王福春，楊 紅

(中國水電顧問集團(tuán)成都勘測設(shè)計(jì)研究院，四川 成都 610072)

1 前 言

坪頭水電站共裝3臺60MW混流式水輪發(fā)電機(jī)組，總裝機(jī)容量180MW，枯水年枯水期平均出力60.2MW，多年平均發(fā)電量8.61億kW·h，年利用小時(shí)數(shù)4 783h。電站水庫具有日調(diào)節(jié)性能，電站在系統(tǒng)中擔(dān)負(fù)基荷和調(diào)峰任務(wù)。

發(fā)電廠房采用地下廠房型式，廠房樞紐主要建筑物由主副廠房、主變及GIS室、尾水洞、交通洞、出線兼排風(fēng)洞、排水廊道及出線場組成。

2 電站接入系統(tǒng)及電氣主接線

2.1 電站接入系統(tǒng)

坪頭水電站接入系統(tǒng)的方式為：出線電壓等級為220kV，一回220kV線路至柳洪水電站(線路長14km)，經(jīng)柳洪水電站送入瓦吉吉220kV聯(lián)合開關(guān)站(線路長8km)，整個(gè)梯級電站從聯(lián)合開關(guān)站出線兩回至普提500kV變電站(線路長27km)，其電力負(fù)荷送入四川主電網(wǎng)。另一回220kV線路至雷波220kV開關(guān)站。

2.2 電站電氣主接線

電站電氣主接線方案為：1號、2號機(jī)組與一臺容量為150MVA的變壓器組成擴(kuò)大單元接線，3號機(jī)組與一臺容量為75MVA的變壓器組成單元接線，220kV側(cè)為單母線接線，220kV出線2回路。

3 220kV配電設(shè)備的選擇計(jì)算

3.1 短路電流計(jì)算

根據(jù)系統(tǒng)提供的220kV側(cè)阻抗以及電站主變壓器、發(fā)電機(jī)組的阻抗值進(jìn)行計(jì)算。220kV側(cè)母線三相短路電流11.36kA，沖擊電流30.52kA，單相短路入地電流10.18 kA。

3.2 220kV開關(guān)設(shè)備的選擇

坪頭水電站廠房樞紐為地下工程，受地質(zhì)條件的限制，地面不具備布置220kV開關(guān)設(shè)備的場地，需將220kV開關(guān)設(shè)備和主變壓器均布置在地下洞室內(nèi)。而GIS設(shè)備是集成的成套裝置，占地面積小，能較好地適應(yīng)本電站減小地下洞室開挖工程量的要求。所以電站的220kV開關(guān)設(shè)備選用GIS。

坪頭水電站220kV開關(guān)設(shè)備采用GIS具有如下特點(diǎn)：

(1)運(yùn)行可靠性高。由于GIS設(shè)備中所有元器件均裝在全封閉的金屬外殼內(nèi)，與外部隔絕，減少了故障機(jī)率，極大地提高了設(shè)備運(yùn)行的可靠性。

(2)自動控制程度高。GIS設(shè)備中的斷路器、隔離開關(guān)、接地開關(guān)等均未電氣操作，設(shè)備全組裝在同一基礎(chǔ)上，其機(jī)械操作靈活可靠性遠(yuǎn)高于常規(guī)敞開式開關(guān)設(shè)備，提高了電站自動控制的可靠性，有利于實(shí)現(xiàn)電站“無人值班，少人值守”。

(3)可改善電站的運(yùn)行環(huán)境和運(yùn)行管理?xiàng)l件。電氣設(shè)備按常規(guī)布置存在著帶油設(shè)備熱脹冷縮后滲油的問題，這將直接影響到設(shè)備的使用壽命，加大了運(yùn)行維護(hù)工作量。220kV開關(guān)設(shè)備采用GIS全封閉組合電器是解決以上問題的有效措施和辦法。

