梁帥成 衣得武

喀麥隆曼維萊水電站電氣一次設(shè)計(jì)

梁帥成 衣得武

主要介紹曼維萊水電站接入系統(tǒng)、主接線方案，以及廠用電系統(tǒng)、主要電氣設(shè)備選擇、過(guò)電壓保護(hù)和防雷接地等的電氣一次設(shè)計(jì)，其中雷電過(guò)電壓和接地系統(tǒng)分析計(jì)算分別采用ATP-EMTP和CDEGS等仿真軟件效果顯著。

水電站 接入系統(tǒng) 主接線 電氣一次設(shè)計(jì)

喀麥隆共和國(guó)地處非洲中部，電網(wǎng)薄弱，電力缺口大，電能質(zhì)量及用電體驗(yàn)差。曼維萊水電站工程建成后，可作為喀麥隆南方電網(wǎng)的骨干電站之一，向電網(wǎng)輸送電力和電量，滿足喀麥隆國(guó)民經(jīng)濟(jì)發(fā)展對(duì)電力和電量的需求。電站位于喀麥隆南部省內(nèi)緊鄰赤道幾內(nèi)亞的恩特姆河(NTEM)上，地處熱帶叢林地區(qū)。電站采用引水徑流式開(kāi)發(fā)，工程的主要任務(wù)是發(fā)電，電站裝設(shè)4臺(tái)立軸混流式水輪發(fā)電機(jī)組，總裝機(jī)容量211 MW，單臺(tái)發(fā)電機(jī)額定容量52.75 MW，年發(fā)電量為11.87×108kW·h，年利用小時(shí)數(shù)為5 626 h；主要水工建筑物包括攔河壩、左岸及右岸溢洪道、左岸引水發(fā)電系統(tǒng)等。其中左岸引水發(fā)電系統(tǒng)包括渠道進(jìn)水口、進(jìn)水閘、輸水明渠、天然前池及其二道壩、電站進(jìn)水口、壓力管道、地面廠房、尾水明渠以及開(kāi)關(guān)站、工程區(qū)永久交通道路等。

1 接入系統(tǒng)和主接線方案

1.1 接入系統(tǒng)

電站接入系統(tǒng)設(shè)計(jì)工作由業(yè)主委托法國(guó)科因公司負(fù)責(zé)，電站以225 kV一級(jí)電壓接入系統(tǒng)，經(jīng)2回225 kV架空線路接入當(dāng)?shù)谽BOLOWA 225 kV變電站，線路長(zhǎng)約133 km，采用ASTER 366 mm2導(dǎo)線。

1.2 電氣主接線

1.2.1 發(fā)電機(jī)—變壓器組合接線

發(fā)電機(jī)與主變壓器有如下的組合方式：?jiǎn)卧泳€；擴(kuò)大單元接線；聯(lián)合單元接線。

擴(kuò)大單元接線具有主變?nèi)萘看?、不利于設(shè)備運(yùn)輸?shù)奶攸c(diǎn)；同時(shí)機(jī)端短路電流過(guò)大；可靠性相對(duì)低：1臺(tái)主變事故，造成2臺(tái)機(jī)組停電。

聯(lián)合單元接線具有高壓(225 kV)設(shè)備少的特點(diǎn)，但主變壓器高壓側(cè)需設(shè)置隔離開(kāi)關(guān)，不便于主變場(chǎng)地的布置。2個(gè)發(fā)電機(jī)和變壓器單元共用1個(gè)高壓斷路器器，可靠性相對(duì)單元接線略低。

單元接線具有接線簡(jiǎn)單清晰、可靠性高、運(yùn)行靈活的特點(diǎn)。

最終實(shí)施方案采用一機(jī)一變的發(fā)-變單元接線，每臺(tái)機(jī)組出口均設(shè)置發(fā)電機(jī)斷路器。該組合方式與可研階段方案基本一致。但在近區(qū)負(fù)荷設(shè)計(jì)中，可研階段方案采用三線圈變壓器，中壓卷30 kV供近區(qū)負(fù)荷。實(shí)施方案單獨(dú)設(shè)置1臺(tái)SZ11-20000/225TH型變壓器為近區(qū)負(fù)荷供電，增加供電可靠性。

