浅谈水电站电气设计

浅谈水电站电气设计

陈远东

陈远东惠东县水利水电工程勘测设计室516300

摘要：水电站电气设计直接影响水电站运行的可靠性，本文结合某工程实例，从电气主接线、水电站厂用电、过电压保护、接地、电气设备总体布置等方面探讨了水电站电气的设计。

关键词：水电站接线布置设计

Discussiononelectricaldesignofhydropowerstation

ChenYuandongHuidongCountyWaterConservancyandHydropowerEngineeringSurveyanddesignroom516300

Abstract:ElectricalDesignofhydropowerstationdirectlyaffectsthereliabilityofoperationofhydropowerstation,thispapercombinedwithpracticalwork,fromthemainelectricalwiring,hydropowerstationelectric,overvoltageprotection,grounding,electricalequipmentlayoutandotheraspectsofthehydropowerstationelectricaldesign.

Keywords:HydropowerStationwiringlayoutdesign

1概述

某水电站为河床式低水头径流电站。电站总装机容量为75MW，多年平均发电量为3亿kW•h。主变压器与开关站布置在副厂房内，其占地少，增加的水工投资微少，并可利用厂房外墙出线，取消出线门构。开关站采用户内SF6全封闭组合电器，1回1l0kV出线经挂在厂房外墙的架空线引出。根据该水电站近区电网现状、今后电网的发展情况以及近区负荷用电需求，电站接入系统确定出线电压为1l0kV，架设1回1l0kV线路、并预留一回出线的方案。

2电气主接线

2．1发电机电压侧

本水电站装机台数为6台，发电机单机容量为12．5MW，发电机电压接线采用三机一变的扩大单元接线。发电机电压侧为两段单线线接线。厂用电、闸坝和生活区电源分别取处两段发电机电压母线。这种接线简单清晰，运行方便：110KV高压侧回路少，高压侧接线简化：保护较简单，易实现。主变及高压侧断路器数量都减少，节省了投资和场地。考虑到当l台主变压器发生故障或检修时，连接于该主变压器低压侧10．5KV的厂用变及其他负荷将失电降低了厂用电的安全可靠性，因此在两段发电机电压母线之间增加母联断路器。在枯水期可以灵活选用运行方式，退出一台主变运行，节约空载损耗电费，节约生产成本。每台发电机出口均装设断路器，可提高发电机频繁开停机操作，迅速切除短路故障，利于发电机与主变压器的安全运行，同时简化厂用电接线，提高运行灵活性和可靠性；每台发电机均设置同期点，提高同期操作的安全性。

2．2110KV侧

根据电站1l0kV进线双回，本期出线一回路并预留一回的建设情况，1l0kV侧采用单母线接线，不设旁路母线。单母线接线具有接线简单清晰，设备少，操作方便，投资少，便于扩建等优点。对1l0kV设备进行了常规敞开式电气设备和SF6全封闭组合电器技术经济比较，最终确定采用造价较高、但运行安全可靠、维护工作量小的SF6全封闭组合电器。

