摘要:塔西河石門子水利樞紐是以灌溉為主的水利設(shè)施，考慮到電站運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性以及水庫放水過程的特點(diǎn)和電站運(yùn)行方式，供電地區(qū)負(fù)荷特性和電源構(gòu)成情況，確定裝機(jī)容量方案為9.5MW(2×4.0+3×0.5MW)，并選擇相應(yīng)的水力發(fā)電機(jī)組、電氣主接線方案，對短路電流進(jìn)行計(jì)算，進(jìn)行過壓保護(hù)及接地、繼電保護(hù)方案的設(shè)計(jì)，最后對二次接線進(jìn)行了設(shè)計(jì)。

關(guān)鍵詞: 水力發(fā)電機(jī)組;電氣主接線;短路電流;過壓保護(hù);繼電保護(hù)

1 概述

塔西河二級電站的各氣象要素為:多年平均氣溫4.1°C，極端最高氣溫33.2°C (發(fā)生于1987年8月17日)，極端最低氣溫-31.5°C (發(fā)生于1987年11月27日)，多年平均降水量430mm，多年平均蒸發(fā)量1410.8mm (20cm口徑蒸發(fā)皿)。多年平均氣壓968.0mb，多年平均水汽壓7.6mb。多年平均風(fēng)速1.7m/s，多年最大風(fēng)速20m/s，最大風(fēng)風(fēng)向W。多年平均無霜期151.4天，多年平均霜日數(shù)146天，多年平均雷暴日數(shù)17.0天。最大積雪深度40cm，最大凍土深度140cm。

1.1 裝機(jī)容量的初步擬定

塔西河石門子水利樞紐是以灌溉為主的水利設(shè)施，根據(jù)水庫放水過程分析，灌溉期水庫放水量占全年的93.6%，其中6～8月的放水量占全年的68.3%，而非灌溉期11月～次年3月的放水量只占到全年的6.4%，出力只有0.689kW。為充分利用水能資源，考慮新老電站充分結(jié)合，新建二級電站裝機(jī)選用以大機(jī)組為主。

考慮到電站運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性以及水庫放水過程的特點(diǎn)，電站運(yùn)行方式如下:11月～次年3月老電站一臺小機(jī)組運(yùn)行，4、5月采用新電站一臺大機(jī)組運(yùn)行，6月新電站兩臺機(jī)組同時運(yùn)行，7月新老電站同時運(yùn)行，8月三臺小機(jī)組和一臺大機(jī)組運(yùn)行，9月三臺小機(jī)組運(yùn)行，10月兩臺小機(jī)組運(yùn)行發(fā)電。

根據(jù)電站的運(yùn)行特點(diǎn)。供電地區(qū)負(fù)荷特性和電源構(gòu)成情況，確定裝機(jī)容量方案為:9.5MW(2×4.0+3×0.5MW);

2 水力發(fā)電機(jī)組的選擇

2.1水輪機(jī)的選擇

本電站為引水式電站，水頭變化范圍小，運(yùn)行水頭范圍為51.8～53.24m，水輪機(jī)設(shè)計(jì)水頭51.8m，引用水流量10.0m3/s。

根據(jù)其它專業(yè)比選推薦方案，裝機(jī)容量確定為:2×4.0MW，即兩臺單機(jī)容量4.0MW機(jī)組。

2.2發(fā)電機(jī)及調(diào)速系統(tǒng)的選擇

水輪機(jī)選定后與機(jī)組配套的發(fā)電機(jī)型號為SFW-K4000-12/2150。發(fā)電機(jī)、調(diào)速器及其它設(shè)備選型參數(shù)如下表。

