梁海英

（陽(yáng)江市水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)有限公司，廣東 陽(yáng)江 529900）

0 引言

電氣主接線系統(tǒng)的設(shè)計(jì)質(zhì)量會(huì)對(duì)電力系統(tǒng)的可靠性、安全性、經(jīng)濟(jì)性產(chǎn)生直接影響?，F(xiàn)階段，為保證電氣主接線系統(tǒng)滿足水電站預(yù)定功率傳輸、運(yùn)行等方面的要求，水電站方面應(yīng)在明確電氣主接線設(shè)計(jì)工作注意事項(xiàng)的基礎(chǔ)上，開(kāi)展電氣主接線系統(tǒng)設(shè)計(jì)，以實(shí)現(xiàn)提升電氣系統(tǒng)整體安全性、可靠性的目的。

1 電氣主接線設(shè)計(jì)原則

數(shù)據(jù)調(diào)查顯示，2022 年我國(guó)總發(fā)電量達(dá)到了88487.1 億kW·h，其中，火電、水電與風(fēng)電發(fā)電量在總發(fā)電量中的占比為66.5%、15.3%、8.6%。其中，水電作為一種清潔的能源，其發(fā)電量呈逐年上漲的態(tài)勢(shì)，在低碳化社會(huì)的發(fā)展背景下，為進(jìn)一步提升水電供應(yīng)工作的安全性與可靠性，緩解我國(guó)的電力供求矛盾，人們提高了對(duì)中小型水電站的關(guān)注度。電氣主接線作為電站中的主要電力輸配系統(tǒng)，其運(yùn)行質(zhì)量與水電站的供電安全之間存在著直接的聯(lián)系?，F(xiàn)階段，為保障電氣系統(tǒng)運(yùn)行的可靠性，在開(kāi)展電氣主接線設(shè)計(jì)工作時(shí)，工作人員需盡可能提高設(shè)計(jì)方案的靈活性、可靠性、安全性、經(jīng)濟(jì)性。從靈活性的角度說(shuō)，為保障電氣主接線系統(tǒng)擴(kuò)建的靈活性，開(kāi)展中小型水電站電氣主接線設(shè)計(jì)時(shí)，工作人員應(yīng)通過(guò)合理優(yōu)化發(fā)電機(jī)、變壓器、工作線路等方式，保證系統(tǒng)可以在運(yùn)行或檢修的過(guò)程中，完成系統(tǒng)的安全調(diào)度，盡可能降低開(kāi)關(guān)操作的次數(shù)?？煽啃栽瓌t是當(dāng)前中小型水電站電氣主接線設(shè)計(jì)工作中最基本的原則，為保證這一原則的價(jià)值得到有效發(fā)揮，在開(kāi)展電氣主接線設(shè)計(jì)工作時(shí)，工作人員可以將設(shè)計(jì)重點(diǎn)放在：①保證系統(tǒng)在斷路檢修環(huán)節(jié)，仍能正常供電。②若斷路器或母線出現(xiàn)問(wèn)題，也可以通過(guò)盡可能降低停運(yùn)時(shí)間的方式，保證電力供應(yīng)工作的質(zhì)量。從安全性的角度看，在中小型水電站電氣主接線設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)，應(yīng)保證系統(tǒng)在任意一種運(yùn)行狀態(tài)或檢修工作中，都能保障電氣設(shè)備與工作人員的安全性，以便在管控電氣系統(tǒng)運(yùn)行檢修成本的同時(shí)，提升電力供應(yīng)工作的安全性。經(jīng)濟(jì)性指的是在開(kāi)展中小型水電站電氣主接線設(shè)計(jì)工作時(shí)，可以在保證電氣主接線系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定性的基礎(chǔ)上，通過(guò)盡量縮小設(shè)備占地面積、優(yōu)化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、減少元件用量等方式，提高系統(tǒng)運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)效益[1]。

2 電氣主接線設(shè)計(jì)的注意事項(xiàng)

