喀麦隆曼维莱水电站电气一次设计

梁帅成 衣得武

喀麦隆曼维莱水电站电气一次设计

梁帅成 衣得武

主要介绍曼维莱水电站接入系统、主接线方案，以及厂用电系统、主要电气设备选择、过电压保护和防雷接地等的电气一次设计，其中雷电过电压和接地系统分析计算分别采用ATP-EMTP和CDEGS等仿真软件效果显著。

水电站 接入系统 主接线 电气一次设计

喀麦隆共和国地处非洲中部，电网薄弱，电力缺口大，电能质量及用电体验差。曼维莱水电站工程建成后，可作为喀麦隆南方电网的骨干电站之一，向电网输送电力和电量，满足喀麦隆国民经济发展对电力和电量的需求。电站位于喀麦隆南部省内紧邻赤道几内亚的恩特姆河(NTEM)上，地处热带丛林地区。电站采用引水径流式开发，工程的主要任务是发电，电站装设4台立轴混流式水轮发电机组，总装机容量211 MW，单台发电机额定容量52.75 MW，年发电量为11.87×108kW·h，年利用小时数为5 626 h；主要水工建筑物包括拦河坝、左岸及右岸溢洪道、左岸引水发电系统等。其中左岸引水发电系统包括渠道进水口、进水闸、输水明渠、天然前池及其二道坝、电站进水口、压力管道、地面厂房、尾水明渠以及开关站、工程区永久交通道路等。

1 接入系统和主接线方案

1.1 接入系统

电站接入系统设计工作由业主委托法国科因公司负责，电站以225 kV一级电压接入系统，经2回225 kV架空线路接入当地EBOLOWA 225 kV变电站，线路长约133 km，采用ASTER 366 mm2导线。

1.2 电气主接线

1.2.1 发电机—变压器组合接线

发电机与主变压器有如下的组合方式：单元接线；扩大单元接线；联合单元接线。

扩大单元接线具有主变容量大、不利于设备运输的特点；同时机端短路电流过大；可靠性相对低：1台主变事故，造成2台机组停电。

联合单元接线具有高压(225 kV)设备少的特点，但主变压器高压侧需设置隔离开关，不便于主变场地的布置。2个发电机和变压器单元共用1个高压断路器器，可靠性相对单元接线略低。

单元接线具有接线简单清晰、可靠性高、运行灵活的特点。

最终实施方案采用一机一变的发-变单元接线，每台机组出口均设置发电机断路器。该组合方式与可研阶段方案基本一致。但在近区负荷设计中，可研阶段方案采用三线圈变压器，中压卷30 kV供近区负荷。实施方案单独设置1台SZ11-20000/225TH型变压器为近区负荷供电，增加供电可靠性。

1.2.2 225 kV开关站接线

225 kV侧采用双母线接线，带母联开关。225 kV设备采用户外敞开式布置，开关站内225 kV配电装置共分9个间隔，其中4个主变进线间隔，2个出线间隔，1个地区变间隔，1个PT间隔及1个母联间隔。详见图1。

1.3 厂用电系统

根据工程规模及供电范围，共设置5处供电区域。分别为厂房区域、开关站区域(距离厂房约220 m)、前池水厂区域(距离厂房约700 m)、渠首及主溢洪道区域(距离厂房约4.5 km)、辅助溢洪道区域(距离厂房约6.5 km)。

(1)电站厂用电采用11 kV和0.4 kV二级电压供电方式。11 kV供电系统采用单母线分段的接线形式。11 kV母线电源通过2台11/11 kV高压厂用隔离变压器分别取自电站1#～2#机端11 kV母线和3#～4#机端11 kV母线。由11 kV母线引接2台11/0.4 kV低压厂用变压器为0.4 kV厂用母线供电。0.4 kV供电系统采用单母线分段的接线形式。另再设1台725 kVA柴油发电机作为保安电源。

图1 电气主接线

(2)开关站设配电室，为开关站等周边负荷供电。2回电源取自电站11 kV厂用母线。通过11 kV电缆连接至开关站。另设315 kVA柴油发电机组1台作为保安电源。

(3)前池水厂设箱式变电站，为水厂等周边负荷供电。2回电源T接自电站至开关站11 kV电缆。

(4)渠首及主溢洪道设配电室，为渠首及主溢洪道等周边负荷供电。2回电源取自电站11 kV厂用母线。通过11 kV电缆连接至渠首及主溢洪道。另设210 kVA柴油发电机组1台作为保安电源。

