某百萬級水電站第三路備用電源設計與應用

陳 飛，陳鈺林，李 鑫，龍 瑞

（1.廣東能源集團天生橋一級水電開發有限責任公司水力發電廠，貴州 興義562400；2.貴州電網有限責任公司興義安龍供電局，貴州 興義562400）

某水電廠裝機容量1 200 MW（4×300 MW），是南方電網“黑啟動”電源點，有5段10 kV廠用電，其中4段為電廠的廠用電分段母線，第5段為外來電源點與電廠互為備用的35 kV線路。為了提高電廠廠用電可靠性，電廠又從另一外來電源點引10 kV電源入廠用電Ⅱ段作為10 kV廠用電的第二路備用電源。由于該兩處外來電源均處于高頻落雷區域，雷雨天氣仍會因惡劣的天氣出現跳閘現象，為了能夠保證電廠在負荷低谷及機組全停時能安全運行，并滿足南方電網“黑啟動”的要求，需進行第三路備用電源的設計與建設。

1 廠用電運行情況

電廠正常運行時，10 kV I、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、V段分段運行，I段與Ⅱ段，Ⅱ段與Ⅲ段，Ⅲ段與Ⅳ段，Ⅳ段與V段之間的聯絡開關設置備用電源自動投入裝置，互為第一備用電源。V段電源設專用線，引自外來電源點自耦變35 kV側。

2 負荷情況分析

根據《技施設計說明》的廠用電設計說明，電站的負荷情況分析如下：

機組自用電負荷：P1=470+170.1=640.1（kW），廠房 a、b 段公用電負荷P2=1387.97+792=2179.97（kW），廠房 c、d 段公用電負荷P3=1263+633.4=1896.4（kW），廠房照明用電負荷P4=211.8（kW），放空洞用電負荷P5=470.1+86=556.1（kW），進水口用電負荷P6=184.8+55=239.8（kW），溢洪道用電負荷P7=341+221=562（kW），總負荷P總=（P1+P2+P3+P4+P5+P6+P7）×Kt=6286.17×0.6=3771.7（kW），總廠區用電同時率取Kt=0.6。

3 工程設計建設方案

3.1 架空線路設計

10 kV配網屬于南方電網系統的一部分，因此其架空線路設計必須嚴格依照國家和南方電網在電力設計領域的相關制度、政策與技術規程，例如《架空配電線路設計技術規程》等，必須積極踐行相關規定。要在維護人身安全的基礎上引入先進的設計理念，采用先進的設計工藝，確保系統安全和電廠供電安全，為電廠的安全可靠運行提供保障[1]。

為了降低建設耗資，第三路備用電源線路“T”接于電廠周邊變電站的10 kV線路，再經電廠門崗東側低谷處架線進至電廠廠房端部樓西北側，采用電纜下地進入電站10 kV廠用電系統Ⅲ段母線。期間跨越國道公路一條，線路沿線樹木種類以松樹為主，局部地段為灌木雜樹，平均數高約8 m，胸徑約20 cm，數量30棵。電廠第三路備用電源設計線路長度約868 m。

通過對供電設備的負荷預測與分析，結合負荷分布情況，第三路備用電源線負荷約為1 021.9 kW，取經濟電流密度J=1.15 A/mm2（Tmax＜5 000 h），則電廠第三路備用電源建設工程架空線路所需導線截面為：

其中：P30為線路計算負荷（kW）；U為線路額定電壓（kV）；J為線路經濟電流密度（A/mm2）；cosφ為功率因數，取0.9。

通過對供電設備的負荷預測，結合負荷分布情況，第三路備用電源線負荷約為1 021.9 kW，取經濟電流密度J=2.25 A/mm2（Tmax＜5 000 h），則電廠第三路備用電源建設工程電力電纜所需導線截面為：

其中：P30為線路計算負荷（kW）；U為線路額定電壓（kV）；J為線路經濟電流密度（A/mm2）；cosφ為功率因數，取0.9。

根據配電網規劃設計原則及實際運行情況，考慮線纜預留一定的供電能力及結合現有線路運行情況，線路線纜型號選擇如表1所示。

表1 線路線纜選型

3.2 桿塔選型

桿塔選型原則：根據線路所符合的氣象條件結合技術上安全可靠、經濟合理的原則，綜合地形、地貌及氣象條件，選用中國南方電網公司《10 kV和35 kV配網標準設計》中的10 kV線路桿塔，該系列桿塔安全可靠、經濟合理，符合線路設計要求。