2.1 解決近區(qū)負(fù)荷供電問(wèn)題

相較于火電站，大部分水電站修建在較為狹小的山區(qū)地帶，開(kāi)關(guān)站不會(huì)作為分配或中轉(zhuǎn)電能的變電站，這使得水電站和負(fù)荷中心間存在較遠(yuǎn)的距離。同時(shí)，大部分水電站通常為一次性建設(shè)完畢，后續(xù)并不會(huì)進(jìn)行擴(kuò)建。近年來(lái)，受城市化進(jìn)程的不斷加快，城市邊緣逐漸向外擴(kuò)張，在一定程度上，縮短了城市與水電站之間的距離，為滿足用戶對(duì)電力資源的需要，在開(kāi)展中小型水電站電氣主接線設(shè)計(jì)工作時(shí)，需解決近區(qū)負(fù)荷的供電需求。

2.2 過(guò)電壓保護(hù)與接地設(shè)計(jì)

為保證中小型水電站電壓保護(hù)與接地設(shè)計(jì)安全，工作人員應(yīng)當(dāng)以水電站所在環(huán)境為基礎(chǔ)開(kāi)展設(shè)計(jì)工作。以某水電站為例，工作人員構(gòu)建了直擊雷保護(hù)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了電氣主接線系統(tǒng)的過(guò)電壓保護(hù)。首先，工作人員通過(guò)將避雷設(shè)備安裝于該水電站屋頂處，然后將扁鋼與地網(wǎng)連接到一起的方式實(shí)現(xiàn)了雷擊風(fēng)險(xiǎn)的有效管控。其次，為避免雷電波電流破壞電氣設(shè)備，工作人員在35kV 母線處安裝了一組氧化鋅Y5W-42/134 型避雷裝置。再次，為實(shí)現(xiàn)雷電侵入的過(guò)電壓保護(hù)，該水電站通過(guò)在35kV 進(jìn)線處設(shè)置了一道1～2km 的避雷線，使得經(jīng)過(guò)避雷器的電流值始終在5000A 以下。最后，該水電站的避雷接地系統(tǒng)主要由垂直接地體與水平接地體共同構(gòu)成，其中，垂直接地體是由長(zhǎng)度為2.5m 的50mm×5mm角鋼組成，水平接地體則是由長(zhǎng)度為30m 的40mm×4mm 扁鋼組成，且接地體的電阻值小于10Ω[2]。

2.3 微機(jī)監(jiān)控與自動(dòng)化系統(tǒng)

為了在保證中小型水電站運(yùn)營(yíng)管理質(zhì)量的基礎(chǔ)上，減少值班人數(shù)，水電站方面，可以將計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)融入電氣主接線系統(tǒng)設(shè)計(jì)工作中，實(shí)現(xiàn)主接線系統(tǒng)運(yùn)行狀況的實(shí)時(shí)監(jiān)控。舉例來(lái)說(shuō)，某水電站將分層分布式結(jié)構(gòu)的DZWX-2000 水電站計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)融入電氣主接線系統(tǒng)中，并應(yīng)用SDT 通信協(xié)議，實(shí)現(xiàn)了上位機(jī)與信管系統(tǒng)間的通信。在監(jiān)控工作開(kāi)展時(shí)，監(jiān)控主機(jī)可以自主開(kāi)展水電站電氣主接線系統(tǒng)數(shù)據(jù)的收集、整理、監(jiān)控等工作，并在發(fā)現(xiàn)系數(shù)參數(shù)存在異常時(shí)，及時(shí)發(fā)出警報(bào)信息并登記異常數(shù)據(jù)，便于工作人員采用合適的方法對(duì)其進(jìn)行處理。

2.4 裝設(shè)發(fā)電機(jī)斷路器方案

對(duì)于水電站來(lái)說(shuō)，需要在構(gòu)建電氣主接線系統(tǒng)時(shí)，為每一個(gè)發(fā)電機(jī)變壓器單元極端處安裝發(fā)電機(jī)出口斷路器，在保證水電站同期能夠基于斷路器完成的同時(shí)，滿足頻繁操作發(fā)電機(jī)斷路器的運(yùn)轉(zhuǎn)需求。

