韓江高陂水利樞紐工程廠用電及閘壩用電設計

肖天澤

(廣東省水利電力勘測設計研究院有限公司，廣州 510635)

1 項目概況

韓江高陂水利樞紐工程是國務院確定的172項重大水利工程之一，是列入2015年開工建設的27項工程中的一項，是韓江流域防洪控制性工程和水資源配置骨干工程。韓江高陂水利樞紐工程位于廣東省大埔縣境內的韓江干流、高陂鎮上游約6 km處，高陂水利樞紐工程主要建筑物由泄水閘、 電站廠房、 通航船閘及擋水壩等組成[1]，是以防洪、供水為主，兼顧灌溉、發電、航運等綜合利用[2-3]的大型水利工程。電站部分總裝機容量為100 MW，共裝設4臺25 MW的燈泡式貫流水輪發電機組。電站多年平均年利用小時數為4 055.7 h。閘壩部分主要由19臺泄水閘門組成，在洪峰來臨時起到泄洪作用。

發電機10.5 kV電壓側共2段母線，2臺機組與1臺63 000 kVA變壓器組成一個擴大單元接線接于Ⅰ段母線，另2臺機組與另1臺63 000 kVA變壓器組成一個擴大單元接線接于Ⅱ段母線，2臺廠用變壓器、2臺閘壩變壓器及2臺營地變壓器分別接于發電機電壓Ⅰ段、Ⅱ段母線；110 kV電壓側采用“二進一出”單母線接線[4]。樞紐電氣主接線如圖1所示。

圖1 高陂水利樞紐電氣主接線示意

2 廠用電、閘壩用電接線方案

根據高陂水利樞紐工程的任務及電氣主接線方案，各設2臺廠用、閘壩、管理營地變壓器，0.4 kV母線側均為單母線分段接線。2臺廠用變容量一致，2臺閘壩變容量也一致，廠用及閘壩供電在正常運行時均由1臺變壓器帶1段母線運行，如果1臺變壓器故障或檢修，另1臺變壓器可擔負廠用或閘壩全部用電負荷。管理營地變壓器設大、小容量各1臺，正常運行時由1臺大容量變壓器帶1段母線運行，當這臺營地變故障或檢修，另1臺小容量營地變只為營地內二級負荷供電。

由于本工程首要任務為防洪，考慮其重要性，將10 kV施工外來電源在施工完成后做永久電源用，并設1臺備用變壓器作為閘壩的備用電源；考慮到本工程防洪調度中心設置在廠房，因此，將此備用變壓器亦作為廠房部分重要負荷的備用電源(廠用電、閘壩用電接線如圖2所示)。

圖2 廠用電、閘壩用電接線示意

依據水利工程建設標準強制性條文，對特別重要的大中型水力發電廠、泵站、泄洪設施等，如有可能失去廠(站)用電電源，影響大壩安全度汛或可能水淹廠房而危及人身設備安全時，應設置能自動快速起動的柴油發電機組或其他應急電源，其容量應滿足泄洪設施，滲漏排水等可能出現的最大負荷的需要[5-7]。該方案具有供電可靠、供電范圍清晰的優點。

3 廠用電系統及閘壩用電系統負荷分析

3.1 廠用電負荷分析

為保證廠用電設備平穩運行與正常啟停，廠用變壓器的選型至關重要。首先需按實際負荷情況，采用“綜合系數法”計算變壓器容量，再通過自起動容量校驗再次核算變壓器容量。因此，須通過NB/T 35044-2014《水力發電廠廠用電設計規程》進行計算，才能保證廠用電設備的正常運行。

由表1可看出，當1臺機組檢修時，用電負荷達到最大，約為1 569.3 kW。根據NB/T 35044-2014《水力發電廠廠用電設計規程》采用“綜合系數法”[8]對廠用變容量進行計算，選取綜合系數0.79，經計算0.79×1 569.3=1 239.7 kVA，因此，本電站廠用變壓器容量選擇1 250 kVA。

表1 廠用電負荷分析

3.2 閘壩用電負荷分析

閘壩用電的主要負荷來自于19臺泄水閘門啟閉機，在洪峰來臨期間，閘門啟閉機的可靠供電十分重要。為達到快速泄洪的目的，設計上會要求短時間內起動盡量多的啟閉機，但受限于變壓器容量與供電距離，同時起動3臺以上必將帶來巨大的壓降，使啟閉機機端電壓過低。因此，在運行方式上僅分析2臺同時起動和運行1臺起動1臺這兩種工況。

