李云龍

（吉林省水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，吉林長(zhǎng)春130000）

1 工程概況

萬家口子水電站裝有兩臺(tái)水輪發(fā)電機(jī)組，單臺(tái)機(jī)組容量為99 MW，機(jī)組額定電壓為13.8 kV，功率因數(shù)為0.85（滯后），平均發(fā)電能力為7億1 039萬kW·h。每年利用有效利用小時(shí)數(shù)3 947 h。萬家口子水電站通過220 kV輸電線路與電網(wǎng)聯(lián)結(jié)，出線回路數(shù)為1回，線路長(zhǎng)度約為35 km，出線送至宣威220 kV變電所，輸送容量為160 MW。壩頂變電所布置在大壩頂上右岸回車場(chǎng)旁邊，變電所內(nèi)布置2臺(tái)干式變壓器和6面低壓配電屏。2臺(tái)變壓器各帶一段低壓母線，高壓電源從廠內(nèi)不同的兩段10 kV母線引接，通過兩根10 kV電力電纜沿電纜溝分別引至壩頂變電所。

2 水電站電氣主接線

根據(jù)萬家口子水電站的裝機(jī)臺(tái)數(shù)、單機(jī)容量和電力系統(tǒng)運(yùn)行方式等，將兩臺(tái)99 MW發(fā)電機(jī)組分別與兩臺(tái)SF11—120MVA/220 kV電力變壓器，構(gòu)成發(fā)電機(jī)-變壓器組單元接線，每臺(tái)機(jī)組的機(jī)端各設(shè)1臺(tái)型號(hào)為SCB10-2000 kVA/13.8 kV的高壓廠用變壓器，220KV側(cè)采用單母線接線方式。

3 水電站繼電保護(hù)配置

保護(hù)設(shè)置的原則依據(jù)相關(guān)規(guī)程、規(guī)范的規(guī)定，電站發(fā)電機(jī)組、變壓器、220 kV輸電線路等均采用微機(jī)型保護(hù)裝置。安全自動(dòng)裝置將依據(jù)電力系統(tǒng)的要求進(jìn)行設(shè)置。

3.1 發(fā)電機(jī)保護(hù)

發(fā)電機(jī)差動(dòng)保護(hù)，是比較發(fā)電機(jī)定子繞組兩側(cè)電流的大小和相位來區(qū)分內(nèi)部或外部故障，保護(hù)范圍除發(fā)電機(jī)外，還應(yīng)包括引出線，保護(hù)瞬時(shí)動(dòng)作于停機(jī)；復(fù)合電壓閉鎖過電流保護(hù)，反應(yīng)發(fā)電機(jī)外部相間短路的保護(hù)，同時(shí)可作為主保護(hù)因故拒動(dòng)或相鄰元件的斷路器失靈時(shí)的后備保護(hù)，其優(yōu)點(diǎn)在于非對(duì)稱短路時(shí)有較高的靈敏性，且靈敏性與變壓器繞組的接線無關(guān)；發(fā)電機(jī)定子繞組過電壓保護(hù)，當(dāng)水輪發(fā)電機(jī)突然失去負(fù)荷或帶時(shí)限切除電氣距離不太遠(yuǎn)的外部故障時(shí)，由于定子繞組電樞反應(yīng)和漏磁通的消失或減少，外部故障時(shí)強(qiáng)勵(lì)裝置動(dòng)作以及考慮調(diào)速器可能動(dòng)作失靈、轉(zhuǎn)子速度上升等原因，使發(fā)電機(jī)的內(nèi)部電勢(shì)升高至危機(jī)定子繞組的絕緣而裝設(shè)的定子過電壓保護(hù)；發(fā)電機(jī)定子繞組過負(fù)荷保護(hù)，對(duì)由對(duì)稱過負(fù)荷引起的發(fā)電機(jī)定子繞組過電流，應(yīng)裝設(shè)過負(fù)荷保護(hù)；勵(lì)磁繞組過負(fù)荷保護(hù)，勵(lì)磁電流超過設(shè)定值后帶時(shí)限動(dòng)作發(fā)信并減勵(lì)磁；發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子一點(diǎn)接地保護(hù)應(yīng)能承受并滿足可控硅整流中所產(chǎn)生的高次諧波電壓的作用，在電氣上應(yīng)采取相應(yīng)的隔離措施，保護(hù)設(shè)備的耐壓水平應(yīng)不低于勵(lì)磁繞組的耐壓水平，保護(hù)延時(shí)動(dòng)作于信號(hào)；發(fā)電機(jī)失磁保護(hù)，發(fā)電機(jī)失磁保護(hù)由靜穩(wěn)定邊界阻抗元件、轉(zhuǎn)子低電壓元件、系統(tǒng)低電壓（暫按機(jī)端低電壓考慮）及發(fā)電機(jī)出口PT斷線閉鎖元件等組成，保護(hù)應(yīng)能正確反應(yīng)發(fā)電機(jī)勵(lì)磁電流異常下降和勵(lì)磁電流在發(fā)電機(jī)運(yùn)行中完全消失的工況；發(fā)電機(jī)定子繞組接地保護(hù)裝置應(yīng)具有80%以上的三次諧波濾過比，基波及三次諧波出口應(yīng)可獨(dú)立投退，保護(hù)帶時(shí)限動(dòng)作于停機(jī)并同時(shí)發(fā)出發(fā)事故信號(hào)；發(fā)電機(jī)匝間短路保護(hù)，發(fā)電機(jī)匝間短路保護(hù)在雙星型繞組中性線連線上裝設(shè)專用的母線型電流互感器，即采用高靈敏單元件橫差保護(hù)，保護(hù)裝置瞬時(shí)作用于停機(jī)。