3 電氣主接線設(shè)計(jì)的具體內(nèi)容

3.1 發(fā)電機(jī)電壓側(cè)接線

主變壓器作為中小型水電站系統(tǒng)中的關(guān)鍵設(shè)備，其運(yùn)轉(zhuǎn)質(zhì)量與水電站發(fā)電情況之間存在著直接的聯(lián)系，為保證主變壓器能夠正常運(yùn)轉(zhuǎn)，工作人員應(yīng)結(jié)合水電站的規(guī)模，選擇合適型號(hào)數(shù)量的主變壓器，然后通過(guò)采用單母線與單母線分段接線、單元接線、擴(kuò)大單元接線等方式，將主變壓器與電氣主接線系統(tǒng)連接到一起的方式，保證主接線系統(tǒng)電力資源運(yùn)輸工作的正常進(jìn)行。

首先，單母線接線是一種接線方式相對(duì)簡(jiǎn)單的主變壓器連接方法，但是，在實(shí)踐中，若母線出現(xiàn)了故障，那么在檢修工作開(kāi)展時(shí)，水電站需要開(kāi)展全站停機(jī)活動(dòng)，以便保證檢修人員與電氣設(shè)備的安全。從總體上看，單母線接線方法在應(yīng)用時(shí)會(huì)對(duì)水電站的正常運(yùn)營(yíng)造成一定的阻礙。為解決這一問(wèn)題，在開(kāi)展接線工作時(shí)，水電站可以采取單母線分段接線的方式，通過(guò)并聯(lián)母線的方式，降低運(yùn)維工作對(duì)水電站運(yùn)營(yíng)管理造成的阻礙。具體來(lái)說(shuō)，在發(fā)現(xiàn)單母線存在問(wèn)題時(shí)，工作人員可以通過(guò)啟動(dòng)與該母線并聯(lián)的另一條母線的方式，保證水電站的正常工作，在保障水電站運(yùn)維安全性的同時(shí)，提高電氣主接線系統(tǒng)線路的清晰度，達(dá)到強(qiáng)化運(yùn)維管理工作可靠性的目的。

其次，單元接線是在主變壓器下連接兩條直線，這條直線與廠用變壓器連接到一起，另一條與發(fā)電機(jī)組連接到一起。這種采用兩備一臺(tái)主變壓器即可完成相應(yīng)工作任務(wù)條線路開(kāi)展分流工作的方式，有效增強(qiáng)了水電站主接線系統(tǒng)運(yùn)轉(zhuǎn)的可靠性，提高了主變壓器與發(fā)電機(jī)之間的匹配容量，降低了因發(fā)電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)而出現(xiàn)的輸電線路過(guò)熱故障現(xiàn)象[3]。但相較于單母線連接方式，單元接線模式在應(yīng)用時(shí)會(huì)導(dǎo)致接近成本有所上升。

最后，擴(kuò)大單元接線在應(yīng)用時(shí)有效簡(jiǎn)化了電氣主接線系統(tǒng)的布置方式，例如，大部分中小型水電站保證變壓器的運(yùn)轉(zhuǎn)安全，會(huì)配備兩臺(tái)主變壓器。但在應(yīng)用擴(kuò)大單元接線模式后，水電站方面僅需配置一臺(tái)主變壓器即可滿足系統(tǒng)使用需要.在運(yùn)行的過(guò)程中，即使此設(shè)備產(chǎn)生了異常情況，出現(xiàn)停機(jī)等問(wèn)題，也可以通過(guò)備用裝置保障系統(tǒng)運(yùn)行，確保變壓器運(yùn)作成效，及時(shí)為水電站運(yùn)轉(zhuǎn)提供保障。

3.2 升高電壓側(cè)的接線

大部分水電站的主變壓器主要是以繞組變壓器為核心。此類裝置與其他設(shè)備相比絕緣性更強(qiáng)，且可以在高溫環(huán)境下正常運(yùn)作。因此在使用穩(wěn)定性與安全性方面可以得到良好保障，不僅能夠緩解高峰期水電站運(yùn)行的工作壓力。而且還能夠通過(guò)與主接線系統(tǒng)相關(guān)聯(lián)的形式，工作人員可以按照接線的不同位置，選擇變壓器線路組接線、單母線和單母線分段接線、橋形連接等高壓側(cè)接線方式。

