肖天澤

(廣東省水利電力勘測設(shè)計(jì)研究院有限公司，廣州 510635)

1 項(xiàng)目概況

韓江高陂水利樞紐工程是國務(wù)院確定的172項(xiàng)重大水利工程之一，是列入2015年開工建設(shè)的27項(xiàng)工程中的一項(xiàng)，是韓江流域防洪控制性工程和水資源配置骨干工程。韓江高陂水利樞紐工程位于廣東省大埔縣境內(nèi)的韓江干流、高陂鎮(zhèn)上游約6 km處，高陂水利樞紐工程主要建筑物由泄水閘、 電站廠房、 通航船閘及擋水壩等組成[1]，是以防洪、供水為主，兼顧灌溉、發(fā)電、航運(yùn)等綜合利用[2-3]的大型水利工程。電站部分總裝機(jī)容量為100 MW，共裝設(shè)4臺25 MW的燈泡式貫流水輪發(fā)電機(jī)組。電站多年平均年利用小時(shí)數(shù)為4 055.7 h。閘壩部分主要由19臺泄水閘門組成，在洪峰來臨時(shí)起到泄洪作用。

發(fā)電機(jī)10.5 kV電壓側(cè)共2段母線，2臺機(jī)組與1臺63 000 kVA變壓器組成一個擴(kuò)大單元接線接于Ⅰ段母線，另2臺機(jī)組與另1臺63 000 kVA變壓器組成一個擴(kuò)大單元接線接于Ⅱ段母線，2臺廠用變壓器、2臺閘壩變壓器及2臺營地變壓器分別接于發(fā)電機(jī)電壓Ⅰ段、Ⅱ段母線；110 kV電壓側(cè)采用“二進(jìn)一出”單母線接線[4]。樞紐電氣主接線如圖1所示。

圖1 高陂水利樞紐電氣主接線示意

2 廠用電、閘壩用電接線方案

根據(jù)高陂水利樞紐工程的任務(wù)及電氣主接線方案，各設(shè)2臺廠用、閘壩、管理營地變壓器，0.4 kV母線側(cè)均為單母線分段接線。2臺廠用變?nèi)萘恳恢拢?臺閘壩變?nèi)萘恳惨恢拢瑥S用及閘壩供電在正常運(yùn)行時(shí)均由1臺變壓器帶1段母線運(yùn)行，如果1臺變壓器故障或檢修，另1臺變壓器可擔(dān)負(fù)廠用或閘壩全部用電負(fù)荷。管理營地變壓器設(shè)大、小容量各1臺，正常運(yùn)行時(shí)由1臺大容量變壓器帶1段母線運(yùn)行，當(dāng)這臺營地變故障或檢修，另1臺小容量營地變只為營地內(nèi)二級負(fù)荷供電。

由于本工程首要任務(wù)為防洪，考慮其重要性，將10 kV施工外來電源在施工完成后做永久電源用，并設(shè)1臺備用變壓器作為閘壩的備用電源；考慮到本工程防洪調(diào)度中心設(shè)置在廠房，因此，將此備用變壓器亦作為廠房部分重要負(fù)荷的備用電源(廠用電、閘壩用電接線如圖2所示)。

圖2 廠用電、閘壩用電接線示意

依據(jù)水利工程建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)強(qiáng)制性條文，對特別重要的大中型水力發(fā)電廠、泵站、泄洪設(shè)施等，如有可能失去廠(站)用電電源，影響大壩安全度汛或可能水淹廠房而危及人身設(shè)備安全時(shí)，應(yīng)設(shè)置能自動快速起動的柴油發(fā)電機(jī)組或其他應(yīng)急電源，其容量應(yīng)滿足泄洪設(shè)施，滲漏排水等可能出現(xiàn)的最大負(fù)荷的需要[5-7]。該方案具有供電可靠、供電范圍清晰的優(yōu)點(diǎn)。

3 廠用電系統(tǒng)及閘壩用電系統(tǒng)負(fù)荷分析

3.1 廠用電負(fù)荷分析

為保證廠用電設(shè)備平穩(wěn)運(yùn)行與正常啟停，廠用變壓器的選型至關(guān)重要。首先需按實(shí)際負(fù)荷情況，采用“綜合系數(shù)法”計(jì)算變壓器容量，再通過自起動容量校驗(yàn)再次核算變壓器容量。因此，須通過NB/T 35044-2014《水力發(fā)電廠廠用電設(shè)計(jì)規(guī)程》進(jìn)行計(jì)算，才能保證廠用電設(shè)備的正常運(yùn)行。

由表1可看出，當(dāng)1臺機(jī)組檢修時(shí)，用電負(fù)荷達(dá)到最大，約為1 569.3 kW。根據(jù)NB/T 35044-2014《水力發(fā)電廠廠用電設(shè)計(jì)規(guī)程》采用“綜合系數(shù)法”[8]對廠用變?nèi)萘窟M(jìn)行計(jì)算，選取綜合系數(shù)0.79，經(jīng)計(jì)算0.79×1 569.3=1 239.7 kVA，因此，本電站廠用變壓器容量選擇1 250 kVA。

表1 廠用電負(fù)荷分析

3.2 閘壩用電負(fù)荷分析

閘壩用電的主要負(fù)荷來自于19臺泄水閘門啟閉機(jī)，在洪峰來臨期間，閘門啟閉機(jī)的可靠供電十分重要。為達(dá)到快速泄洪的目的，設(shè)計(jì)上會要求短時(shí)間內(nèi)起動盡量多的啟閉機(jī)，但受限于變壓器容量與供電距離，同時(shí)起動3臺以上必將帶來巨大的壓降，使啟閉機(jī)機(jī)端電壓過低。因此，在運(yùn)行方式上僅分析2臺同時(shí)起動和運(yùn)行1臺起動1臺這兩種工況。