1.2.2 225 kV開(kāi)關(guān)站接線

225 kV側(cè)采用雙母線接線，帶母聯(lián)開(kāi)關(guān)。225 kV設(shè)備采用戶外敞開(kāi)式布置，開(kāi)關(guān)站內(nèi)225 kV配電裝置共分9個(gè)間隔，其中4個(gè)主變進(jìn)線間隔，2個(gè)出線間隔，1個(gè)地區(qū)變間隔，1個(gè)PT間隔及1個(gè)母聯(lián)間隔。詳見(jiàn)圖1。

1.3 廠用電系統(tǒng)

根據(jù)工程規(guī)模及供電范圍，共設(shè)置5處供電區(qū)域。分別為廠房區(qū)域、開(kāi)關(guān)站區(qū)域(距離廠房約220 m)、前池水廠區(qū)域(距離廠房約700 m)、渠首及主溢洪道區(qū)域(距離廠房約4.5 km)、輔助溢洪道區(qū)域(距離廠房約6.5 km)。

(1)電站廠用電采用11 kV和0.4 kV二級(jí)電壓供電方式。11 kV供電系統(tǒng)采用單母線分段的接線形式。11 kV母線電源通過(guò)2臺(tái)11/11 kV高壓廠用隔離變壓器分別取自電站1#～2#機(jī)端11 kV母線和3#～4#機(jī)端11 kV母線。由11 kV母線引接2臺(tái)11/0.4 kV低壓廠用變壓器為0.4 kV廠用母線供電。0.4 kV供電系統(tǒng)采用單母線分段的接線形式。另再設(shè)1臺(tái)725 kVA柴油發(fā)電機(jī)作為保安電源。

圖1 電氣主接線

(2)開(kāi)關(guān)站設(shè)配電室，為開(kāi)關(guān)站等周邊負(fù)荷供電。2回電源取自電站11 kV廠用母線。通過(guò)11 kV電纜連接至開(kāi)關(guān)站。另設(shè)315 kVA柴油發(fā)電機(jī)組1臺(tái)作為保安電源。

(3)前池水廠設(shè)箱式變電站，為水廠等周邊負(fù)荷供電。2回電源T接自電站至開(kāi)關(guān)站11 kV電纜。

(4)渠首及主溢洪道設(shè)配電室，為渠首及主溢洪道等周邊負(fù)荷供電。2回電源取自電站11 kV廠用母線。通過(guò)11 kV電纜連接至渠首及主溢洪道。另設(shè)210 kVA柴油發(fā)電機(jī)組1臺(tái)作為保安電源。

(5)輔助溢洪道設(shè)箱式變電站，為輔助溢洪道等周邊負(fù)荷供電。1回電源T接自電站至渠首及主溢洪道11 kV電纜。詳見(jiàn)圖2。

圖2 11 kV廠用電系統(tǒng)圖

2 主要設(shè)備選擇

主要電氣設(shè)備均采用國(guó)內(nèi)成熟產(chǎn)品，所有電氣高低壓設(shè)備均應(yīng)滿足長(zhǎng)期在濕熱帶的氣候條件下安全穩(wěn)定運(yùn)行。主要設(shè)備的參數(shù)如下。

2.1 水輪發(fā)電機(jī)

發(fā)電機(jī)參數(shù)如下：

型號(hào)

SF52.75-36/8000

臺(tái)數(shù)

4

額定功率/MW

52.75

最大出力/MW

68.27

額定電壓/kV

11

額定電流/A

3257.2

頻率/Hz

50

額定轉(zhuǎn)速/(r·min-1)

166.7

額定功率因數(shù)

0.85(滯后)

2.2 主變壓器

型號(hào)和型式SF11-70000/220TH(升壓變壓器)

冷卻方式

ONAN

臺(tái)數(shù)

4

額定容量/kVA

70 000

額定電壓/kV

235±4×2.5%/11

阻抗電壓/%

12.5

接線組別

YN,d11

調(diào)壓方式

無(wú)載調(diào)壓

2.3 發(fā)電機(jī)機(jī)壓配電設(shè)備

2.3.1 共箱封閉母線

型號(hào)