坪頭水電站的220kV GIS設(shè)備共有進(jìn)線間隔2個(gè)、出線間隔2個(gè)、電壓互感器及避雷器間隔1個(gè)。220kV GIS設(shè)備主要參數(shù)見表1。

表1 坪頭水電站220 kV GIS設(shè)備參數(shù)

3.3 220kV高壓電纜的選擇

3.3.1 220kV高壓電纜

根據(jù)電站廠房樞紐布置要求，220kV開關(guān)站鄰近主廠房的下游側(cè)布置，與戶外220kV出線場經(jīng)過約245m長的出線洞連接。因此220kV GIS設(shè)備與戶外220kV出線場設(shè)備采用220kV高壓電纜連接。

220kV交聯(lián)聚乙烯(XLPE)絕緣電纜在我國已有10多年的制造和使用工程案例，技術(shù)已趨成熟。XLPE絕緣電纜已經(jīng)取代油紙絕緣電力電纜并逐步取代充油電力電纜，且電壓等級已發(fā)展到500kV，分割導(dǎo)體面積達(dá)到2 500mm2。XLPE絕緣電纜比充油電纜安裝、維護(hù)方便，運(yùn)行安全。坪頭水電站220kV高壓電纜采用交聯(lián)聚乙烯(XLPE)絕緣電纜，電纜主要參數(shù)見表2。

表2 坪頭水電站220 kV 高壓電纜參數(shù)

3.3.2 220kV高壓電纜載流量計(jì)算

根據(jù)IEC-60287標(biāo)準(zhǔn)和本電站所用電纜的相關(guān)參數(shù)，電纜額定載流量I計(jì)算如下：

=843(A)

式中Δθ——導(dǎo)體運(yùn)行最大溫升(50 ℃)；

Wd——電纜每相單位長度介質(zhì)損耗(0.298 0W/m)；

R——導(dǎo)體工作溫度下交流電阻(6.13E-05Ω/m)；

n——電纜芯數(shù)，n=1；

T1——絕緣熱阻(0.664 7K·m/W)；

T2——內(nèi)襯層熱阻(0K·m/W)；

T3——外護(hù)層熱阻(0.066 8 K·m/W)；

T4——外部熱阻(0.390 3K·m/W)；

λ1——金屬鋁護(hù)套的功率損耗，0.043；

λ2——鎧裝層損耗0。

考慮在同一電纜走廊內(nèi)敷設(shè)兩回電纜，取載流量修正系數(shù)0.95，此時(shí)電纜載流量為800A。

3.3.3 220kV高壓電纜短路電流計(jì)算

3.3.3.1 絕熱情況下短路電流

式中IAD——在絕熱基礎(chǔ)上計(jì)算的短路電流(整個(gè)短路期間有效值)，A;

t——短路持續(xù)時(shí)間，s；

K——載流體材料的常數(shù)，As1/2/mm2；

θf——最終溫度，℃；

θi——起始溫度，℃；

β——0℃時(shí)載流體電阻溫度系數(shù)的倒數(shù)，K；

S——載流體幾何截面，mm2。

3.3.3.2 銅導(dǎo)體非絕熱因數(shù)ε的公式

對于XLPE絕緣銅電纜，其中參數(shù)取值如下：

X=0.41；Y=0.12；S=導(dǎo)體截面；t=短路時(shí)間。

3.3.3.3 鋁護(hù)套非絕熱因數(shù)ε的公式

式中M=0.092 5；

t——短路時(shí)間。

3.3.3.4 非絕熱情況下短路電流計(jì)算公式

I=ε×IAD

式中I——非絕熱情況下的允許短路電流；

IAD——絕熱情況下的短路電流。

220kV高壓電纜短路電流計(jì)算結(jié)果見表3。電纜短路電流大于30kA/3s ，滿足本電站的使用要求。

3.3.4 220kV高壓電纜過負(fù)荷電流計(jì)算

電纜導(dǎo)體正常工作溫度為90℃,在規(guī)定時(shí)間內(nèi)允許電纜短時(shí)過載，過載時(shí)間在10min到2h時(shí)內(nèi)，導(dǎo)體的溫度允許為105℃，對電纜使用無影響。