3.2 變壓器保護(hù)

3.2.1 主變壓器保護(hù)

主變壓器差動(dòng)保護(hù)是防御變壓器線圈及其引出線的相間短路和繞組的匝間短路，保護(hù)瞬時(shí)作用于跳主變各側(cè)斷路器并發(fā)事故信號(hào)；變壓器零序電流保護(hù)，變壓器零序電流保護(hù)應(yīng)能反應(yīng)主變壓器中性點(diǎn)接地運(yùn)行時(shí)高壓側(cè)的單相接地短路，保護(hù)由兩段構(gòu)成，每段設(shè)兩個(gè)時(shí)限，第一時(shí)限作用于主變高壓側(cè)解列及相應(yīng)的信號(hào)；第二時(shí)限動(dòng)作于跳開主變低壓側(cè)斷路器；主變后備保護(hù)，復(fù)合電壓閉鎖過電流保護(hù)應(yīng)滿足主變壓器作為升壓變壓器和降壓變壓器兩種運(yùn)行工況的要求；變壓器瓦斯保護(hù)分為輕瓦斯保護(hù)和重瓦斯保護(hù)，輕瓦斯保護(hù)是指當(dāng)變壓器因內(nèi)部故障產(chǎn)生輕微瓦斯時(shí)，保護(hù)應(yīng)瞬時(shí)動(dòng)作于信號(hào)，重瓦斯保護(hù)是指當(dāng)變壓器因內(nèi)部故障產(chǎn)生大量瓦斯時(shí)，應(yīng)瞬時(shí)動(dòng)作于跳主變各側(cè)斷路器，保護(hù)應(yīng)帶有切換片，以方便可靠地將瓦斯保護(hù)投于跳閘或信號(hào)。

3.2.2 勵(lì)磁變壓器保護(hù)

電流速斷保護(hù)；過電流保護(hù)；溫度保護(hù)，溫度高時(shí)作用于信號(hào)，溫度過高時(shí)作用于發(fā)電機(jī)出口斷路器跳閘、停機(jī)、滅磁及發(fā)事故信號(hào)。

3.2.3 機(jī)端高壓廠用變壓器保護(hù)

