淺談二郎壩水電工程天生橋樞紐10kV配電自動化改造

婁幸媛

（陜西省水利電力勘測設(shè)計研究院，陜西 西安 710001）

1 工程概況

二郎壩水電工程天生橋水庫樞紐區(qū)建有一座10 kV 簡易變電站，該變電站由138 樞紐一線及139 樞紐二線兩回10 kV線路進(jìn)行供電，其供電方式為：兩回10 kV 線路送電至水庫樞紐10 kV 變電站，均先經(jīng)一組10 kV 跌落絲具引至10 kV 柱上油開關(guān)，從10 kV 柱上油開關(guān)引出線再經(jīng)一組10 kV 跌落絲具引至510T 樞紐一號10 kV 變壓器，經(jīng)變壓器降壓為0.4 kV 電壓等級后引至樞紐0.4 kV 配電室，供水庫樞紐大壩用電。

2 原設(shè)備運(yùn)行情況及存在的主要問題

2.1 原設(shè)備運(yùn)行情況

該簡易變電站10 kV配電設(shè)施包括：一臺配電變壓器，型號為S7-250/10，額定電壓為10±5%kV/0.4 kV，額定容量為250 kVA；兩臺10 kV柱上油開關(guān)，型號為DW7-10；四組10 kV跌落絲具，型號為RW4-10；兩組10 kV避雷器，型號為FS4-10。

天生橋水庫樞紐區(qū)10 kV 簡易變電站于1999 年建成投運(yùn)，建成后就采用目前供電方式為水庫樞紐供電，其10 kV 配電變壓器為1994 年產(chǎn)品，已運(yùn)行近24 a，兩臺10 kV 柱上油開關(guān)、四組10 kV 跌落絲具及兩組10 kV 避雷器均已運(yùn)行18 a，基本達(dá)到了電氣設(shè)備的使用壽命年限。圖1 為天生橋水庫樞紐10 kV 簡易變電站現(xiàn)狀圖。

圖1 天生橋水庫樞紐10kV 簡易變電站現(xiàn)狀圖

2.2 變電站存在的主要問題

目前該變電站主要存在以下問題：

1）10 kV 所有設(shè)備的操作方式均為純手動方式，柱上油開關(guān)和跌落絲具距離地面均在4 m 以上，每次操作開關(guān)跳、合閘及開、合跌落絲具，均要站在地面使用10 kV 絕緣桿進(jìn)行操作，操作十分困難；

2）10 kV 配電變壓器額定容量偏小；

3）柱上油開關(guān)本體滲油、變壓器滲油，夏季溫度高，存在嚴(yán)重的安全隱患；

4）因運(yùn)行年限較長，設(shè)備陳舊、老化，備品備件不易購置、技術(shù)服務(wù)跟不上、維護(hù)難度大等。

隨著自動化、智慧化的發(fā)展，二郎壩水力發(fā)電工程已完成了智能化改造，實(shí)現(xiàn)了完全“無人值守，遠(yuǎn)程監(jiān)控”的運(yùn)行方式；天生橋水庫樞紐也進(jìn)行了智能化升級改造。由樞紐變電站10 kV 配電設(shè)施運(yùn)行年限長，設(shè)備嚴(yán)重老化，在使用過程中經(jīng)常出現(xiàn)故障，存在嚴(yán)重的安全隱患問題，故對該變電站10 kV配電設(shè)施進(jìn)行升級更新改造，已是勢在必行。

3 變電站更新升級改造

3.1 主要設(shè)備配置

天生橋水庫樞紐10 kV 簡易變電站10 kV 配電設(shè)施的技術(shù)改造，設(shè)計采用戶外10 kV 箱式變電站，布置安裝在原10 kV簡易變電站位置處。

在樞紐0.4 kV 配電房之前，將兩回10 kV 架空電源進(jìn)線，分別采用YJV22-8.7/10 kV-3×50 型交聯(lián)聚乙烯絕緣鎧裝電力電纜引下，沿原有0.4 kV 低壓配電室建筑物外側(cè)散水邊，直埋引入10 kV 箱式變電站，在10 kV 架空線與電力電纜的連接處，分別安裝一組YH5WS-17/50 型（三只）10 kV氧化鋅避雷器。

