淺談黑河水電廠生活區鍋爐變設計中電纜選擇的問題

申景濤

(陜西省水利廳，陜西 西安 710004)

1 前言

隨著國家節能減排政策的要求，各水力發電站冬季不應再采用燃煤鍋爐取暖，建議采用清潔能源供電。水力發電站最可靠的清潔能源就是電能，無污染，而且水電站均有生活用電的專用變壓器，但是在國家節能減排政策以前，大部分水電站生活區絕大部分采用燃煤鍋爐供暖，主要原因是水電站普遍地理位置偏僻，廠區和生活區距離較遠，供電距離較遠；電鍋爐故障時對水電站母線沖擊較大；燃煤價格較低。隨著國家節能減排政策的出臺，生活區的供暖成為一個突出的矛盾。

2 工程概況

黑河水電站位于秦嶺周至縣黑峪口，電站裝機3臺，其中8000 kW機組2臺，4000 kW機組1臺，黑河生活基地位于電站下游側2 km處。電鍋爐用電負荷為1500 kW，電源取自壩后電站發電機6 kV母線。

根據黑河壩后水電站的運行工況，在冬季枯水期，水量較大時僅為其中一臺8000 kW機組運行，水量較小時僅為一臺4000 kW機組運行，最大出力不足2000 kW。由于電站所在地區電網條件的限制，其35 kV母聯斷路器必須斷開運行。鑒于該工程的實際情況，供電電源分別取自壩后電站Ⅰ段及Ⅱ段6.3 kV開關柜柜頂母線。生活區鍋爐變主接線圖見圖1。

生活區鍋爐變采用電源進線直接接在發電機出線側上，位于發電機斷路器與發電機之間，當生活區鍋爐變需要檢修時，此段無明顯斷開點，故設置鍋爐變進線斷路器作為檢修點。

圖1 生活區鍋爐變主接線圖

3 生活區鍋爐變難點研究

生活區鍋爐變既屬于廠用變壓器，但又不同于傳統的廠用變壓器，傳統的廠用變壓器運行負荷連續且較小，安裝距離近，高壓配電設備選擇簡單。生活區鍋爐變的特點是負荷大，且不連續，一般都在生活基地內，距發電廠房較遠，高壓配電設備配置復雜，尤其是電纜選擇。一是生活區鍋爐變進線一般直接接在發電機出線處而不是母線上，故此處的選擇需要考慮熱穩定效應；二是從發電廠房到生活區鍋爐變處距離較長，采用電纜還是架空導線對于防雷的要求不一樣，需綜合考慮。下面將對這個選擇難點進行論證。

3.1 發電機出口至生活區鍋爐變電纜選擇

生活區電鍋爐變用電負荷較大，又是直接接在發電機出口端母線上，當生活區鍋爐變故障發生在接點處至電鍋爐變進線開關柜之間時，將可能直接影響機組安全運行，所以這段電纜的選擇成為鍋爐變設計的一個難點。根據已有數據：Ⅰ段母線接兩臺8000 kW發電機，最大運行方式下發電機母線短路電流20.32 kA；Ⅱ段母線接一臺4000 kW發電機，最大運行方式下6.3 kV發電機母線短路電流7.3 kA；電鍋爐變負荷1500 kW，為電阻負載，功率因數為1，高壓側額定電流145 A，低壓側額定電流2279 A。

高壓側電纜截面根據額定電流選擇50 mm2可以滿足要求，但是否滿足本工程要求，需要進一步論證。生活區鍋爐變受到電站條件限制，不能按常規水電站變壓器那樣選擇，只滿足額定電流，還需校驗低壓側短路時流過保護安裝處的短路電流。與常規水電站變壓器不同之處在于，首先鍋爐變直接接在發電機出口端，中間無隔離電器來保護鍋爐變；其次用電負荷在2 km外的生活區，變壓器保護配置不同于常規變壓器，那么短路熱效應的時間取值也不同于常規水電站變壓器，短路熱穩定時間應取后備保護動作時間和斷路器全分閘時間之和。

(1)鍋爐變短路熱效應計算電纜導體允許最小截面公式：

(1)

式中：s為導線截面；Qd短路電流的熱效應，由公式(1)可知，導線熱穩定效應由導線截面決定。

(2)周期分量熱效應計算公式：

Qd=i″2t

(2)