1）電流速斷保護(hù)作為主保護(hù)，當(dāng)保護(hù)作用于跳廠用變高壓側(cè)斷路器時(shí)應(yīng)經(jīng)過大電流閉鎖。

2）廠用變過負(fù)荷保護(hù)，保護(hù)測(cè)量機(jī)端廠用變高壓側(cè)電流，保護(hù)動(dòng)作發(fā)信。

3）廠用變零序電流保護(hù)動(dòng)作跳閘、發(fā)信號(hào)。

3.3 220 kV斷路器保護(hù)

主變220 kV斷路器保護(hù)裝置應(yīng)是微機(jī)型的。斷路器保護(hù)裝置中應(yīng)包括失靈保護(hù)起動(dòng)回路、充電保護(hù)。失靈保護(hù)起動(dòng)回路應(yīng)采用硬壓板選擇投退。經(jīng)延時(shí)后通過母差保護(hù)跳開母線上的有關(guān)斷路器并發(fā)“啟動(dòng)斷路器失靈保護(hù)”信號(hào)。

3.4 低壓廠用變壓器保護(hù)測(cè)控裝置

10.5/0.4 kV低壓廠用變壓器配置電流速斷保護(hù)、過電流保護(hù)、零序過電流保護(hù)、過負(fù)荷。保護(hù)裝置帶操作箱，保護(hù)裝置裝于低壓廠用變壓器10.5 kV開關(guān)柜內(nèi)。

3.5 10 kV及400 V分段兼?zhèn)渥酝侗Ｗo(hù)裝置

備用電源自動(dòng)投入裝置，能在工作電源因故障被斷開后自動(dòng)且迅速地將備用電源投入，簡(jiǎn)稱AAT，工作電源或設(shè)備上的電壓，不論何種原因消失，除有閉鎖信號(hào)外，自動(dòng)投入裝置應(yīng)延時(shí)動(dòng)作，萬家口子水電站采用2套400 V自動(dòng)備投裝置（其中1套用于廠房，1套用于壩區(qū)）和3套10 kV廠區(qū)用電自動(dòng)備投裝置。10 kV母線裝設(shè)2套進(jìn)線備自投和1套分段備自投，當(dāng)母線失電時(shí)首先啟動(dòng)分段備自投，分段備自投失敗再啟動(dòng)進(jìn)線備自投。廠區(qū)備投裝置由保護(hù)廠家組箱安裝，壩區(qū)備投裝置安裝壩區(qū)400 V聯(lián)絡(luò)開關(guān)柜上。自動(dòng)備投裝置應(yīng)帶有與電站計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)的數(shù)據(jù)通信口（RS485）及I/O信號(hào)輸入、輸出接點(diǎn)。

4 自動(dòng)控制系統(tǒng)

萬家口子水電站自動(dòng)化內(nèi)容包括機(jī)組及其附屬機(jī)械設(shè)備和全廠共用機(jī)械設(shè)備的自動(dòng)化、機(jī)組自動(dòng)調(diào)速系統(tǒng)、發(fā)電機(jī)自動(dòng)勵(lì)磁、發(fā)電機(jī)自動(dòng)同期和自動(dòng)重合閘裝置等。萬家口子水電站監(jiān)控系統(tǒng)由上位機(jī)（操作員工作站）、現(xiàn)地控制單元、以太網(wǎng)通訊接口、語音報(bào)警裝置、GPS等構(gòu)成。全站的控制均可在操作員工作站上完成，各種信息均可在操作員工作站上實(shí)時(shí)監(jiān)視?，F(xiàn)地控制單元脫離上位機(jī)可以獨(dú)立運(yùn)行。

5 勵(lì)磁系統(tǒng)

