李祖杰

（山西省水利水電勘測設(shè)計研究院 山西太原 030024）

1 張峰水電站電氣一次系統(tǒng)設(shè)計思路

張峰水電站按工程規(guī)劃主要利用水庫供水、農(nóng)村人畜用水、對下游河道的補水以及水庫部分棄水進行發(fā)電。由于發(fā)電流量服從供水要求，因此水電站按無調(diào)節(jié)電站考慮。為了充分發(fā)揮水庫各時段各種形式放水的全部水量進行發(fā)電，有效利用不同形式放水所形成的水頭能量，盡最大能力擴大裝機容量增加發(fā)電量。因此，根據(jù)不同形式放水分兩部分確定裝機，一是利用通過總干輸水的工業(yè)供水和部分農(nóng)業(yè)桑園灌溉供水的流量和水頭進行發(fā)電；二是通過河道輸水的下游河道的補水和汛期棄水的流量和水頭進行發(fā)電。電站廠房按不同的動能指標(biāo)，根據(jù)地形的實際分別建設(shè)兩座廠房。裝機容量和臺數(shù)，根據(jù)不同的動能指標(biāo)按兩座廠房分別設(shè)計。

2 發(fā)電機容量選取

裝機容量及機組臺數(shù)應(yīng)根據(jù)不同的電站動能參數(shù)分別按兩座廠房進行確定。

1）渠首電站

渠首電站發(fā)電流量主要是利用通過總干輸水的工業(yè)供水和部分農(nóng)業(yè)灌溉供水。工業(yè)供水為2.92 m3/s，農(nóng)業(yè)灌溉供水為3.54 m3/s。由于農(nóng)業(yè)灌溉保證率為50%，灌溉供水歷時較短，如果1#廠房發(fā)電流量按全部的工業(yè)供水和農(nóng)業(yè)灌溉供水計算，將增大裝機容量，降低機組年利用小時數(shù)。因此從提高機組年利用小時數(shù)，充分發(fā)揮機組的利用率角度考慮，1#廠房發(fā)電流量按全部工業(yè)供水和部分農(nóng)業(yè)灌溉供水計算，最大流量為4 m3/s。根據(jù)電站的動能指標(biāo)，機組選型套用國內(nèi)現(xiàn)有的機型及配套的發(fā)電機組最為經(jīng)濟。因此，裝機容量按套用機組兩臺，容量為2×630 kW。

2）川坡電站

川坡電站發(fā)電主要是利用河道輸水為下游河道補水和汛期棄水的流量作為發(fā)電流量。由于發(fā)電流量服從放水要求，因此電站按無調(diào)節(jié)電站考慮。電站動能指標(biāo)發(fā)電流量為1.5～15m3/s，電站工作水頭32～63m，經(jīng)水能計算年平均發(fā)電量為2 019.3 kW·h。

由于該電站動能指標(biāo)變幅梯度較大，裝機容量確定既要滿足最大動能指標(biāo)的要求，又要能夠充分發(fā)揮機組利用率提高年利用小時數(shù)。因此本站的裝機容量確定，根據(jù)動能指標(biāo)選擇不同容量的機組進行搭配，保證在不同的動能指標(biāo)下機組都能在高效區(qū)運行。

電站機組選擇，按最大發(fā)電流量15 m3/s將機組容量分成兩種級別，一種是選擇一臺最大發(fā)電流量7 m3/s，容量為3 200 kW；另一種是選擇兩臺最大發(fā)電流量4 m3/s，容量為1 500 kW。當(dāng)水庫以15 m3/s或以上流量放水時，三臺機組全部投入運行；水庫放水在4～7 m3/s時可以投入一臺大機組（3 200 kW）運行；水庫放水在4 m3/s以下流量時可以投入一臺小機組運行；水庫放水在4～8 m3/s時可以投入兩臺小機組同時運行。以上的運行方式既滿足了水庫大流量放水又滿足了小流量放水發(fā)電的要求，可以充分利用水力資源。