BGFM-11/5000-Z

系統(tǒng)額定電壓/kV

11

設(shè)備額定電壓/kV

15.8

額定電流/A

5 000

額定頻率/Hz

50

2.3.2 發(fā)電機(jī)斷路器(真空斷路器)

額定電壓/kV

12

額定電流/A

5 000

開(kāi)斷電流/kA

50

關(guān)合電流/kA

137

2.3.3 廠用分支成套設(shè)備

廠用真空斷路器主要參數(shù)如下：

型式

真空斷路器

額定電壓/kV

12

額定電流/A

1 250

開(kāi)斷電流/kA

31.5

限流熔斷器

FUR-12/250

2.4 站用變壓器

型號(hào)和型式

SC10-2000/11

額定容量/kVA

2 000

額定電壓/kV

11±2×2.5%/0.4

阻抗電壓/%

6

接線組別

D,yn11

調(diào)壓方式

無(wú)載調(diào)壓

2.5 廠用高壓變壓器

型號(hào)和型式

SC10-3150/11

額定容量/kVA

3 150

額定電壓(線電壓)/kV

11±2×2.5%/11

阻抗電壓/%

8

接線組別

Y,d11

調(diào)壓方式

無(wú)載調(diào)壓

2.6 地區(qū)變壓器

型號(hào)和型式

S11—20000/225TH

冷卻方式

ONAN

臺(tái)數(shù)

1

額定容量/kVA

20 000

額定電壓/kV

235±2×2.5%/30

阻抗電壓/%

13.5

接線組別

YN,d11

調(diào)壓方式

有載調(diào)壓

2.7 225 kV配電裝置

2.7.1 斷路器

斷路器型號(hào)或型式 LW25-252/LW25A-252

斷口數(shù)

1

額定電壓/kV

252

額定頻率/Hz

50

額定電流/A

4 000

額定工頻1 min耐受電壓：

斷口/kV

460+145

對(duì)地/kV

460

斷口/kV

1 050+200

對(duì)地/kV

1 050

額定短路開(kāi)斷電流交流分量有效值/kA

50

額定峰值耐受電流/kA

125

額定短路關(guān)合電流/kA

125

額定短時(shí)耐受電流及持續(xù)時(shí)間/(kA·s-1)

50/3

2.7.2 隔離開(kāi)關(guān)

額定電壓/kV

252

額定頻率/Hz

50

額定電流/A

2 000

額定工頻1 min耐受電壓：

斷口/kV

460+145

對(duì)地/kV

460

斷口/kV

1 050+200

對(duì)地/kV

1 050

額定峰值耐受電流/kA

100

額定短時(shí)耐受電流及持續(xù)時(shí)間：

隔離開(kāi)關(guān)/(kA·s-1)

40/3

接地開(kāi)關(guān)/(kA·s-1)

40/3

3 主要設(shè)備布置

3.1 主變壓器布置

電站共設(shè)4臺(tái)主變，單臺(tái)容量為70 MVA。依次布置在主廠房上游。主變壓器之間設(shè)置防火墻。主變下設(shè)集油坑，油坑外緣大于主變外廓1 m，坑內(nèi)鋪設(shè)不小于250 mm厚卵石層，集油坑內(nèi)設(shè)有排油管可將集油排至主變事故油池內(nèi)。主變通過(guò)搬運(yùn)軌道運(yùn)輸，可以運(yùn)至廠房安裝間進(jìn)行檢修和維護(hù)。

主變高壓側(cè)通過(guò)約350 m的架空線路與225 kV戶外開(kāi)關(guān)站相連。

3.2 機(jī)壓配電設(shè)備布置

發(fā)電機(jī)電壓母線采用不隔相共箱封閉母線，用于發(fā)電機(jī)與11 kV開(kāi)關(guān)柜及11 kV開(kāi)關(guān)柜與主變壓器之間的連接。發(fā)電機(jī)斷路器、電壓和電流互感器、PT避雷器等均內(nèi)置在11 kV開(kāi)關(guān)柜內(nèi)。11 kV開(kāi)關(guān)柜、高低壓廠變、隔離變、勵(lì)磁變壓器及低壓配電柜均布置在主廠房發(fā)電機(jī)層上游側(cè)的副廠房配電室內(nèi)。