首先，變壓器線路組接線是一種相對(duì)簡(jiǎn)便的接線方式，在應(yīng)用時(shí)可以利用外加導(dǎo)流線路。提升變壓器的運(yùn)轉(zhuǎn)效率，并且，相較于變壓器的運(yùn)轉(zhuǎn)情況，這一方式連接變壓器所產(chǎn)生的電阻可以忽略不計(jì)。但需要注意的是，在應(yīng)用變壓器線路組接線模式時(shí)，變壓器系統(tǒng)出現(xiàn)故障，那么水電站方面需要將全站進(jìn)行停電處理后才能開(kāi)展后續(xù)檢修工作，這在一定程度上降低了電站供電服務(wù)質(zhì)量，為解決這一問(wèn)題，諸多企業(yè)會(huì)借助系統(tǒng)創(chuàng)新解決線路組接線方面的問(wèn)題。

其次，還有一種接線方式廣受人們關(guān)注，便是單母線接線。此種接線處理成本較低，可以保障經(jīng)濟(jì)效益。在具體運(yùn)作的過(guò)程中，由于此類接線形式連接的設(shè)備類型較少，因此在使用方面，同一母線所承擔(dān)的電流電壓數(shù)據(jù)也會(huì)進(jìn)一步降低。因此這一技術(shù)方法的適用范圍較小?，F(xiàn)階段，為保證單母線和單母線分段接線方式的應(yīng)用價(jià)值能夠在水電站電氣主接線設(shè)計(jì)工作中得到充分發(fā)揮，工作人員可以通過(guò)將某一段母線與發(fā)電機(jī)所連接到一起的方式，提高工作的繼電保護(hù)效果。同時(shí)，工作人員可以通過(guò)在母線旁邊增設(shè)隔離開(kāi)關(guān)的方式，避免電氣主接線系統(tǒng)在運(yùn)轉(zhuǎn)故障時(shí)，因故障部位檢修，導(dǎo)致系統(tǒng)整體出現(xiàn)斷電問(wèn)題[4]。

最后，部分中小型水電站的兩繞組變壓器接線方式為“兩進(jìn)兩出”的橋形連接方式。在實(shí)際接線過(guò)程中，工作人員會(huì)使用單母線接線處理形式，但是由于此類技術(shù)運(yùn)用下回路變壓器功率極易出現(xiàn)偏差情況，導(dǎo)致線路難以正常連接到一起，進(jìn)而導(dǎo)致水電站的發(fā)電功率有所下降。為解決上述問(wèn)題，工作人員可以應(yīng)用橋形連接手段，以此確保變壓器回路功率的穩(wěn)定性，在強(qiáng)化系統(tǒng)電氣主接線效果的同時(shí)，保障設(shè)計(jì)的合理性與科學(xué)性。

3.3 電氣設(shè)備的選擇

在開(kāi)展電氣設(shè)備選擇工作時(shí)，首先，工作人員需要以中小型水電站的具體情況為基礎(chǔ)，明確電氣主接線系統(tǒng)的類型，然后在電氣設(shè)備容量范圍內(nèi)開(kāi)展設(shè)計(jì)規(guī)劃工作，合理調(diào)整設(shè)備元件的數(shù)量與容量，然后在主接線環(huán)節(jié)中對(duì)地線所處位置的環(huán)境，氣溫，水溫條件等信息進(jìn)行研究，盡可能降低各類因素對(duì)主接線系統(tǒng)配電裝置正常運(yùn)轉(zhuǎn)造成的不利影響。

其次，在擬定主接線方案時(shí)，工作人員可以按照設(shè)計(jì)任務(wù)書(shū)的具體安排，完成其他主接線施工方案規(guī)劃工作，考慮到在不同環(huán)境下，主接線系統(tǒng)的線回路數(shù)，電壓等級(jí)，容量與母線結(jié)構(gòu)等因素存在著較為明顯的差異，因此現(xiàn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)施工方案也存在一定的差別，為提高方案的實(shí)用性與可靠性，工作人員需要對(duì)相應(yīng)方案加以比較，從中選出最優(yōu)的方案為后續(xù)電氣主接線工作的開(kāi)展提供支持。