综上所述，本电站采用的主接线方案为：发电机电压母线采用三机一变的两段单母线接线，110KV采用单母线接线。

2．3厂用电及船闸、坝区用电接线

本电站属中型水电站，按机组运行时厂用电应用两个电源，全厂停机时，两个电源中可有一个备用的原则考虑。

根据主接线方案及厂用负荷和机械设备配置特点，采用机组自用电和公用电共用厂变及一级电压400／220V供电方式：利用负荷统计法分析计算全厂负荷，初选两台1000KVA的干式变压器，每台容量可供厂内全部重要负荷。两台厂变高压侧分别接在I、II段发电机电压母线上，0．4KV侧为单母线分段带母联断路器接线。正常运行时每台厂变各带一段母线分段运行，如果任一台厂变故障或检修时，另一台厂变带两段母线供给全厂重要用电负荷。设有备用电源自动投入装置，两台厂变互为备用。电站多数负荷采用双层辐射式供电，部分负荷直接由主屏直接供电。凡接有I类负荷的分屏配电箱均分别从两段用母线各引一回馈线至配电箱上的双电源自动切换开关，实现双电源供电。考虑1l0kv线路停电检修时将全站失压，拟保留现有的10．5kV施工降压变，用电缆将降压变低压侧0．4KV电源经厂用低压柜备用开关T接至I段母线。线路停电时，投入备用开关及母联断路器便可用施工降压变供厂用电。考虑到目前电站仅以110kV接入某变电站，10．5kV施工降压变电源亦取自该变电站，水电站外部仅与该l10kV变电站联系，一旦ll0kV变电站全站失压，将对电站的安全运行带来压力。为了改变这种局面，电站拟增设400kW各用柴油发电机组作为电站黑启动备用电源。

坝区主要用电负荷为19孔拦河坝闸门启闭机、船闸的各类启闭机。这些负荷多为重载起动电机，容量大而且比较分散。坝区供电电源取自发电机电压I段10．5kv母线。本工程位于河流中下游，闸门数量较多，为满足及时泄洪需要，考虑四孔闸门同时运行的运行工况，选用一台315KVA干式变压器降压到0．4KV作为主电源，当110KV线路发生故障或检修时，为确保泄洪闸的可靠供电，另配一台400V，280KW柴油发电机组作为为保安备用电源。闸坝变低压侧为单母线接线。考虑到电站无人值班，少人值守的运行情况，工作人员不多，生活区负荷不大，生活区电源由厂用电0．4KVII段母线供电。

3过电压保护及接地设计

3．1过电压保护

经挂在厂房外墙的架空线引出的一回1l0kV架空出线避雷线以及项敷设4支H=22m的避雷针、坝顶建筑物等对开关站和设备形成很好的防直击雷和感应雷保护网。全线架设的线路避雷线可防止雷电直接击在导线上：经过电压保护计算，每回出线侧装设氧化锌避雷器可避免避雷线遭雷击引起线路感应过电压或绕雷直击线路引起的过电压损坏开关站1l0kV设备：此外，l10kVGIS的母线上装设的避雷器又可作为雷电侵入波的后备保护和操作过电压保护。主变低压侧装设的避雷器作为发电机一变压器组防感应雷的保护：主变中性点装设的避雷器可防止大气过电压危及变压器中性点绝缘。

3．2接地装置

电站的整个接地装置设计包括保护接地、工作接地和防雷接地，三者连成一个总接地网。自然地网主要利用水工钢筋焊接成网格，并与各种钢管、水轮机钢壳体、尾水管、闸门槽以及设备接地均压接地等焊接成统一的接地网。110kVGIS室除利用水工钢筋连成均压网外，另利用铜导线加敷铜地网，将支架SF6空气套、管控制柜、避雷器与地网连在一起：户外GIS管道采用全连式多点接地方式，用铜排与电站主地网可靠连接。计算机监控系统采用一点接地方式来减少电磁干扰。与总接地网保持等电位。坝自然接地网、人工接地网加上放射式人工地线，形成总接地网。

根据计算出的入地短路电流最大值3．84KA，接地电阻R≤0．52即满足设计要求。l号机投产发电前夕，采用电流电压法测量，选取了两个引流点做试验。测量结果接地电阻R=0．39、接触电势、跨步电势均小于设计和规程值，满足了规程安全值的要求，接地网设计较好地达到了预期目的。

3.3电厂10．5KV系统中性点接地方式

本工程10．5KV系统为中性点不接地的小接地电流系统。根据装机容量及推荐的主接线方式，对每段10．5KV母线系统进行接地短路时对地电容电流初算，其值约为Ic=4．2A，大于规程规定的发电机发生单相故障时，对地电容电流允许值3A。为补偿接地电容电流，在每台发电机中性点各装设一套容量为30KVA的消弧线圈接地，消弧线圈可调档，以保证发电机中性点长时间电压位移及脱谐度在允许值内。

