jī)出口電流互感器安裝于發(fā)電機(jī)主引出線機(jī)墩壁處。由于發(fā)電機(jī)出口斷路器選擇為真空型，尺寸較小，機(jī)端電設(shè)備均采用XGN2-12固定柜型式，按機(jī)組單元一列式布置于主廠房下游側(cè)單層母線洞內(nèi)。

2.2.2 母線洞布置高程及尺寸

為了減少與水機(jī)預(yù)埋管道的交叉，避免電纜通道進(jìn)入水輪機(jī)層開(kāi)電纜溝從而影響渦殼混凝土保護(hù)層，將母線洞布置與主廠房發(fā)電機(jī)層同層。布置在母線洞內(nèi)的發(fā)電機(jī)電壓配電裝置與主廠房發(fā)電機(jī)層同層，設(shè)備運(yùn)輸便利、值班人員巡視、觀察方便。發(fā)電機(jī)電壓配電裝置的電纜溝與水輪機(jī)層電纜橋架之間方便連通。母線洞尺寸為30 m（長(zhǎng)）×6 m（寬）×6.5 m（高），設(shè)備柜前預(yù)留3 m操作及搬運(yùn)通道，背后通道為1.2 m。洞內(nèi)設(shè)有電纜溝連通至全廠電纜溝（電纜橋架）。母線洞電氣設(shè)備斷面布置圖見(jiàn)圖2。

圖2 母線洞電氣設(shè)備斷面布置圖

3 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)分析短路電流計(jì)算結(jié)果，確定了主接線采用擴(kuò)大單元+擴(kuò)大單元的形式，通過(guò)研究發(fā)電機(jī)電壓配電裝置內(nèi)各個(gè)電氣設(shè)備的性能和分析類似工程電氣設(shè)備的應(yīng)用情況，進(jìn)行了發(fā)電機(jī)電壓配電裝置的型式及參數(shù)選擇，優(yōu)選了真空斷路器、高電阻接地裝置、大容量快速開(kāi)關(guān)裝置等電氣設(shè)備。

發(fā)電機(jī)電壓配電裝置的布置結(jié)合地下廠房結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)，確定了母線洞單層布置方案，在確保發(fā)電送電安全可靠的前提下，減少了土建開(kāi)挖投資，電氣設(shè)備數(shù)量較少，設(shè)備的日常運(yùn)行維護(hù)工作方便，體現(xiàn)了較優(yōu)的經(jīng)濟(jì)、社會(huì)效益，為同類型水電站地下廠房發(fā)電機(jī)電壓設(shè)備的優(yōu)化設(shè)計(jì)積累了經(jīng)驗(yàn)。