再次，水電站中主變壓器的參數(shù)會(huì)對(duì)主接線形式、配電結(jié)構(gòu)產(chǎn)生影響，因此，在開(kāi)展電氣主機(jī)械設(shè)計(jì)工作時(shí)，工作人員應(yīng)確定主變壓器的臺(tái)數(shù)，容量以及相數(shù)。①水電站中主變壓器的接線方式會(huì)對(duì)系統(tǒng)運(yùn)維檢修工作中水電站工作狀態(tài)產(chǎn)生影響。因此，為了在提升水電站主變壓器運(yùn)轉(zhuǎn)安全性與經(jīng)濟(jì)性的同時(shí)，降低電氣主接線系統(tǒng)運(yùn)維檢修難度，水電站方面可以應(yīng)用兩臺(tái)主變壓器互為備用變壓器的方式，發(fā)揮電氣系統(tǒng)構(gòu)建時(shí)的經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢(shì)。②在水電站發(fā)電機(jī)電壓母線出現(xiàn)最大發(fā)電機(jī)組停運(yùn)的問(wèn)題，那么主變壓器需要從系統(tǒng)向發(fā)電機(jī)組處倒送電，考慮到當(dāng)前發(fā)電機(jī)電壓母線與系統(tǒng)間連接的主變壓器臺(tái)數(shù)為2，當(dāng)其中容量最大的一臺(tái)變壓器因事故斷開(kāi)線路連接時(shí)，另一臺(tái)主變壓器可以在允許過(guò)負(fù)荷的情況下開(kāi)展母線剩余功率的輸送工作，并且，在此過(guò)程中母線功率的輸送效率大多在70%以上。對(duì)此，結(jié)合系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程中對(duì)于經(jīng)濟(jì)性的要求，設(shè)計(jì)人員可以通過(guò)開(kāi)展輸出功率限制工作的方式，發(fā)揮發(fā)電機(jī)組中電壓負(fù)荷的優(yōu)勢(shì)。相較于同容量單相變壓器，雙相、三相變壓器不僅有著占地面積較小、成本偏低的優(yōu)點(diǎn)，而且變壓器在運(yùn)行時(shí)的損耗也比較低。因此在選擇變壓器時(shí)，水電站可以結(jié)合自身的實(shí)際情況，選擇雙向或三向的變壓器。例如，若水電站附近道路運(yùn)輸條件，無(wú)法滿足大容量三相變壓器運(yùn)輸要求，那么水電站可以通過(guò)選擇雙向變壓器或兩臺(tái)小容量三相變壓器用以代替一臺(tái)大容量三相變壓器的方式，滿足水電站對(duì)于變壓器選擇可靠性與經(jīng)濟(jì)性的需要[5]。

最后，電氣設(shè)備的選型與電站整體運(yùn)營(yíng)工作質(zhì)量息息相關(guān)，一般的中小型水電站會(huì)采用機(jī)旁控制的布置方式，在節(jié)省空間的同時(shí)便于工作人員開(kāi)展電氣設(shè)備開(kāi)機(jī)停用管控工作。現(xiàn)階段，為保證電氣設(shè)備布置工作能夠滿足水電站主接線設(shè)計(jì)工作的需要，工作人員可以在明確水電站具體建筑結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，秉承高效利用空間、成本有效管控的原則，開(kāi)展設(shè)備選型、布置工作，確保電氣設(shè)備的作用能夠正常發(fā)揮。

4 結(jié)語(yǔ)

水電站是滿足社會(huì)供電需求的主要電力生產(chǎn)方式之一，在社會(huì)經(jīng)濟(jì)迅猛發(fā)展的背景下，人們對(duì)電力資源的需求量迅速上升，為滿足社會(huì)對(duì)電力資源的需求，可以在明確水電站具體情況的基礎(chǔ)上，開(kāi)展水電站電氣主接線設(shè)計(jì)優(yōu)化工作，切實(shí)滿足水電站發(fā)電、供電工作的需要，為電力行業(yè)的健康發(fā)展、社會(huì)經(jīng)濟(jì)效益的穩(wěn)定增長(zhǎng)提供支持。