羅海龍

（國投云南大朝山水電有限公司，云南 昆明 650213）

0 引言

大朝山水電站位于云南省西部瀾滄江中下游河段，電站于2003 年10 月全部機組投產(chǎn)發(fā)電，現(xiàn)已成為云南電網(wǎng)中重要調(diào)峰調(diào)頻電廠之一，水輪發(fā)電機組投產(chǎn)以來一直存在空載工況運行不穩(wěn)定，穩(wěn)定運行區(qū)域較窄，轉(zhuǎn)輪裂紋較為嚴(yán)重等問題，特別是在低負(fù)荷50～90 MW 區(qū)域運行時尤為突出，表現(xiàn)為發(fā)生劇烈的水體共振，隨著云南電網(wǎng)結(jié)構(gòu)不斷發(fā)生變化，在電網(wǎng)供應(yīng)低谷時段,大朝山電廠機組需要頻繁參與空載調(diào)壓和啟停操作，問題更加突出，多項指標(biāo)已超出主機合同和國家標(biāo)準(zhǔn)的相關(guān)要求。針對以上問題，決定對水輪機轉(zhuǎn)輪進行更新改造，在論證轉(zhuǎn)輪加工及運輸方案時發(fā)現(xiàn)，原轉(zhuǎn)輪因當(dāng)時交通運輸原因采用分瓣運輸，運行后存在轉(zhuǎn)輪把合分瓣法蘭引起頂蓋壓力值升高的問題，參考國內(nèi)外大型混流式水輪機轉(zhuǎn)輪的加工運輸方案，經(jīng)過方案比選后選擇“散件運輸，現(xiàn)場整體加工的”方案，即采用水輪機準(zhǔn)亂散件運輸至電站現(xiàn)場，在現(xiàn)場新建轉(zhuǎn)輪加工廠，在加工廠內(nèi)完成轉(zhuǎn)輪現(xiàn)場組裝工序的方案。工序包括轉(zhuǎn)輪拼裝、轉(zhuǎn)輪焊接打磨、探傷、退火、機加工、鏜螺栓孔、靜平衡以及泄水錐檢查、吊裝等；為滿足轉(zhuǎn)輪現(xiàn)場加工要求，對轉(zhuǎn)輪加工廠主要設(shè)備設(shè)置、現(xiàn)有站用電設(shè)備參數(shù)、估算配套設(shè)備工程的用電負(fù)荷，設(shè)計一套接線靈活、供電可靠的加工廠供電系統(tǒng)，本文參照NB/T 35044-2014《水力發(fā)電廠廠用電設(shè)計規(guī)程》[1]和《電力工程電氣設(shè)計手冊》[2]對轉(zhuǎn)輪加工廠廠用電系統(tǒng)進行設(shè)計。

1 廠用電源數(shù)量及設(shè)置

對照設(shè)計規(guī)程，本次設(shè)計的轉(zhuǎn)輪加工廠廠用電屬于規(guī)程描述中的廠用電Ⅲ類負(fù)荷，允許較長時間停電而不影響水電廠正常運行，電源數(shù)量設(shè)置考慮的主要因素是供電負(fù)荷和運行方式，為提高供電可靠性，選擇兩個獨立電源供電，兩個電源分別由不同的高壓廠用電母線段上引接，兩個電源可經(jīng)自動裝置進行相互切換，互為備用，要求兩個電源間設(shè)置機械互鎖或電氣互鎖，可至少保證一個可靠電源供電。

2 廠用電電壓等級、接線設(shè)計

轉(zhuǎn)輪加工廠海拔高程為869 m，屬于設(shè)計規(guī)程描述中低于1 000 m 的常規(guī)地區(qū)，廠用電高壓電壓可選用10 kV，且電站原有6 段10 kV 母線，各段10 kV母線供電可靠，故設(shè)計將轉(zhuǎn)輪加工廠兩個獨立電源分別取自廠內(nèi)10 kV 兩條母線。