3.3 電纜布置

主廠房高程338.6 m樓板下設(shè)置電纜橋架，主廠房上下游側(cè)每個(gè)機(jī)組段設(shè)置電纜豎井，電纜敷設(shè)通道貫通全廠。主廠房上游副廠房高程331.0 m設(shè)置電纜層，與各主要配電盤柜、箱之間采用橋架和支架作為電纜通路，發(fā)電機(jī)層兩側(cè)機(jī)旁盤下設(shè)置電纜溝，與上下游電纜豎井連通。廠房區(qū)域戶外設(shè)置直通到電站進(jìn)水口、二道壩及開(kāi)關(guān)站的電纜溝，作為廠用電系統(tǒng)供電電纜敷設(shè)通路。

3.4 225 kV戶外開(kāi)關(guān)站

225 kV戶外配電裝置設(shè)備主要包括：SF6斷路器、隔離開(kāi)關(guān)、電流互感器(CT)、電壓互感器(PT)、避雷器等。開(kāi)關(guān)站電氣設(shè)備采用戶分相外中型布置，構(gòu)架掛線點(diǎn)高度為15 m，母線采用地面支持式管型硬母線，母線高度為9～9.5 m。各設(shè)備之間的連接采用鋼芯鋁絞線。開(kāi)關(guān)站大?。?61.5 m×87.05 m(長(zhǎng)×寬)，布置距離廠房約150 m。開(kāi)關(guān)站內(nèi)225 kV配電裝置共分9個(gè)間隔，其中4個(gè)主變進(jìn)線間隔，2個(gè)出線間隔，1個(gè)地區(qū)變間隔，1個(gè)PT間隔及1個(gè)母聯(lián)間隔。

4 過(guò)電壓保護(hù)及接地

4.1 過(guò)電壓保護(hù)裝置配置方案

本工程應(yīng)用ATP-EMTP軟件及暫態(tài)網(wǎng)絡(luò)分析儀——TNA(Transient Network Analyzer)的物理模擬方法進(jìn)行過(guò)電壓仿真計(jì)算分析。

(1)主變壓器高壓側(cè)設(shè)置氧化鋅電站型避雷器。

(2)225 kV戶外開(kāi)關(guān)站進(jìn)及出線處，裝設(shè)225 kV氧化鋅避雷器。

(3)主變壓器中性點(diǎn)固定接地。

4.2 直擊雷保護(hù)裝置配置

(1)每回架空出線上均裝設(shè)避雷線對(duì)其進(jìn)行直擊雷保護(hù)。

(2)樞紐所有建筑物均按規(guī)范要求進(jìn)行防雷保護(hù)，戶外建筑物頂部設(shè)置避雷帶。

4.3 接地系統(tǒng)

本工程接地系統(tǒng)采用軟件CDEGS進(jìn)行建模仿真分析設(shè)計(jì)。

廠區(qū)接地系統(tǒng)由廠房、尾水、開(kāi)關(guān)站、電站進(jìn)水口、前池、水廠及泵房接地網(wǎng)相互連接組成了一個(gè)整體的接地系統(tǒng)。水平接地導(dǎo)體采用60 m×8 m鍍鋅扁鋼，垂直接地體采用∠63 mm×63 mm×8 mm鍍鋅角鋼，長(zhǎng)度L=2.5 m。