3 接入電力系統(tǒng)設(shè)計

水電站的接入系統(tǒng)設(shè)計要結(jié)合所在地區(qū)的負(fù)荷分布及電站的供電范圍進行[1]，并對當(dāng)?shù)仉娋W(wǎng)進行充分的調(diào)研，與電力系統(tǒng)進行充分協(xié)商后確定接入電力系統(tǒng)設(shè)計，確定送出電壓等級、供電距離及電站的電氣接線方式，接入系統(tǒng)設(shè)計的優(yōu)越與否對電站的投資成本及運行的經(jīng)濟效益起到至關(guān)重要的作用，合理的接入系統(tǒng)方式是將電站的電能安全、經(jīng)濟、合理地送入電力系統(tǒng)，充分發(fā)揮水電效益是首要條件。由于張峰水電站所處地區(qū)為山西省水電網(wǎng)發(fā)達(dá)地區(qū)，經(jīng)調(diào)研并與當(dāng)?shù)氐乃娋帧姽緟f(xié)商后確定本電站的接入站點為張峰35 kV變電站。

4 水電站一次系統(tǒng)設(shè)計

水電站的經(jīng)濟效益和運行安全都受一次系統(tǒng)主接線形式的影響，一次系統(tǒng)設(shè)計的主要組成部分就是一次接線設(shè)計，要設(shè)計出最佳電氣體系實際接線方式，選擇最佳的接線設(shè)計策略[2]。在進行一次接線設(shè)計時，首先要考慮的因素就是各電壓等級母線狀況和線路進出線方向，以實際荷載為依托，確定一次系統(tǒng)設(shè)計需要的變壓器的數(shù)目和最大負(fù)荷，選擇最佳方案，使變壓器和水電站之間不同等級電壓相連接。并從水電站的實際情況出發(fā)，對所有的接線方法的經(jīng)濟性和實用性進行比較，從中選擇最適合該水電站的一次系統(tǒng)接線設(shè)計方案。

張峰水電站的總裝機規(guī)模為渠首電站2×630 kW，川坡電站（2×1 500+3 200）kW。為充分發(fā)揮水庫各時段各種形式放水的全部水量進行發(fā)電的經(jīng)濟效益，對五臺發(fā)電機發(fā)電各種工況組合進行比較，本著接線方案經(jīng)濟、合理的原則，確定以下運行方式。

1）兩臺630 kW及一臺1 500 kW發(fā)電機運行時采用4 000 kVA升壓變壓器；

2）另一臺1 500 kW和3 200 kW發(fā)電機運行時采用6 300 kVA升壓變壓器；

3）最大運行方式時，4 000 kVA和6 300 kVA全部運行。

根據(jù)張峰水庫渠首電站、川坡電站工程的裝機容量、運行方式、地理位置及電氣主接線的設(shè)計要求，確定電站的35 kV側(cè)采用單母線接線方式，10 kV側(cè)由于發(fā)電機裝于兩電站，故將10 kV側(cè)分為三段母線，三段母線可并聯(lián)運行，也可分段運行。

5 設(shè)備選擇

短路電流計算是評價和比較主接線方案的最基礎(chǔ)性工作[3]。設(shè)備選擇最主要的依據(jù)是系統(tǒng)的短路電流計算，通過準(zhǔn)確的計算選擇設(shè)備及導(dǎo)體的開斷電流并進行動熱穩(wěn)定校驗，對接線方案中不滿足計算結(jié)果的采取一些防范措施，如限流設(shè)備、增大開關(guān)設(shè)備的開斷電流等。一次設(shè)備的選擇主要運用系統(tǒng)的最大短路電流，一般情況下在工程初步設(shè)計批復(fù)以前供電部門不能明確給出此值，只能按系統(tǒng)變電站的出線開關(guān)的開斷電流進行計算，計算結(jié)果可能會出現(xiàn)偏大，但所選設(shè)備完全滿足工程要求，故計算中一般采用此種方法。

張峰水電站短路電流計算時假設(shè)線路側(cè)的電流無限大，并按照100 MW的基準(zhǔn)容量計算無窮大電源系統(tǒng)，短路點在35 kV母線及10 kV母線共設(shè)兩點。設(shè)備選擇依據(jù)《導(dǎo)體和電器選擇設(shè)計技術(shù)規(guī)定》有關(guān)內(nèi)容進行計算及校驗。