加工廠配電室設(shè)高壓開關(guān)柜4 臺，2 進2 出，高壓母線采用單母線接線方式，設(shè)2 臺10/0.4 kV 干式變壓器，要求兩臺變壓器額定電壓、組別、接線、短路阻抗相同，兩臺變壓器可選擇獨立運行或并列運行，低壓側(cè)采用單母線接線方式，設(shè)置配電柜5 臺，2 進2 出，低壓側(cè)用電負(fù)荷采用放射式與樹干式相結(jié)合的配電方式，為平衡感性用電負(fù)載，提高功率因數(shù)，配置1 臺低壓電容補償柜，接線如圖1 所示。

圖1 主接線示意圖

供電方式為轉(zhuǎn)輪加工廠配電室電源由兩路10 kV 電纜引入，一路電源取自廠內(nèi)10 kV 母線1 的饋線101 斷路器，通過電纜接入配電室103 斷路器，二路電源取自廠內(nèi)10 kV 母線2 的饋線102 斷路器，通過電纜接入配電室104 斷路器；102 和104 斷路器互為備用，為防止兩路交流電源非同期并列，兩個斷路器間設(shè)有電氣互鎖和機械互鎖功能，此接線有如下優(yōu)點：

（1）低壓側(cè)采用單母線接線方式，相比較于雙母線接線方式接線簡單，無需考慮下級負(fù)荷分布情況，不需要額外增加聯(lián)絡(luò)斷路器和備自投裝置，開關(guān)柜數(shù)量少，投資成本降低；

（2）兩臺變壓器高低壓側(cè)均連接同一條母線，當(dāng)任一臺變壓器檢修或故障，均可進行可靠隔離，不影響系統(tǒng)供電，供電可靠性高；

（3）兩臺變壓器可根據(jù)實際用電負(fù)荷情況選擇一臺運行或兩臺同時運行，提高經(jīng)濟性[3]。

3 主要電氣設(shè)備選擇

3.1 變壓器選擇

在進行電氣設(shè)備選擇前，對轉(zhuǎn)輪現(xiàn)場加工廠用電負(fù)荷進行統(tǒng)計，主要用電設(shè)備負(fù)荷統(tǒng)計見表1。

表1 主要用電設(shè)備負(fù)荷統(tǒng)計表

根據(jù)表1 計算得出設(shè)備用電計算負(fù)荷額定功率總和為1 649.7 kW，考慮上述設(shè)備的同時使用率最大約為60%，即綜合系數(shù)按0.6 計算，廠用電最大負(fù)荷為989.82 kVA。經(jīng)復(fù)核，大朝山水電站現(xiàn)有廠用電變壓器的容量無法滿足上述設(shè)備用電負(fù)荷的需求，考慮到每臺變壓器需留有20%裕量，故設(shè)計增設(shè)2 臺容量為1 250 kVA 的干式變壓器及配套所需的電纜、電氣設(shè)備，第二臺變壓器可作為重負(fù)荷時使用，變壓器型號選用SCB12-1250/10，10±2×2.5%/0.4 kV，Ud=6%，D,yn11，滿足參數(shù)為：絕緣等級F 級，空載損耗≤1.670，負(fù)載損耗≤9.690，空載電流≤0.8%，噪音≤65 dB，GFDD 風(fēng)冷系統(tǒng)，配低噪聲軸流風(fēng)扇，溫顯溫控。

3.2 電力電纜短路電流計算及選型

經(jīng)現(xiàn)場實際踏勘，轉(zhuǎn)輪廠房配電室一路電源利用廠內(nèi)10 kV 母線1 饋線開關(guān)柜101 至室外隔離開關(guān)之間已敷設(shè)的電力電纜，在室外隔離開關(guān)處新建1 臺電纜分支箱，電纜經(jīng)分支箱出線引至轉(zhuǎn)輪廠房配電室，電源路徑長312 m；第二路電源由電廠尾水架空線起點處T 接，在室外隔離開關(guān)處新建1 臺電纜分支箱，電纜經(jīng)分支箱出線引至轉(zhuǎn)輪廠房配電室，電源路徑長40 m。為合理選取電纜直徑，繪制電纜接線示意圖，見圖2，對計劃選用的ZAYJV22-8.7/15 kV-3×120 型號電纜截面積進行短路熱穩(wěn)定性復(fù)核計算[3]。