桿塔使用情況如表2所示。

表2 桿塔設計選型

考慮到線路沿線周邊樹木較高，且線路途經廠區綠化帶，故在線路架設時采用了兩基鐵塔，增加架空線弧垂的離地高度。

3.3 防雷接地措施

根據GB 50150-2016《電氣裝置安裝工程電氣設備交接試驗標準》的要求，電廠第三路備用電源設計建設工程的防雷接地措施主要包括以下3個方面[2]。

（1）10 kV線路設備安裝跌落式氧化鋅避雷器，避雷器應良好接地，其接地電阻不應大于10 Ω。

（2）在架空線路上方架設避雷線，以保護架空線路免受直接雷擊。

（3）接地裝置所有鐵塔均須接地，接地電阻不超過30 Ω。

3.4 隔離變壓器選型

（1）隔離變壓器主要是用于電氣回路隔離，實現電氣系統一次側和二次側的有效隔離，并且隔離變壓器在電網中的應用可以有效抑制電力系統的高頻雜波，提高電網供電的穩定性，因此應合理應用隔離變壓器，保障隔離變壓器良好的應用性能[3]。

（2）為了對變壓器容量進行選擇確定，計算隔離變容量時只選取電廠廠區重要負荷進行計算。電廠廠區重要負荷如表3所示。

根據表3中所統計的電廠廠區重要負荷情況，取用電負荷率Kf=0.75，網損率Kv=1.05，用電同時率Kt=1，cosφ×η=0.75。計算外引電源隔離變容量：S=Kf×Kt×Kv×Pmax/（cosφ×η）=0.75×1×1.05×1021.9/0.75=1073（kVA）＜1250（kVA），因此，隔離變容量S取1 250 kVA即可滿足電廠廠區重要負荷供電需求。

3.5 繼電保護整定計算

供電網絡中發生短路時，很大的短路電流會使電器設備過熱或受電動力作用而遭到損壞，同時使網絡內的電壓大大降低，因而破壞了網絡內用電設備的正常工作。為了消除或減輕短路的后果，就需要計算短路電流，以正確地選擇電器設備、設計繼電保護和選用限制短路電流的元件[4]。電廠第三路備用電源的電流保護選用三段式電流保護。

（1）基準值選取

各參數基準值見表4所示。

（2）元件標么值計算

系統阻抗標幺值：Xx*=0.183

線路阻抗標幺值：XL*=XL/ZB=2.4/1.1025=2.1769

表3 電廠廠區重要負荷

表4 電流保護基準值

（3）短路電流的計算

（4）電流速斷保護整定計算

按保證小方式下10 kV母線兩相短路的靈敏系數Klm≥1.5的要求進行計算。

一次值：Iop1×k1=2018.31/1.5=1345.33（A）

二次值：Iop1×k2=Iop1×k1/nTA=1345.33 A/（200/5）=33.63（A）

動作時間：Top=T+ΔT=0.14+0.3=0.44（s）

（5）過流保護整定計算

與相鄰線路過流保護動作一次值：201 A配合。I2≥Kp×IL1，其中Kp為配合系數，取 1.1；IL1為相鄰線路過流保護值。

一次值：Iop2×k1=201×1.1=221.1（A）

二次值：Iop2×k2=Iop2×k1/nTA=221.1/（200/5）=5.53（A）

動作時間：Top=T+ΔT=1+0.3=1.3（s）

（6）相電流過負荷定值整定計算

經查JL/LB1 A-120/25導線在25℃時的載流量為380 A[5]。Kfh×If/Nct，其中，Kfh為負荷系數，取 0.95；If為線路安全載流量，T接本分支按負荷占比70%計算。

一 次 值：Iop×f1=Kfh×If×0.7=0.95×380×0.7=252.7（A）

二次值：Iop×f2=Iop×f1/nTA=252.7/（200/5）=6.32（A）

綜合上述計算結果，電廠第三路備用電源的繼電保護整定計算結果如表5所示。

表5 電廠第三路備用電源繼電保護整定計算結果

4 結語

電廠第三路備用電源建設工程設計的線路路徑長868 m，其中架空路徑長613 m、電纜路徑長255 m。有10 m拔梢桿2基，15 m耐張門型桿2基，21 m耐張塔2基。在電廠端部樓西北側設1 250 kVA干式無載調壓隔離變壓器1臺。導地線路徑長565 m。線路接入電廠10 kV廠用電III段分段母線作為第三路備用電源。電廠第三路備用電源建設完成后，在雷雨天氣、負荷低谷及機組全停時為該電站10 kV廠用電提供安全可靠的外來電源支撐，不論是“黑啟動”時還是在日常廠用電的使用中，都大大提高了電廠廠用電的供電可靠性。