6 設(shè)備布置

電站的設(shè)備布置一般分成三部分，即主廠房、副廠房及開關(guān)站，主廠房通常布置與機組有關(guān)的相關(guān)設(shè)備，如測溫制動屏、勵磁屏、中心點互感器柜等，這樣方便機組現(xiàn)地操作，并可減少電纜長度，節(jié)省電纜投資；副廠房可根據(jù)電站的地形特點選擇進、出水側(cè)或一側(cè)布置，通常布置高低壓開關(guān)柜、控制屏等設(shè)備；開關(guān)站一般布置變壓器及升壓設(shè)備，對升壓設(shè)備一般要進行戶內(nèi)外比較，水電站一般地處山區(qū)，戶外建設(shè)的的投資均要大于戶內(nèi)建設(shè)投資，故一般均采取戶內(nèi)布置。另在開關(guān)站要留有供電部門要求通訊屏、電源屏等設(shè)備空間。設(shè)備布置的合理性不僅能降低水工建筑成本，減少電纜投資，而且可直接影響電站的運行效益及運行成本。

7 防雷接地

接地網(wǎng)作為電站交直流設(shè)備的接地及防雷保護，直接影響系統(tǒng)的安全運行，更對人身及設(shè)備的安全運行起著至關(guān)重要的作用。電站的接地系統(tǒng)包括工作、保護、雷電三種，工作保護是為系統(tǒng)運行需要所設(shè)，保護是設(shè)備金屬外殼、構(gòu)架、桿塔等，由于絕緣損壞后可能導(dǎo)電而設(shè)的接地，雷電保護則是為雷電保護裝置向大地泄放雷電流而設(shè)。通常在電站設(shè)計中將三種接地設(shè)計為工作保護接地網(wǎng)及防雷保護接地網(wǎng)，二者互不相聯(lián)，地中的距離不小于15 m。接地網(wǎng)對接地網(wǎng)絡(luò)及接地電阻的要求較高，網(wǎng)格設(shè)計不合理會造成接地系統(tǒng)電位分布不均，局部電位超過安全值；也可能出現(xiàn)反擊從而破壞低壓、二次設(shè)備以及電纜絕緣，使高壓竄入電站二次保護監(jiān)控系統(tǒng)，從而造成保護監(jiān)控系統(tǒng)發(fā)生誤動、拒動，最終釀成事故，甚至是擴大事故，由此帶來巨大的經(jīng)濟損失和社會影響[4]。接地電阻要限制在規(guī)定范圍內(nèi)，如果接地電阻較大，在發(fā)生系統(tǒng)接地故障時，有可能造成地電位異常升高，造成設(shè)備的絕緣破壞，影響設(shè)備壽命。

張峰電站的接地網(wǎng)充分利用鋼筋混凝土廠房結(jié)構(gòu)，將主鋼筋有效焊接形成大的接地網(wǎng)，并在廠房外設(shè)外引接地極作為工作保護接地網(wǎng)，在廠房另一側(cè)設(shè)防雷保護接地網(wǎng)，這樣有效防止電位分布不均及出現(xiàn)反擊現(xiàn)象。由于張峰電站位于張峰水庫的左壩頭，水為降阻的最好介質(zhì)，外引接地線至大壩下游或引至大壩中，這樣對降低接地電阻提供了一種有效的途徑。

8 結(jié)語

在設(shè)計水電站電氣一次系統(tǒng)時，需要綜合考慮，對接入系統(tǒng)進行設(shè)計確認(rèn)后，把電氣主接線的設(shè)計作為設(shè)計重點。由于接線類型直接影響著供電的可靠性、穩(wěn)定性，所以，在設(shè)計過程中，要根據(jù)電壓等級的出線方向和母線情況，合理地選擇接線方案，通過短路電流選擇合理的電氣設(shè)備，輔以合理的設(shè)備布置，以保證水電站平穩(wěn)、安全、有效地運行，充分發(fā)揮水電站的經(jīng)濟和生態(tài)效益。

參考文獻：

［1］丘國強.小型水電站接入系統(tǒng)設(shè)計方案［J］.電力科學(xué)與工程，2009，25（9）：58-60.

［2］劉秋華.大中型水電站電氣防誤系統(tǒng)設(shè)計［J］.電力自動化設(shè)備，2010，30（3）：103-106.

［3］陳樹文.超大型水電站電氣主接線設(shè)計［J］.水電站設(shè)計.2002，03（03）：86-88.

［4］張桂榮.淺談110 kV變電站接地電阻超標(biāo)問題及改造［J］.科技與創(chuàng)新，2014，03（03）：40-41.