(5)辅助溢洪道设箱式变电站，为辅助溢洪道等周边负荷供电。1回电源T接自电站至渠首及主溢洪道11 kV电缆。详见图2。

图2 11 kV厂用电系统图

2 主要设备选择

主要电气设备均采用国内成熟产品，所有电气高低压设备均应满足长期在湿热带的气候条件下安全稳定运行。主要设备的参数如下。

2.1 水轮发电机

发电机参数如下：

型号

SF52.75-36/8000

台数

4

额定功率/MW

52.75

最大出力/MW

68.27

额定电压/kV

11

额定电流/A

3257.2

频率/Hz

50

额定转速/(r·min-1)

166.7

额定功率因数

0.85(滞后)

2.2 主变压器

型号和型式SF11-70000/220TH(升压变压器)

冷却方式

ONAN

台数

4

额定容量/kVA

70 000

额定电压/kV

235±4×2.5%/11

阻抗电压/%

12.5

接线组别

YN,d11

调压方式

无载调压

2.3 发电机机压配电设备

2.3.1 共箱封闭母线

型号

BGFM-11/5000-Z

系统额定电压/kV

11

设备额定电压/kV

15.8

额定电流/A

5 000

额定频率/Hz

50

2.3.2 发电机断路器(真空断路器)

额定电压/kV

12

额定电流/A

5 000

开断电流/kA

50

关合电流/kA

137

2.3.3 厂用分支成套设备

厂用真空断路器主要参数如下：

型式

真空断路器

额定电压/kV

12

额定电流/A

1 250

开断电流/kA

31.5

限流熔断器

FUR-12/250

2.4 站用变压器

型号和型式

SC10-2000/11

额定容量/kVA

2 000

额定电压/kV

11±2×2.5%/0.4

阻抗电压/%

6

接线组别

D,yn11

调压方式

无载调压

2.5 厂用高压变压器

型号和型式

SC10-3150/11

额定容量/kVA

3 150

额定电压(线电压)/kV

11±2×2.5%/11

阻抗电压/%

8

接线组别

Y,d11

调压方式

无载调压

2.6 地区变压器

型号和型式

S11—20000/225TH

冷却方式

ONAN

台数

1

额定容量/kVA

20 000

额定电压/kV

235±2×2.5%/30

阻抗电压/%

13.5

接线组别

YN,d11

调压方式

有载调压

2.7 225 kV配电装置

2.7.1 断路器

断路器型号或型式 LW25-252/LW25A-252

断口数

1

额定电压/kV

252

额定频率/Hz

50

额定电流/A

4 000

额定工频1 min耐受电压：

断口/kV

460+145

对地/kV

460

断口/kV

1 050+200

对地/kV

1 050

额定短路开断电流交流分量有效值/kA

50

额定峰值耐受电流/kA

125

额定短路关合电流/kA

125

额定短时耐受电流及持续时间/(kA·s-1)

50/3

2.7.2 隔离开关

额定电压/kV

252

额定频率/Hz

50

额定电流/A

2 000

额定工频1 min耐受电压：

断口/kV

460+145

对地/kV

460

断口/kV

1 050+200

对地/kV

1 050

额定峰值耐受电流/kA

100

额定短时耐受电流及持续时间：

隔离开关/(kA·s-1)

40/3

接地开关/(kA·s-1)

40/3

3 主要设备布置

3.1 主变压器布置

电站共设4台主变，单台容量为70 MVA。依次布置在主厂房上游。主变压器之间设置防火墙。主变下设集油坑，油坑外缘大于主变外廓1 m，坑内铺设不小于250 mm厚卵石层，集油坑内设有排油管可将集油排至主变事故油池内。主变通过搬运轨道运输，可以运至厂房安装间进行检修和维护。

主变高压侧通过约350 m的架空线路与225 kV户外开关站相连。

3.2 机压配电设备布置

发电机电压母线采用不隔相共箱封闭母线，用于发电机与11 kV开关柜及11 kV开关柜与主变压器之间的连接。发电机断路器、电压和电流互感器、PT避雷器等均内置在11 kV开关柜内。11 kV开关柜、高低压厂变、隔离变、励磁变压器及低压配电柜均布置在主厂房发电机层上游侧的副厂房配电室内。

3.3 电缆布置

主厂房高程338.6 m楼板下设置电缆桥架，主厂房上下游侧每个机组段设置电缆竖井，电缆敷设通道贯通全厂。主厂房上游副厂房高程331.0 m设置电缆层，与各主要配电盘柜、箱之间采用桥架和支架作为电缆通路，发电机层两侧机旁盘下设置电缆沟，与上下游电缆竖井连通。厂房区域户外设置直通到电站进水口、二道坝及开关站的电缆沟，作为厂用电系统供电电缆敷设通路。