接地體與各類門槽、欄桿扶手、爬梯、門機(jī)軌道、金屬管道、電纜支架、圍欄以及設(shè)備基礎(chǔ)等的金屬構(gòu)件可靠連接。

(1)主廠房區(qū)域的水平接地網(wǎng)鋪設(shè)于313 m高程的開(kāi)挖面與混凝土之間，垂直接地體埋入底部土壤或基巖中并在其周圍回填黏土，接地網(wǎng)尺寸約為120 m(長(zhǎng))×39 m(寬)，網(wǎng)孔尺寸約為20 m×20 m。主變平臺(tái)區(qū)域的水平接地網(wǎng)鋪設(shè)于347 m高程地面以下約0.8 m深的回填土中，垂直接地體埋入底部土壤或基巖中并在其周圍回填黏土，接地網(wǎng)尺寸約為90 m(長(zhǎng))×25 m(寬)，網(wǎng)孔尺寸約為10 m×10 m；副廠房區(qū)域的水平接地網(wǎng)鋪設(shè)于336.6～346.8 m高程混凝土墊層上，垂直接地體埋入底部土壤或基巖中并在其周圍回填黏土，接地網(wǎng)尺寸約為46 m(長(zhǎng))×93 m(寬)，網(wǎng)孔尺寸約為10 m×10 m；尾水區(qū)域接地網(wǎng)鋪設(shè)于開(kāi)挖面與混凝土之間，垂直接地體埋入底部土壤或基巖中并在其周圍回填黏土接地網(wǎng)尺寸約為100 m(長(zhǎng))×80 m(寬)，網(wǎng)孔尺寸約為20 m×20 m。

(2)開(kāi)關(guān)站區(qū)域水平接地體鋪設(shè)于395 m高程地面下0.8 m深的土壤中，垂直接地體埋入底部土壤或基巖中并在其周圍回填黏土，接地網(wǎng)尺寸約為157 m(長(zhǎng))×83 m(寬), 網(wǎng)孔尺寸約為5 m×5 m；電站進(jìn)水口底層接地網(wǎng)敷設(shè)于371～376 m高程的開(kāi)挖面與混凝土之間，垂直接地體埋入底部土壤或基巖中并在其周圍回填黏土，尺寸約為88.7 m(長(zhǎng))×25 m(寬)，網(wǎng)孔尺寸約為20 m×25 m，進(jìn)水口計(jì)算水深為10 m。電站進(jìn)水口引渠接地網(wǎng)敷設(shè)于開(kāi)挖面與碎石層之間，尺寸約為197 m(長(zhǎng))×77 m(寬)，網(wǎng)孔尺寸約為50 m×50 m。

(3)前池內(nèi)接地網(wǎng)水下部分敷設(shè)在前池地表，水深為10 m，并在接地體上覆蓋5～10 cm厚的黏土及碎石，接地網(wǎng)尺寸約為350 m(長(zhǎng))×200 m(寬)，網(wǎng)孔尺寸約為50 m×50 m；在二道壩壩頂電纜溝內(nèi)及上游側(cè)坡腳的回填區(qū)域內(nèi)各設(shè)置1根接地扁鋼，這兩條接地導(dǎo)體每間隔約100 m通過(guò)敷設(shè)在上游側(cè)壩坡的接地扁鋼相互連接，并且與前池接地網(wǎng)相互連接，二道壩水深為10 m。

接地系統(tǒng)計(jì)算結(jié)果如表1。

表1 接地系統(tǒng)計(jì)算結(jié)果

5 結(jié) 語(yǔ)

曼維萊水電站工程地處非洲，工程業(yè)主工程師為法國(guó)科因公司，工程師對(duì)電氣一次設(shè)計(jì)要求嚴(yán)格，要在滿足國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)的情況下，在開(kāi)關(guān)站225 kV設(shè)備布置、過(guò)電壓保護(hù)及接地系統(tǒng)設(shè)計(jì)、廠用電系統(tǒng)設(shè)計(jì)等方面又提出非常規(guī)及苛刻的設(shè)計(jì)要求，設(shè)計(jì)人員就相關(guān)設(shè)計(jì)原則及標(biāo)準(zhǔn)與工程師多次溝通探討，在保證工程安全的前提下雙方均有妥協(xié)。此類工程設(shè)計(jì)模式給設(shè)計(jì)人員帶來(lái)很多超出預(yù)想的困難，本文不能一一詳述，僅此文供大家批評(píng)指正，共同探討。

TV734

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1007-6980(2017)03-0050-04

梁帥成 男 工程師 中水北方勘測(cè)設(shè)計(jì)研究有限責(zé)任公司 天津 30222

衣得武 男 工程師 中水北方勘測(cè)設(shè)計(jì)研究有限責(zé)任公司 天津 30222

2017-07-11)