在10 kV 箱式變電站內(nèi)，配置兩臺分別裝設(shè)一臺GN19-12kV/630A-25 kA 型隔離開關(guān)，三只HY5WS-17/50 型10kV 氧化鋅避雷器等的高壓開關(guān)柜；兩臺分別裝設(shè)三只XRNT1-12kV/30A 型高壓熔斷器，一臺JCZ5-12D/400A-4 kV型交流高壓真空接觸器，一臺JN15-12X/31.5 kA 型接地開關(guān)，三只HY5WS-17/50 型10 kV 氧化鋅避雷器等的高壓開關(guān)柜；一臺型號為S11M-315/10/0.4、額定電壓為10±5%kV/0.4 kV、額定容量為315 kVA、聯(lián)結(jié)組別為Dyn11 的全密封、免維護(hù)、低損耗三相雙繞組無勵磁調(diào)壓配電變壓器。

10 kV 箱式變電站內(nèi)配置的JCZ5-12D/400A 型、電磁式戶內(nèi)交流高壓真空接觸器，適用于三相交流50 HZ、額定電壓12 kV、額定電流到400 A 的電力系統(tǒng)中，供發(fā)電廠及其它工礦企業(yè)遠(yuǎn)距離接通與分?jǐn)嗑€路，控制高壓電動機(jī)、變壓器及容性負(fù)載等用電設(shè)備，適用于各種頻繁操作領(lǐng)域。當(dāng)它與高壓熔繼器或斷路器配套使用時，預(yù)期熔斷短路電流為40 kA。

10 kV 箱式變電站是將高壓配電裝置和變壓器安裝在兩個不同的隔室內(nèi)，通過電纜按上圖接線方案組合成一體。

高壓室結(jié)構(gòu)緊湊合理、并具有全面防誤操作聯(lián)鎖功能。高壓側(cè)一次供電系統(tǒng)，布置成雙電源供電的供電方式，兩回10 kV出線互為閉鎖。

變壓器室設(shè)有軌道，能方便地從變壓室兩側(cè)大門進(jìn)出。變壓器室裝設(shè)一臺S11M-315/10/0.4 kV、315 kVA、10±5%kV/0.4 kV、Dyn11 型低損耗、全密封油浸式三相配電變壓器。

各室均能設(shè)置自動照明裝置，高壓室所選用全部元件性能可靠、操作方便，整套裝置運(yùn)行安全可靠、操作維護(hù)方便。

10 kV 箱式變電站采用自然通風(fēng)方式，高壓室和變壓器室均有通風(fēng)道，能夠保證變壓器滿負(fù)荷運(yùn)行。

箱體結(jié)構(gòu)能防止雨水和污物進(jìn)入，并采用特種鋼板或鋁合金板制作，經(jīng)防腐處理，具備長期戶外使用的條件。確保防腐、防水、防塵性能，使用壽命長，同時外形美觀。

3.2 自動化升級改造

目前國內(nèi)對于水庫樞紐用電安全非常重視，根據(jù)《供配電設(shè)計規(guī)范》條文說明要求，均按一類負(fù)荷考慮，采用雙回獨(dú)立電源供電。供電方案普遍采用一回電源取自電站的發(fā)電機(jī)電壓母線，作為主要供電電源，主要是考慮到水電站有豐水期和枯水期兩種運(yùn)行工況，即使在枯水期水電站也至少有一臺機(jī)組發(fā)電，可以保證樞紐供電的可靠性。另一回取自電站的外來電源，當(dāng)出現(xiàn)機(jī)組檢修或者線路發(fā)生故障時，電站無法提供可靠電源，備用電源投入，保證水庫樞紐供電的安全性，可以及時開啟泄洪閘門，確保樞紐安全。

3.2.1 傳統(tǒng)備自投方案

水庫樞紐供電，用電性質(zhì)為一類負(fù)荷，對供電電源可靠性要求較高，一般采用兩路交流供電電源，進(jìn)線回路設(shè)置高壓斷路器。為保證當(dāng)一路供電電源發(fā)生故障失電時，可以快速切換到另一路供電電源而設(shè)置自動投切裝置。設(shè)備配置通常采用金屬抽屜式開關(guān)柜，柜內(nèi)主要設(shè)備包含真空斷路器、電流互感器、保護(hù)裝置、接地開關(guān)、避雷器、帶電顯示裝置等設(shè)備，采用戶內(nèi)布置方案。兩條供電線路采用熱備用形式。正常供電時主供電源帶電，電源1 路真空斷路器處在合位位置，電源2 路真空斷路器處在分位位置，保證用電安全運(yùn)行，為防止并列運(yùn)行，造成供電故障，采用電氣閉鎖和機(jī)械閉鎖兩種方式，保證供電安全。圖2 為備自投閉鎖方案及接觸器閉鎖方案。