4电气设备总体布置

厂房分为主厂房与安装间及副厂房。主厂房共分两层，上面为操作运行层，与安装间地面同高程。运行层下游侧布置有励磁盘、机组LCU盘和测温盘等：下面为设备层，布置有机组油水系统及压缩空气系统灯泡贯流式机组有较长的尾水管，容易获得大面积的下游副厂房，对机电设备布置有利。副厂房分为主机段副厂房及安装间段副厂房。主机段下游副厂房分为两层第二层为电缆夹层，布置了电缆及封闭母线：第一层为电气设备层，所有10．5KV以下的一、二次设备以及中控室均布置在此层．主要有高压开关柜室、厂用低压配电室、励磁变压器室、中控室和电气试验室等。开关柜室高压开关柜为一字形单排布置。厂用配电室内布置有厂用变压器2台，及厂用低压配电盘。低压开关柜为一字形单列布置，厂变紧靠两端低压进线柜，厂变与低压柜间以铜母排连接。

4．1发电机电压配电装置

发电机主引出线采用电缆，分支回路及中性点引出线均采用硬母线，布置在主机间及下游的高压开关柜室，采用水平或垂直布置分别与发电机励磁变柜、电压互感器柜、厂用变柜、电压互感器和避雷器柜、中性点接地柜等连接。

4．2变电站布置

两台主变压器布置在主机间副厂房一层内。发电机出线以电缆引至开关柜，开关柜至1#、2#主变低压侧采用共箱封闭母线连接。高压侧经l10kV油／SF6套管与110kVGIS管道母线连接，低压侧经油／空气套管与10．5kV共箱封闭母线连接。两台主变下部均设有储油坑，油坑上部设金属栅格网，网上敷设厚度不小于250mm的鹅卵石。油坑内设有排油管直通附近的主变事故油池主变检修方式为就地检修。

主变压器中性点采用通过隔离开关直接接地方式，便于系统调度。主变高压侧至GIS开关站连线在原可研设计中为高压电缆，在施工设计中将其优化为GIS管道母线，作为GIS的延长段与GIS一起招标采购。除了具有高压电缆的全部优点之外，管道母线由于采用了SF6压缩气体作为绝缘介质，设备尺寸和布置间距大大缩小，能在最大程度上减少设备布置所需的占地面积和空间，以及相应的土建工程量。同时还具有电能损耗低，安装简便快捷、不受敷设落差和弯曲半径限制、不受大气和环境条件影响等突出优点，且运行安全、可靠性高、维护工作量小、专业化标准化生产程度高、技术成熟，在国内外已积累了大量的生产运行经验。

4．3用电设备布置

根据用负荷分布的情况，调速器、机组控制屏、励磁屏、测温屏、LCU屏布置在主机间下游侧结构柱间，机旁动力屏布置在各台机组主设备层、机组与主变、开关站保护装置均布置于中控室的继保室，0．4kV用配电主屏、2台厂用变压器、照明配电主屏均集中布置在运行层副厂房的低压配电室，厂用变压器与各配电屏之间采用硬母线连接。备用变布置在紧邻低压配电室的房间内。

5计算机监控系统

根据本电站的规模和接线等要求，按“无人值班，少人值守”的运行管理模式进行设计。拟设计算机监控系统，通过计算机网络把全站各系统连接起来，实现全站集中监视、控制。值班人员可以在中控室上位机对任意机组进行各种控制操作，并可对全站主要电气设备进行控制操作。出现事故或故障时，能进行报警及进行预设的事故处理。监控系统采用星形以太网络、分层分布式结构，分中控层和现地控制层。用以太网交换机连接上位机和测控设备。通过现地控制单元(Lcu)对每台机组、公用设备、辅助设备、主变压器、开关站等进行状态监视与控制。