發(fā)電機(jī)及其它設(shè)備表

2.2.1接入電力系統(tǒng)方式

電站位于塔西河干渠樁號3+028處西側(cè)，距塔西河石門子水庫3.63km。電站總裝機(jī)容量8.0MW，單機(jī)容量2×4.0MW，共2臺機(jī)組，發(fā)電機(jī)額定電壓6.3kV，額定功率因數(shù)0.8。電站設(shè)計(jì)水平年2010年，年利用小時數(shù)2546.4h，設(shè)備年發(fā)電量2419.06萬kW·h，保證出力0.93MW。根據(jù)《瑪納斯縣塔西河梯級電站開發(fā)建議書》及瑪納斯縣電力系統(tǒng)現(xiàn)狀，確定該電站接入系統(tǒng)采用一回35kV一級電壓接至距電站0.2km的塔西河110kV變電所。塔西河二級水電站以調(diào)峰、調(diào)頻及作為事故備用為主。

2.2.2電氣主接線

2.2.2.1 主接線方案

本電站裝機(jī)容量為2×4.0MW，根據(jù)本電站的系統(tǒng)要求和電站的特有性質(zhì)，發(fā)電機(jī)出口額定電壓6.3kV，額定功率因數(shù)0.8，電氣主接線推薦為:1F、2F采用單母線接線、35kV側(cè)接線方式采用單母線接線、廠用電接線采用單母線接線方式。

2.2.2.2 主接線方案比較論證

(1) 發(fā)電機(jī)與變壓器組合方式技術(shù)比較:

方案一:單元接線

方案二:單母線接線

1、技術(shù)比較:詳見表1

2、經(jīng)濟(jì)比較

兩種方案中單母線設(shè)備投資省，運(yùn)行方便可靠。

3、結(jié)論

由此可以得出:單元接線較單母線設(shè)備投資大。綜合上述技術(shù)比較內(nèi)容，推薦發(fā)電機(jī)與變壓器組合方式為:單母線接線方案。

(2) 35kV側(cè)接線方式選擇

鑒于本電站至塔西河110kV變電所距離僅0.2km，故采用一回35kV出線單母線接線形式。

(3) 廠用變壓器接線形式選擇

為提高廠用電可靠性，采用分別從系統(tǒng)側(cè)和單母線側(cè)各接一臺廠用變壓器形式，從而保證廠用電源兩路供電:

其一、機(jī)組發(fā)電供電供給。

其二、經(jīng)系統(tǒng)倒供電。

(4) 35kV開關(guān)站形式選擇

35kV開關(guān)站采用戶外布置方式。開關(guān)室占地面積約為50000×45000mm，出線方便。選用SF6電氣設(shè)備可改善電氣設(shè)備的運(yùn)行條件，減少維護(hù)工作量，但占地面積約是戶內(nèi)方案的4倍，設(shè)備投資較戶內(nèi)方案小。

35kV開關(guān)站采用戶內(nèi)布置方式，須布置4面屏，并預(yù)留2面屏的位置，以便將來增加一回35kV出線。開關(guān)室面積為15600×7200mm，35kV出線占地面積為10250×15600mm。采用戶內(nèi)設(shè)備可改善電氣設(shè)備的運(yùn)行條件，減少維護(hù)工作量，但設(shè)備投資較戶外方案大。

綜合上述內(nèi)容，推薦35kV開關(guān)站布置方式為戶外布置。

2.2.2.3推薦方案電氣主接線

綜合分析以上方案技術(shù)比較論證結(jié)果，本電站電氣主接線推薦方案為:發(fā)電機(jī)與變壓器組合方式為單母線接線，35kV側(cè)接線方式為單母線接線、廠用電接線為分別從系統(tǒng)和6.3kV母線側(cè)各接一臺廠用變壓器形式。該推薦方案電氣主接線詳見圖TXHⅡJDZ-DQ-02。

2.2.3主要電氣設(shè)備

2.2.3.1 短路電流計(jì)算

因電力系統(tǒng)未提供系統(tǒng)阻抗值，故暫按系統(tǒng)無窮大考慮計(jì)算，標(biāo)稱容量取Sj=100MVA及電氣主接線進(jìn)行了短路電流計(jì)算，其成果如下:

2.2.3.2 主要電氣設(shè)備

根據(jù)短路電流計(jì)算成果，對35kV斷路器和6.3kV斷路器等設(shè)備進(jìn)行了校驗(yàn)。由于該地區(qū)電網(wǎng)系統(tǒng)容量不大，35kV側(cè)短路容量較小，所選斷路器開斷能力均可滿足要求。另由于該電站地處西天山北麓的低山丘陵區(qū)，多洪水，工程區(qū)地震基本烈度為Ⅷ度，故電氣設(shè)備選型及布置上6.3kV采用戶內(nèi)方案，35kV開關(guān)站采用戶外方案，以提高電站運(yùn)行的安全性和可靠性。

2.2.4 過電壓保護(hù)及接地

依據(jù)《水力發(fā)電廠過電壓保護(hù)和絕緣配合設(shè)計(jì)技術(shù)導(dǎo)則》，本電站采用架設(shè)避雷線保護(hù)架空線路;在屋頂布置均壓接地網(wǎng)以防止電廠直擊雷，消弱對主變壓器等電氣設(shè)備的不利影響;在35kV母線上裝設(shè)避雷器用以防止雷電侵入波;主變低壓側(cè)發(fā)電機(jī)出口母線上裝設(shè)避雷器用以防止感應(yīng)過電壓。升壓站設(shè)置避雷針保護(hù)。

接地設(shè)計(jì)依據(jù)《水力發(fā)電廠接地設(shè)計(jì)技術(shù)導(dǎo)則》進(jìn)行，電站接地充分利用自然接地體，接地網(wǎng)主網(wǎng)分為主變平臺及廠房接地網(wǎng)，尾水渠及下游河道水下接地網(wǎng)。各接地網(wǎng)之間相互連接，再與水工建筑物、壓力鋼管等可靠連接，接地電阻要求小于4Ω。

2.2.5.4 勵磁系統(tǒng)

勵磁系統(tǒng)采用自并勵靜止可控硅勵磁裝置，選用環(huán)氧樹脂澆注干式變壓器作為勵磁電源變壓器。采用兩套三相全控橋式整流裝置。在發(fā)電機(jī)機(jī)端正序電壓下降到額定值的80%時，能保證提供2倍頂值電壓50s強(qiáng)勵能力。

1)勵磁系統(tǒng)主回路

勵磁系統(tǒng)電源由并聯(lián)在機(jī)端的勵磁變壓器，經(jīng)三相全控橋可控硅整流供給發(fā)電機(jī)勵磁。

勵磁變壓器為環(huán)氧澆注干式結(jié)構(gòu)，F(xiàn)級絕緣，聯(lián)結(jié)組別:Y/Δ—11。

2)勵磁調(diào)節(jié)器

調(diào)節(jié)器為微機(jī)型數(shù)字式勵磁調(diào)節(jié)器，自動電壓調(diào)節(jié)器按發(fā)電機(jī)機(jī)端電壓偏差進(jìn)行PID調(diào)節(jié);而手動調(diào)節(jié)通道則以勵磁電流作為反饋量進(jìn)行閉環(huán)PID調(diào)節(jié)。

3)起勵方式

勵磁系統(tǒng)具備殘壓起勵功能，以直流它勵為主要起勵方式。起勵電流不超過空載勵磁電流的15%。它勵電源由DC 220V直流系統(tǒng)供給。

4)滅磁方式

機(jī)組在正常工況下采取逆變滅磁，滅磁開關(guān)始終處于合閘位置;滅磁開關(guān)的操作電源為DC 220V。在事故停機(jī)(甩負(fù)荷停機(jī))時跳開滅磁開關(guān)(能量轉(zhuǎn)移型)，轉(zhuǎn)子能量經(jīng)氧化鋅非線性滅磁電阻釋放。

2.2.5.5 公用輔機(jī)控制系統(tǒng)

主要包括:高壓空氣壓縮系統(tǒng)、低壓空氣壓縮系統(tǒng)、壓油系統(tǒng)、集水井排水泵系統(tǒng)等的控制系統(tǒng)。

2.2.6 繼電保護(hù)