運(yùn)行1臺起動1臺的起動模式即其中1臺正在起動的泄水閘啟閉機(jī)已經(jīng)躲過了約30 s～1 min的起動電流之后，進(jìn)入了運(yùn)行狀態(tài)，再起動下1臺啟閉機(jī)。待這2臺啟閉機(jī)完全開閘后，再以這樣的運(yùn)行方式起動接下來的2臺啟閉機(jī)。這樣的起動方式有利于減小沖擊電流，且與同時(shí)起動2臺的時(shí)間相差無幾。

從表2可以看出，閘壩變壓器的額定負(fù)荷并不算大，選擇315 kVA或400 kVA變壓器即可滿足要求，但需通過壓降校驗(yàn)對變壓器容量進(jìn)行考核。

表2 閘壩用電負(fù)荷

4 容量及壓降校驗(yàn)

4.1 廠用變壓器自起動容量校驗(yàn)

依據(jù)《水電站機(jī)電設(shè)計(jì)手冊》[9]，進(jìn)行自起動容量校驗(yàn)，已判斷廠變?nèi)萘俊?/p>

廠用變?nèi)萘繛? 250 kVA，自起動有功功率約為1 345.9 kW，選擇4倍起動電流。

≈75.6>70

(1)

依據(jù)《水電站機(jī)電設(shè)計(jì)手冊》，低壓廠用母線電壓自起動電壓最小允許值為65%～70%，因此，1 250 kVA變壓器滿足要求。

4.2 壓降校驗(yàn)

依據(jù)NB/T 35044-2014《水力發(fā)電廠廠用電設(shè)計(jì)規(guī)程》6.3.1“配電母線上接有照明或其他對電壓波動較敏感的負(fù)荷，電動機(jī)經(jīng)常起動時(shí)，不宜大于10%；電動機(jī)不經(jīng)常起動時(shí)不宜大于15%”，本工程閘壩母線上接有壩頂路燈等照明燈具，因此配電母線壓降不宜大于15%。

機(jī)端壓降在NB/T 35044-2014中未提及，本工程依據(jù)《水電站機(jī)電設(shè)計(jì)手冊》，電動機(jī)的端電壓不應(yīng)低于70%～85%，本工程機(jī)端壓降取中間值不大于25%。

若按照額定負(fù)荷選取315 kVA或400 kVA閘壩變壓器，依據(jù)電纜電阻、電抗見表3所示。

表3 閘壩電纜阻抗 Ω

則配電母線的壓降計(jì)算如下：

運(yùn)行負(fù)荷電流：

(2)

起動負(fù)荷電流：

(3)

315 kVA閘壩變壓器壓降：

≈34.9 V

(4)

至閘壩配電盤電纜選用2×(YJV22-3×400+1×240)電纜，閘壩變壓器至配電盤的電纜壓降：

=7.7+19.7≈27.4 V

(5)

400 kVA閘壩變壓器壓降：

≈27.5 V

(6)

閘壩變壓器至配電盤的電纜壓降同式(5)，壓降為27.4 V。

從計(jì)算可以看出，315 kVA不可保證配電盤壓降在規(guī)范要求內(nèi)，400 kVA雖可滿足，但裕度較小，若負(fù)荷稍有增加，則壓降校驗(yàn)不可滿足，這對閘壩用電的穩(wěn)定是不利的。因此，為滿足壓降要求，閘壩變?nèi)萘砍醪竭x擇630 kVA變壓器(阻抗為4%)與800 kVA變壓器(阻抗為6%)。泄水閘啟閉機(jī)擬選用鼠籠型異步電動機(jī)，功率因數(shù)0.8，起動時(shí)功率因數(shù)取0.35，額定效率取0.9；采用軟起動方式，起動電流按3倍計(jì)算。船閘與泄水閘已帶靜態(tài)負(fù)荷30 kW。

在不同的起動方式、變壓器容量、電纜截面選擇下，會得出不同的壓降，依據(jù)《水力發(fā)電廠廠用電設(shè)計(jì)規(guī)程》(NB/T 35044-2014)附錄E對電動機(jī)起動電壓進(jìn)行了計(jì)算(見表4)。

表4 起動壓降對比

從表4可以看出：① 無論是630 kVA變壓器或是800 kVA變壓器，都無法保證同時(shí)起動2臺啟閉機(jī)時(shí)配電母線與機(jī)端的壓降在規(guī)范要求的范圍內(nèi)，因此，選擇運(yùn)行1臺、起動1臺的起動模式；② 800 kVA變壓器有著較高的阻抗，并不能有效降低壓降，630 kVA經(jīng)濟(jì)性更優(yōu)。因此，選用630 kVA變壓器。

5 結(jié)語

前文論述從理論上證明了本工程0.4 kV側(cè)的廠用電、閘壩用電接線方案具備合理性；1 250 kVA廠用變壓器滿足了額定負(fù)荷與自起動容量校驗(yàn)；630 kVA閘壩變壓器配合大截面電纜滿足了額定負(fù)荷的要求以及在間隔短時(shí)間內(nèi)，起動2臺啟閉機(jī)的起動方式。

2021年6月18日，高陂水利樞紐首臺機(jī)組正式投產(chǎn)發(fā)電，各輔機(jī)設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)良好，泄水閘19臺啟閉機(jī)起動安全可靠，證明樞紐的廠用電系統(tǒng)與閘壩用電系統(tǒng)設(shè)計(jì)合理、運(yùn)行可靠，為樞紐未來的運(yùn)行打下了牢固的基礎(chǔ)。