表3 220kV高壓電纜短路電流計(jì)算

過載允許電流由下式確定：

式中Ii——導(dǎo)體容許最高運(yùn)行溫度時(shí)的電流;

Ic——導(dǎo)體正常工作溫度時(shí)的電流750A;

θi——導(dǎo)體容許最高運(yùn)行溫度105℃;

θc——導(dǎo)體正常工作溫度90℃;

θ0——環(huán)境溫度40℃。

3.3.5 220kV高壓電纜金屬護(hù)層感應(yīng)電壓計(jì)算

根據(jù)GB 50217-2007《電力工程電纜設(shè)計(jì)規(guī)范》及本電站采用電纜的相關(guān)參數(shù)，電纜金屬護(hù)層感應(yīng)電壓計(jì)算如下：

3.3.5.1 正常運(yùn)行時(shí)感應(yīng)電壓

B相電纜的感應(yīng)電壓：Es=LLXs=25(V)

AC相電纜的感應(yīng)電壓：

α=(2ωln2)×10-4

ω=2πf

式中L——電纜金屬層的電氣通路上任一部位與其直接接地處的距離(最大)，0.298km；

I——電纜導(dǎo)體正常工作電流750A；

S——電纜相間距300mm；

r——電纜金屬護(hù)套平均半徑；

f——工作頻率。

3.3.5.2 短路時(shí)感應(yīng)電壓

短路時(shí)電纜導(dǎo)體短路電流約57 000A，其他參數(shù)同上，電纜感應(yīng)電壓計(jì)算如下：

B相電纜的感應(yīng)電壓：Es=LIXs=1 905(V)

AC相電纜的感應(yīng)電壓：

3.4 220kV高壓電纜附件的選擇

3.4.1 220kV高壓電纜附件

220kV(XLPE)絕緣電纜一端采用干式GIS終端與SF6GIS設(shè)備連接，另一端采用瓷套型戶外終端與戶外出線設(shè)備連接。220kV高壓電纜附件參數(shù)見表 4。

表4 220 kV 高壓電纜附件參數(shù)

3.4.2 220kV高壓電纜終端電場分布的設(shè)計(jì)計(jì)算

電纜附件(戶外終端和GIS終端)計(jì)算過程：將產(chǎn)品結(jié)構(gòu)尺寸、絕緣材料介電常數(shù)及額定電壓U0值作為邊界條件輸入有限元電場分析計(jì)算程序，計(jì)算得出系列產(chǎn)品的電位分布圖和關(guān)鍵部位電場強(qiáng)度數(shù)值圖，然后進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化調(diào)整再次分析計(jì)算后按產(chǎn)品電氣性能指標(biāo)進(jìn)行校核，最終確認(rèn)產(chǎn)品結(jié)構(gòu)尺寸。