圖2 備自投閉鎖方案及接觸器閉鎖方案

控制原理：正常供電時，1#10 kV 進(jìn)線供電，QF1 斷路器處在合位，CT1 有采樣電流，TV1 有電壓顯示，備自投采集CT1 和TV1 信號；2#10kV 進(jìn)線供電處在備用狀態(tài)，QF2 斷路器處在分位，CT2 無采樣電流，TV2 無電壓顯示，備自投采集CT2 和TV2 信號；當(dāng)1#10 kV 進(jìn)線線路故障失壓，CT1 將無采樣電流，TV1 電壓信號消失，備自投發(fā)出切換命令，分QF1 斷路器，判斷CT2 是否有采樣電流，當(dāng)CT2 有采樣電流時，合QF2 斷路器，TV2 有電壓顯示，完成切換。

3.2.2 采用接觸器互鎖方案

傳統(tǒng)的雙電源備自投方案具有準(zhǔn)確、可靠的優(yōu)點(diǎn)，但是也存在造價高，切換過程復(fù)雜等問題，對于環(huán)境和柜型都有嚴(yán)格的要求。備自投需要真空斷路器作為操作電器，真空斷路器的操作需要可靠的電源，傳統(tǒng)上采用直流電源操作，受限時也可以采用交流電源操作。且高壓斷路器的遠(yuǎn)方分合閘需要綜保設(shè)備完成，需采用微機(jī)保護(hù)裝置，并且需要提供整定參數(shù)才能實(shí)現(xiàn)對變壓器的保護(hù)。

本工程的雙電源備自投方式，采用兩臺高壓交流接觸器來實(shí)現(xiàn)線路的切換和分合閘操作，通過采用交流接觸器的相互閉鎖方式（見圖3 接觸器閉鎖方案），實(shí)現(xiàn)兩回供電線路的相互切換。

供電線路采用熔斷器加交流接觸器的保護(hù)控制方案，熔斷器主要作為變壓器的過電流保護(hù)，當(dāng)回路過電流時，熔斷器熔絲熔斷，切開進(jìn)線線路保護(hù)變壓器，接觸器完成邏輯控制與閉鎖，第一供電回路接觸器KM1 和第二供電回路接觸器KM2 采用硬接點(diǎn)的電氣互相閉鎖，KM1 的常閉點(diǎn)串接在KM2 主回路中，KM2 的常閉點(diǎn)串接在KM1 主回路中，當(dāng)KM1 閉合時，KM2輔助點(diǎn)處在常閉位置，則KM1 回路導(dǎo)通，完成由線路1 供電的方式，當(dāng)線路1 失電時，KM1 接觸器失電，KM1 斷開，KM2 閉合，KM2 的常閉輔助點(diǎn)斷開，則此時KM1 回路無法導(dǎo)通供電，保證供電安全、可靠，KM1 和KM2 不能同時供電，反之亦然。

圖3 兩臺交流接觸器的相互閉鎖原理接線圖

通過采用兩臺交流接觸器進(jìn)行電氣回路互相閉鎖的方式可知，采用內(nèi)置隔離開關(guān)及高壓交流接觸器的環(huán)網(wǎng)柜，便實(shí)現(xiàn)了兩回供電線路互為閉鎖的功能，降低工程投資，節(jié)約成本。

4 結(jié)論

通過對天生橋電站樞紐系統(tǒng)的供電方案改造，使樞紐供電的可靠性及自動化程度均有較大提高，通過對傳統(tǒng)備自投方案的分析，改為采用高壓交流接觸器方案，并未降低用電的負(fù)荷等級，并且實(shí)現(xiàn)兩條線路的互相切換，保證了供電的可靠性，降低了工程投資，節(jié)約了工程成本，加快了工程的實(shí)施。改進(jìn)后的方案對相關(guān)工程具有一定的借鑒意義。不足之處是如果能完成自動化控制，將交流接觸器的遠(yuǎn)程操作接入到電站的五防系統(tǒng)中，將可以更大提高運(yùn)行的安全性。