依據(jù)GBl4285—93《繼電保護(hù)和安全自動裝置技術(shù)規(guī)程》繼電保護(hù)配置原則，保護(hù)配置方案采用微機(jī)保護(hù)。

一、發(fā)電機(jī)變壓器保護(hù)

(1) 發(fā)電機(jī)保護(hù)

1)主保護(hù)

縱差保護(hù)。

2)后備保護(hù)

低電壓啟動電流記憶過流保護(hù);

全電流過負(fù)荷保護(hù);

轉(zhuǎn)子一點(diǎn)接地保護(hù);

失磁保護(hù);

定子過電壓保護(hù);

負(fù)序電流保護(hù)。

(2)變壓器保護(hù)

1)主保護(hù)

縱差保護(hù);

主變重瓦斯保護(hù)。

2)后備保護(hù)

主變溫度保護(hù);

主變過流保護(hù);

主變過負(fù)荷保護(hù);

主變輕瓦斯保護(hù)。

二、35kV線路微機(jī)型保護(hù)

1)主保護(hù)

縱差保護(hù)。

2)后備保護(hù)

三段式相間距離保護(hù);

四段式零序方向保護(hù);

電流速斷及過電流。

2.2.7 二次接線

1、同期系統(tǒng)

兩臺機(jī)組設(shè)置一套微機(jī)自動準(zhǔn)同期裝置，同期點(diǎn)為發(fā)電機(jī)出口斷路器。35kV線路設(shè)置一套微機(jī)自動準(zhǔn)同期裝置，同期點(diǎn)為35kV線路斷路器。

手動準(zhǔn)同期裝置作為備用同期方式，全站同期配置見圖TXHⅡJDZ-DQ-05。

2、電量及非電量測量

發(fā)變組擴(kuò)大單元:將發(fā)電機(jī)定子電流、定子電壓、有功功率、無功功率、頻率、有功電度、無功電度、轉(zhuǎn)子電壓和轉(zhuǎn)子電流以及功率因數(shù)等交流測量量和計(jì)算量上送機(jī)組LCU。

廠用電:將廠用電電壓、電流、有功功率等電氣量上送公用LCU。

35kV線路:將線路電流、電壓、有功功率、無功功率、有功電度、無功電度等交流測量量和計(jì)算量上送3F和35kV開關(guān)站及公用LCU。

非電氣量測量:

電站上、下游水位測量;

機(jī)組壓力鋼管水流壓力(流量)測量。

3、直流控制電源

電壓等級:220V;

蓄電池型式選用免維護(hù)鉛酸蓄電池;

蓄電池容量:1×100Ah;

蓄電池組數(shù):1組，共l08只，2V電池;

充電裝置:1套;

一套電站專用不間斷(UPS)電源，為水電站計(jì)算機(jī)及表計(jì)等提供交流電源。

1)直流負(fù)荷計(jì)算

直流負(fù)荷計(jì)算見附表。

2) 接線形式

本電站直流系統(tǒng)為單母線接線，一組電池、一組充電模塊單一電壓輸出、控母與動母分開、有降壓裝置。兩路380V交流電源輸入充電模塊，將該組充電模塊掛接在這套直流系統(tǒng)的控母與合母上。直流系統(tǒng)接線見圖TXHⅡJDZ-DQ-06。

事故負(fù)荷按一小時計(jì)算，計(jì)算結(jié)果為40Ah。

因本電站繼電保護(hù)、監(jiān)控系統(tǒng)為微機(jī)型，一次設(shè)備斷路器操作機(jī)構(gòu)為彈簧或液壓型，經(jīng)常負(fù)荷較小。

直流容量選擇按照《關(guān)于無人值班水電廠試點(diǎn)工作的若干意見》的通知中允許適當(dāng)放寬中型水電廠裝設(shè)二組蓄電池的限制，考慮到本電站在系統(tǒng)中的地位，故選擇一組100Ah的蓄電池。

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