運行1臺起動1臺的起動模式即其中1臺正在起動的泄水閘啟閉機已經躲過了約30 s～1 min的起動電流之后，進入了運行狀態，再起動下1臺啟閉機。待這2臺啟閉機完全開閘后，再以這樣的運行方式起動接下來的2臺啟閉機。這樣的起動方式有利于減小沖擊電流，且與同時起動2臺的時間相差無幾。

從表2可以看出，閘壩變壓器的額定負荷并不算大，選擇315 kVA或400 kVA變壓器即可滿足要求，但需通過壓降校驗對變壓器容量進行考核。

表2 閘壩用電負荷

4 容量及壓降校驗

4.1 廠用變壓器自起動容量校驗

依據《水電站機電設計手冊》[9]，進行自起動容量校驗，已判斷廠變容量。

廠用變容量為1 250 kVA，自起動有功功率約為1 345.9 kW，選擇4倍起動電流。

≈75.6>70

(1)

依據《水電站機電設計手冊》，低壓廠用母線電壓自起動電壓最小允許值為65%～70%，因此，1 250 kVA變壓器滿足要求。

4.2 壓降校驗

依據NB/T 35044-2014《水力發電廠廠用電設計規程》6.3.1“配電母線上接有照明或其他對電壓波動較敏感的負荷，電動機經常起動時，不宜大于10%；電動機不經常起動時不宜大于15%”，本工程閘壩母線上接有壩頂路燈等照明燈具，因此配電母線壓降不宜大于15%。

機端壓降在NB/T 35044-2014中未提及，本工程依據《水電站機電設計手冊》，電動機的端電壓不應低于70%～85%，本工程機端壓降取中間值不大于25%。

若按照額定負荷選取315 kVA或400 kVA閘壩變壓器，依據電纜電阻、電抗見表3所示。

表3 閘壩電纜阻抗 Ω

則配電母線的壓降計算如下：

運行負荷電流：

(2)

起動負荷電流：

(3)

315 kVA閘壩變壓器壓降：

≈34.9 V

(4)

至閘壩配電盤電纜選用2×(YJV22-3×400+1×240)電纜，閘壩變壓器至配電盤的電纜壓降：

=7.7+19.7≈27.4 V

(5)

400 kVA閘壩變壓器壓降：

≈27.5 V

(6)

閘壩變壓器至配電盤的電纜壓降同式(5)，壓降為27.4 V。

從計算可以看出，315 kVA不可保證配電盤壓降在規范要求內，400 kVA雖可滿足，但裕度較小，若負荷稍有增加，則壓降校驗不可滿足，這對閘壩用電的穩定是不利的。因此，為滿足壓降要求，閘壩變容量初步選擇630 kVA變壓器(阻抗為4%)與800 kVA變壓器(阻抗為6%)。泄水閘啟閉機擬選用鼠籠型異步電動機，功率因數0.8，起動時功率因數取0.35，額定效率取0.9；采用軟起動方式，起動電流按3倍計算。船閘與泄水閘已帶靜態負荷30 kW。

在不同的起動方式、變壓器容量、電纜截面選擇下，會得出不同的壓降，依據《水力發電廠廠用電設計規程》(NB/T 35044-2014)附錄E對電動機起動電壓進行了計算(見表4)。

表4 起動壓降對比

從表4可以看出：① 無論是630 kVA變壓器或是800 kVA變壓器，都無法保證同時起動2臺啟閉機時配電母線與機端的壓降在規范要求的范圍內，因此，選擇運行1臺、起動1臺的起動模式；② 800 kVA變壓器有著較高的阻抗，并不能有效降低壓降，630 kVA經濟性更優。因此，選用630 kVA變壓器。

5 結語

前文論述從理論上證明了本工程0.4 kV側的廠用電、閘壩用電接線方案具備合理性；1 250 kVA廠用變壓器滿足了額定負荷與自起動容量校驗；630 kVA閘壩變壓器配合大截面電纜滿足了額定負荷的要求以及在間隔短時間內，起動2臺啟閉機的起動方式。

2021年6月18日，高陂水利樞紐首臺機組正式投產發電，各輔機設備運行狀態良好，泄水閘19臺啟閉機起動安全可靠，證明樞紐的廠用電系統與閘壩用電系統設計合理、運行可靠，為樞紐未來的運行打下了牢固的基礎。