3.4.2.1 瓷套型戶外終端

經(jīng)有限元電場分析計(jì)算得出瓷套型戶外終端的場強(qiáng)如下：

(1)在U0電壓下電纜絕緣與應(yīng)力錐界面最高切向場強(qiáng)為0.53kV/mm，整個(gè)界面電位分布較為均勻，滿足要求。

(2)在U0電壓下橡膠半導(dǎo)電應(yīng)力錐與橡膠絕緣界面最高場強(qiáng)為 1.81kV/mm，滿足要求。

(3)在U0電壓下終端瓷套外絕緣表面最高切向場強(qiáng)為0.23kV/mm，滿足要求。

3.4.2.2 干式GIS終端

經(jīng)有限元電場分析計(jì)算得出干式GIS終端的場強(qiáng)如下：

(1)在U0電壓下電纜絕緣與應(yīng)力錐界面最高切向場強(qiáng)為0.56kV/mm，整個(gè)界面電位分布較為均勻，滿足要求。

(2)在U0電壓下應(yīng)力錐與環(huán)氧套管界面最高切向場強(qiáng)為0.58kV/mm，整個(gè)界面電位分布較為均勻，滿足要求。

(3)在U0電壓下環(huán)氧套管外表面最高切向場強(qiáng)為0.47kV/mm，整個(gè)界面電位分布較為均勻，滿足要求。

(4)在U0電壓下環(huán)氧套管內(nèi)部嵌入屏蔽電極表面最高場強(qiáng)為1.59kV/mm，滿足要求。

(5)電應(yīng)力錐與橡膠絕緣界面在U0電壓下最高場強(qiáng)為1.31kV/mm，滿足要求。

4 220kV電氣設(shè)備的布置

4.1 220kV開關(guān)設(shè)備的布置

220kV升壓站鄰近廠房下游側(cè)布置，為兩層結(jié)構(gòu)：一層與發(fā)電機(jī)層同高程(602.50m)，布置有1號、2號主變壓器。主變室層高11m，占地面積38.7m×14.4m(長×寬)。二層為GIS設(shè)備層，地面高程613.50m，GIS室層高11.5m，布置GIS開關(guān)設(shè)備。GIS設(shè)備主要包括進(jìn)線間隔2個(gè)、出線間隔2個(gè)、電壓互感器及避雷器間隔1個(gè)。進(jìn)線間隔采用SF6管道母線與主變直連，以節(jié)省空間。出線間隔與220kV電纜干式終端相連。見圖1、2。

4.2 220kV電纜的布置

220kV電纜沿出線電纜道敷設(shè)，2個(gè)回路電纜分2層平行敷設(shè)，并且每回路電纜沿線敷設(shè)成蛇形，敷設(shè)時(shí)半波長一般在5～6m，敷設(shè)的弧幅一般為200mm左右。

圖1 GIS樓平面設(shè)備布置

圖2 GIS樓縱剖面設(shè)備布置

4.3 220kV戶外出線場

220kV戶外出線場結(jié)合地形布置，2回路出線分別沿美姑河上下游方向出線。戶外出線場布置有線路隔離開關(guān)、電壓互感器、避雷器和高壓電纜終端等。出線場占地面積為22m×20m。

5 結(jié)束語

水電站電壓配電開關(guān)設(shè)備布置一般受限于電站廠房布置。特別是坪頭水電站地質(zhì)條件較差，受到地形、地質(zhì)條件的制約，選擇的電壓配電開關(guān)設(shè)備應(yīng)盡量減小洞室開挖。結(jié)合坪頭水電站廠房樞紐要求，220kV配電設(shè)備采用GIS開關(guān)設(shè)備及XLPE絕緣電纜，既適應(yīng)了電站的特殊地面地質(zhì)條件，又滿足了電站設(shè)備運(yùn)行可靠性、電站自動控制的可靠性要求，有利于實(shí)現(xiàn)電站“無人值班，少人值守”，滿足系統(tǒng)和電站對設(shè)備運(yùn)行可靠、實(shí)現(xiàn)自動化操作的要求。

參考文獻(xiàn)：

[1] 水電站機(jī)電設(shè)計(jì)手冊編寫組.水電站機(jī)電設(shè)計(jì)手冊(電氣一次)[M].北京：水利電力出版社，1982.

[2] IEC60287-2-1 ELECTRIC CABLES-CALCULATION OF THE CURRENTRATING，2006.

[3] 中國電力科學(xué)院.氣體絕緣金屬封閉電器技術(shù)條件[M].北京：中國電力出版社，2010.

[4] 中國電力工程顧問集團(tuán)西南電力設(shè)計(jì)院.電力工程電纜設(shè)計(jì)規(guī)范[M].北京：人民出版社，2007.