3.4 225 kV户外开关站

225 kV户外配电装置设备主要包括：SF6断路器、隔离开关、电流互感器(CT)、电压互感器(PT)、避雷器等。开关站电气设备采用户分相外中型布置，构架挂线点高度为15 m，母线采用地面支持式管型硬母线，母线高度为9～9.5 m。各设备之间的连接采用钢芯铝绞线。开关站大小：161.5 m×87.05 m(长×宽)，布置距离厂房约150 m。开关站内225 kV配电装置共分9个间隔，其中4个主变进线间隔，2个出线间隔，1个地区变间隔，1个PT间隔及1个母联间隔。

4 过电压保护及接地

4.1 过电压保护装置配置方案

本工程应用ATP-EMTP软件及暂态网络分析仪——TNA(Transient Network Analyzer)的物理模拟方法进行过电压仿真计算分析。

(1)主变压器高压侧设置氧化锌电站型避雷器。

(2)225 kV户外开关站进及出线处，装设225 kV氧化锌避雷器。

(3)主变压器中性点固定接地。

4.2 直击雷保护装置配置

(1)每回架空出线上均装设避雷线对其进行直击雷保护。

(2)枢纽所有建筑物均按规范要求进行防雷保护，户外建筑物顶部设置避雷带。

4.3 接地系统

本工程接地系统采用软件CDEGS进行建模仿真分析设计。

厂区接地系统由厂房、尾水、开关站、电站进水口、前池、水厂及泵房接地网相互连接组成了一个整体的接地系统。水平接地导体采用60 m×8 m镀锌扁钢，垂直接地体采用∠63 mm×63 mm×8 mm镀锌角钢，长度L=2.5 m。

接地体与各类门槽、栏杆扶手、爬梯、门机轨道、金属管道、电缆支架、围栏以及设备基础等的金属构件可靠连接。

(1)主厂房区域的水平接地网铺设于313 m高程的开挖面与混凝土之间，垂直接地体埋入底部土壤或基岩中并在其周围回填黏土，接地网尺寸约为120 m(长)×39 m(宽)，网孔尺寸约为20 m×20 m。主变平台区域的水平接地网铺设于347 m高程地面以下约0.8 m深的回填土中，垂直接地体埋入底部土壤或基岩中并在其周围回填黏土，接地网尺寸约为90 m(长)×25 m(宽)，网孔尺寸约为10 m×10 m；副厂房区域的水平接地网铺设于336.6～346.8 m高程混凝土垫层上，垂直接地体埋入底部土壤或基岩中并在其周围回填黏土，接地网尺寸约为46 m(长)×93 m(宽)，网孔尺寸约为10 m×10 m；尾水区域接地网铺设于开挖面与混凝土之间，垂直接地体埋入底部土壤或基岩中并在其周围回填黏土接地网尺寸约为100 m(长)×80 m(宽)，网孔尺寸约为20 m×20 m。

(2)开关站区域水平接地体铺设于395 m高程地面下0.8 m深的土壤中，垂直接地体埋入底部土壤或基岩中并在其周围回填黏土，接地网尺寸约为157 m(长)×83 m(宽), 网孔尺寸约为5 m×5 m；电站进水口底层接地网敷设于371～376 m高程的开挖面与混凝土之间，垂直接地体埋入底部土壤或基岩中并在其周围回填黏土，尺寸约为88.7 m(长)×25 m(宽)，网孔尺寸约为20 m×25 m，进水口计算水深为10 m。电站进水口引渠接地网敷设于开挖面与碎石层之间，尺寸约为197 m(长)×77 m(宽)，网孔尺寸约为50 m×50 m。

(3)前池内接地网水下部分敷设在前池地表，水深为10 m，并在接地体上覆盖5～10 cm厚的黏土及碎石，接地网尺寸约为350 m(长)×200 m(宽)，网孔尺寸约为50 m×50 m；在二道坝坝顶电缆沟内及上游侧坡脚的回填区域内各设置1根接地扁钢，这两条接地导体每间隔约100 m通过敷设在上游侧坝坡的接地扁钢相互连接，并且与前池接地网相互连接，二道坝水深为10 m。

接地系统计算结果如表1。

表1 接地系统计算结果

5 结 语

曼维莱水电站工程地处非洲，工程业主工程师为法国科因公司，工程师对电气一次设计要求严格，要在满足国际标准的情况下，在开关站225 kV设备布置、过电压保护及接地系统设计、厂用电系统设计等方面又提出非常规及苛刻的设计要求，设计人员就相关设计原则及标准与工程师多次沟通探讨，在保证工程安全的前提下双方均有妥协。此类工程设计模式给设计人员带来很多超出预想的困难，本文不能一一详述，仅此文供大家批评指正，共同探讨。

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1007-6980(2017)03-0050-04

梁帅成 男 工程师 中水北方勘测设计研究有限责任公司 天津 30222

衣得武 男 工程师 中水北方勘测设计研究有限责任公司 天津 30222

2017-07-11)