在進(jìn)行發(fā)電機(jī)勵(lì)磁系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)根據(jù)發(fā)電機(jī)組的容量、電站的特點(diǎn)及電力系統(tǒng)的要求，與電機(jī)制造廠密切配合，合理選型，使得它既能適應(yīng)發(fā)電機(jī)和電力系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定性和供電質(zhì)量的要求，而又接線簡(jiǎn)單、經(jīng)濟(jì)可靠。勵(lì)磁系統(tǒng)的首要任務(wù)就是維持正常運(yùn)行的發(fā)電機(jī)電壓接近恒定，同時(shí)，也對(duì)整個(gè)電力系統(tǒng)電壓的穩(wěn)定起著主導(dǎo)作用。因而，一個(gè)良好的勵(lì)磁系統(tǒng)對(duì)電站，乃至整個(gè)電力系統(tǒng)的良好運(yùn)行，都是十分重要的，而且可以有效地提高發(fā)電機(jī)及與相聯(lián)的電力系統(tǒng)的技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)。如提高穩(wěn)定極限運(yùn)行水平、降低電機(jī)參數(shù)要求等。萬家口子水電站勵(lì)磁方式采用微機(jī)式靜止可控硅勵(lì)磁。調(diào)節(jié)部分采用雙微機(jī)調(diào)節(jié)器。調(diào)節(jié)器具有同微機(jī)監(jiān)控的通訊接口，可將勵(lì)磁系統(tǒng)的信息實(shí)時(shí)上送到監(jiān)控系統(tǒng)，同時(shí)接受監(jiān)控系統(tǒng)的投、切及調(diào)節(jié)指令。自動(dòng)調(diào)節(jié)勵(lì)磁裝置在調(diào)節(jié)過程中應(yīng)保證整個(gè)系統(tǒng)是穩(wěn)定的。因?yàn)樵谡{(diào)節(jié)過程中不論是調(diào)節(jié)裝置本身還是勵(lì)磁系統(tǒng)，在電磁和機(jī)械兩方面都有慣性作用，即被調(diào)量不是一次到達(dá)新的穩(wěn)定值，而是經(jīng)過一個(gè)振蕩過程才達(dá)到這個(gè)穩(wěn)定值，自動(dòng)勵(lì)磁調(diào)整裝置的調(diào)節(jié)過程應(yīng)當(dāng)是一個(gè)振蕩衰減的振蕩，而且調(diào)整時(shí)間應(yīng)盡可能短，這樣就能使系統(tǒng)穩(wěn)定。

6 全廠接地設(shè)計(jì)

全廠設(shè)總接地網(wǎng)，接地裝置應(yīng)充分利用自然接地體及水下部分的鋼筋網(wǎng)，將主、副廠房部分、尾水管道部分、引水壓力管道部分、進(jìn)水口建筑物及壩體部分形成統(tǒng)一接地網(wǎng)。鑒于電站周邊地質(zhì)均為巖石和鵝卵石,土壤電阻率高，為保證電站接地電阻值在任何季節(jié)不大于4 Ω，必須采取人工降阻措施。該階段初擬采取ALG防腐離子接地體與降阻劑相結(jié)合的降阻方式，以滿足接地電阻值的要求。

7 直流電源

自動(dòng)裝置和控制系統(tǒng)以及繼電保護(hù)裝置等是保證電站主電源安全可靠工作的裝置。供給這些裝置的工作電源，一般不應(yīng)該取自主電源，而應(yīng)另設(shè)獨(dú)立電源，獨(dú)立電源通常是蓄電池組，因此控制保護(hù)的工作電源系統(tǒng)稱為直流系統(tǒng)，萬家口子水電站選一套300 Ah鉛酸免維護(hù)智能型高頻開關(guān)電源裝置，該電源同時(shí)兼作全廠的事故照明電源。

8 結(jié)語

總結(jié)萬家口子水電站電氣設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)如下：

1）在設(shè)備選型上，必須采用正規(guī)生產(chǎn)廠家的產(chǎn)品。

2）設(shè)計(jì)中，設(shè)計(jì)部門必須同生產(chǎn)廠家密切配合，將每一具體問題落實(shí)準(zhǔn)確，避免現(xiàn)場(chǎng)修改設(shè)計(jì)方案。

3）采用微機(jī)監(jiān)控的電站工程，一定要配備先進(jìn)的水機(jī)自動(dòng)化元件。

4）把握住關(guān)鍵環(huán)節(jié)，對(duì)容易出現(xiàn)問題的部位嚴(yán)把質(zhì)量關(guān)。

5）對(duì)于保護(hù)方式隨運(yùn)行方式改變的回路必須加裝連接片，便于現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行操作。