式中：i″為短路電流最大周期分量，t=tp+td其中tp為繼電保護裝置后備保護動作時間，td為斷路器全分閘時間。

(3)非周期分量熱效應依據公式(3)計算可得

Qt=Ti″2

(3)

綜上所述：Qd=Qt+Qd

周期分量和非周期分量下的熱效應之和，即導線短路熱效應。本電站機組容量較小，可不考慮非周期分量的影響。根據公式(1)可得出周期熱效應，經計算線纜截面應大于127.43 mm2，選擇150 mm2。

上述參數不能作為廠用變壓器選擇依據，若直接作為廠用變壓器選擇依據，則會造成電纜截面偏小，當發生短路電流時，若短路時間大于時間t，就會造成安全事故。同樣從原理定性討論主接線時，鍋爐變和廠用變的供電電源均取自發電機母線，發電機母線的截面是按發電機短路電流和系統側短路電流疊加而成的最大短路電流選擇的，廠用變壓器是直接接在發電機母線上，所以不用考慮母線截面問題。但是鍋爐變位于2 km以外，中間有部分高壓線路，若把這部分高壓線路當做發電機母線的延伸段，截面需要按短路電流最大值校驗，則電纜截面選擇會偏大，造成浪費。為了不造成材料的浪費，故廠用變高壓進線截面按電纜熱效應校驗，計算得出新的電纜截面，是小于將高壓線路作為發電機母線延伸的截面，從而使設計更合理。

3.2 進線采用架空線和電纜的設計

3.2.1 架空線設計方案

當選擇鍋爐變壓器的電纜截面后，需要選擇連接方式，有高壓架空線連接和高壓電纜兩種方式。采用兩種連接方式均可，但都存在過電壓保護的問題。當采用高壓電纜連接時，從壩后電站發電機出口端引出后采用架空線路的方式引至鍋爐變的高壓進線，主要存在的問題是當架空線路發生雷電過電壓時，雷電流會沿著架空線傳遞到發電機出口端，并傳遞到發電機，對發電機產生危害，所以架空線路過電流、過電壓保護是必須要解決的一個問題。根據規范《交流電氣的過電壓保護和絕緣配合設計規范》規定要保障電機安全的要求，就需要增加出線電抗器限制過電流，增加電容器防止過電壓(本文只討論過電流問題)。

3.2.2 電纜設計方案

鍋爐變高壓進線也可以采用地埋10 kV電纜。電纜引自發電機出口端，通過直埋方式至鍋爐變壓高壓側戶內開關柜處。當發生雷電過電壓時，雷電流流向鍋爐變側經避雷器導入大地，保證了鍋爐變安全。流向發電機母線側，經過近2 km的電纜至發電機母線側電流衰減至安全數值以下。

3.2.3 改進方案

通過對鍋爐變進線采用架空線和電纜方案的比較可知，全程采用架空線為保證發電機安全需增加出線電抗器來降低雷電流，此方案增加了相關設備和土建費用；全程采用電纜雖然可以保證發電機安全，但是電纜價格較高，施工難度較大。

既然增加電抗器是為了降低雷電流，通過計算電抗器的阻抗，用部分電纜代替電抗器，只要電纜的阻抗不小于電抗器的阻抗就可以起到降低雷電流的目的。

(1)計算電抗器阻抗：

xl=ωl=2πf

(4)

式中：l表示電抗器值。

經計算，xl=0.094。

(2)電纜阻抗：

(5)

式中：ρ為電阻率，銅取0.0182，鋁0.0283。

Z≈xl=0.75R

(6)

由公式(5)和(6)計算可得，電纜長度150 m，電纜阻抗等于電抗器阻抗。

通過上式的驗證，采用電纜加架空線的方案是可以起到保護發電機安全運行的要求的，即減少了增加的設備，又降低工程施工費用。

4 結論

隨著國家節能減排的政策出臺，會有越來越多的水電站生活區放棄燃煤鍋爐，改用電鍋爐取暖。電鍋爐的電源取自電廠將是一種重要的方案，因為鍋爐變與廠用變在電站用電負荷的不同，所以鍋爐變在發電機出口電纜截面的選擇、鍋爐變進線方式均不同于廠用變壓器。本文通過對鍋爐變設計過程中幾個重點問題研究，有效解決了截面選擇和出線方式的問題，對此類工程提供了一定的工程設計借鑒。