圖2 電纜接線示意圖

（1）計算短路電路的阻抗。取基準(zhǔn)容量Sj=100 MVA，各元件有效電阻較小，不予考慮，當(dāng)?shù)仉娋W(wǎng)的電抗：

選 取0.35 km ZA-YJV22-8.7/15 kV-3×120 電纜的電抗為：

(2）計算由當(dāng)?shù)仉娋W(wǎng)供給K1、K2 點短路電流?；鶞?zhǔn)容量Sj＝100 MVA，基準(zhǔn)電流為：

由計算可得出其10 kV 側(cè)最大短路電流值為IK1=16.6 kA，再進行電纜短路熱穩(wěn)定校核：

S：電纜熱穩(wěn)定要求最小截面（單位：mm2）

Qi：短路熱效應(yīng)

C：熱穩(wěn)定系數(shù)，C取137

I：10 kV 側(cè)最大短路電流值，I1=16.6 kA，I2=16.2 kAt=0.65 s

最小允許截面S1=97.7 mm2；S2=95.3 mm2

因為ZA-YJV22-8.7/15 kV-3×120 型號電纜截面積120>97.7，再考慮到以后負(fù)荷存在增長的情況，所以選取截面積為120 mm2電纜能滿足安全穩(wěn)定要求。

3.3 開關(guān)柜選擇

高壓開關(guān)柜選擇戶內(nèi)交流鎧裝中置移開式金屬封閉開關(guān)柜（KYN28A-12），具備五防閉鎖功能，柜頂設(shè)有壓力釋放板，柜內(nèi)隔離活門、靜觸頭盒固定板采用金屬材質(zhì)并可靠接地，柜內(nèi)配用西門子3AE8-12630A-25 kA 型高壓真空斷路器，操作機構(gòu)采用電動機儲能方式，當(dāng)失去電源時，可選擇手動儲能，同時斷路器具有機械本體手動合分閘裝置，可以在失去控制電源時操作斷路器。

低壓開關(guān)柜選擇金屬封閉抽屜式開關(guān)柜，型號為SIVACON8PT，框架的全部結(jié)構(gòu)件都經(jīng)過鍍鋅處理，每個盤柜與主母線間，各盤柜之間設(shè)置有隔板，可保證任何一個分支回路故障，在不停運行母線情況下進行檢維修；柜內(nèi)配有西門子3WL2N2500ETU45B/GD/3P 型斷路器，斷路器配裝有脫扣器，具有三段式電流保護、接地保護，各保護可靈活采用定時限、反時限設(shè)定，延時可整定。

4 保護方式的選擇及整定計算

本次整定計算是從整個設(shè)計接線系統(tǒng)出發(fā)，僅計算配電系統(tǒng)高壓設(shè)備部分，因低壓側(cè)部分負(fù)荷具體情況還未正式確定，計算出的數(shù)值可能不完全適用于實際運行，故0.4 kV 配電裝置繼電保護計算不在本次計算范圍內(nèi)。對于新增的兩臺10 kV 配電變壓器，保護方式及整定原則根據(jù)變壓器額定容量進行選擇，兩臺變壓器型號均為SCB12-1250/10，10±2×2.5%/0.4 kV，Ud=6%，D,yn11，參照設(shè)計規(guī)程，單臺變壓器容量小于10 MVA，兩臺并聯(lián)運行容量小于6.3 MVA，可不設(shè)置電流差動保護[2]，故轉(zhuǎn)輪加工廠配電變壓器不設(shè)置電流差動保護，考慮對變壓器設(shè)置電流速斷、過電流、過負(fù)荷、非電量保護?，F(xiàn)以1 號變壓器（對應(yīng)105 斷路器）為例進行定值整定計算。

4.1 電流速斷保護定值整定

整定計算1：按1 號變壓器低壓側(cè)三相短路流過高壓側(cè)的短路電流整定[5]：

1 號主變短路阻抗折算至基準(zhǔn)阻抗：

容量基準(zhǔn)值取100 MVA，可計算最大短路電流為：

I速斷=K1×Idmax=1.3×1 203=1 564 A

電流速斷保護可靠系數(shù)K1取1.3。

整定計算2：按躲過單臺變壓器最大勵磁涌流整定[6]：

對于環(huán)氧澆注干式變壓器的合閘涌流倍數(shù)為58，K2取最大值8 進行計算。

綜合對比，為提高保護靈敏性選取計算較小值作為速斷保護定值，105CT 變比為100/5，換算至二次電流值為28.84 A。

靈敏度校驗：經(jīng)計算由101 斷路器供電時高壓側(cè)最小短路電流為7 658 A

故電流速斷保護定值為28.84 A，延時0 s。

4.2 過電流保護定值整定

整定計算1：按躲過所帶負(fù)荷需要自啟動的電動機最大啟動電流之和整定

可靠系數(shù)Krel取1.2，自啟動的全部電動機在自啟動時的過電流倍數(shù)Kzq取3。

整定計算2：按躲過額定電流下可靠返回條件整定

可靠系數(shù)Krel取1.05，返回系數(shù)Kr取0.9，105CT變比為100/5，故換算至二次電流值為4.21 A，延時設(shè)定1.5 s。

按躲過電機自啟動電流計算是為備自投裝置動作時所帶自啟動電機的群啟問題考慮，但根據(jù)轉(zhuǎn)輪加工廠實際情況不使用備自投功能，且計算值較大，故過電流保護按躲過額定電流下可靠返回條件整定，過電流保護定值選為4.21 A，延時設(shè)定1.5 s。

4.3 過負(fù)荷保護定值整定

過負(fù)荷保護按主要設(shè)備最大負(fù)荷進行計算

最大負(fù)荷時兩臺變壓器同時運行，過負(fù)荷倍數(shù)K4取1.4，105CT 變比為100/5，換算至二次電流值為2 A，延時設(shè)定5 s,發(fā)報警信號。

綜上所述，得出1 號變壓器（105 斷路器）的繼電保護定值整定見表2。

表2 105 斷路器繼電保護定值單

5 結(jié)語

大朝山轉(zhuǎn)輪加工廠設(shè)計的總結(jié)：

（1）高壓側(cè)、低壓側(cè)均采用單母線接線方式，兩臺干式變壓器并列運行的設(shè)計，雙電源供電，接線清晰，統(tǒng)籌兼顧供電可靠性與運行靈活性，可有效降低損耗，提高運行經(jīng)濟性，設(shè)備數(shù)量少，節(jié)省建設(shè)成本。

（2）配電室一路電源，電源路徑長312 m，電纜起始高程951.51 m，電纜終點高程869 m，電纜沿山體進行折線敷設(shè)，采用橋架敷設(shè)方式和穿碳素波紋管直埋敷設(shè)方式，電纜路徑3 次經(jīng)過行車道，3 次穿越行車道均采用新建1 層2 列CPVCΦ160 行車排管，然后再采用直埋敷設(shè)方式，并做局部加固，在折線處套金屬軟管，以滿足電纜轉(zhuǎn)彎半徑要求，經(jīng)過對比發(fā)現(xiàn)橋架明敷具有減少土建成本和降低對其余設(shè)備干擾的明顯優(yōu)勢。

（3）兩路電源均引自電站原有高壓母線，使用高壓母線上的饋線斷路器、部分已有的電力電纜和電纜井，有效降低了建設(shè)成本。

大朝山轉(zhuǎn)輪加工廠廠用電源的數(shù)量設(shè)置、接線方式、主要電氣設(shè)備選擇滿足設(shè)計規(guī)范要求，現(xiàn)配電室已正式投入使用，使用結(jié)果證明加工廠廠用電系統(tǒng)接線設(shè)計簡單、清晰，運行方式靈活可靠，設(shè)備選型、繼電保護定值整定合理，能滿足加工廠的各種工況運行需要，為轉(zhuǎn)輪加工生產(chǎn)提供了有力保障。