云南省万家口子水电站电气设计

李云龙

（吉林省水利水电勘测设计研究院，吉林长春130000）

1 工程概况

万家口子水电站装有两台水轮发电机组，单台机组容量为99 MW，机组额定电压为13.8 kV，功率因数为0.85（滞后），平均发电能力为7亿1 039万kW·h。每年利用有效利用小时数3 947 h。万家口子水电站通过220 kV输电线路与电网联结，出线回路数为1回，线路长度约为35 km，出线送至宣威220 kV变电所，输送容量为160 MW。坝顶变电所布置在大坝顶上右岸回车场旁边，变电所内布置2台干式变压器和6面低压配电屏。2台变压器各带一段低压母线，高压电源从厂内不同的两段10 kV母线引接，通过两根10 kV电力电缆沿电缆沟分别引至坝顶变电所。

2 水电站电气主接线

根据万家口子水电站的装机台数、单机容量和电力系统运行方式等，将两台99 MW发电机组分别与两台SF11—120MVA/220 kV电力变压器，构成发电机-变压器组单元接线，每台机组的机端各设1台型号为SCB10-2000 kVA/13.8 kV的高压厂用变压器，220KV侧采用单母线接线方式。

3 水电站继电保护配置

保护设置的原则依据相关规程、规范的规定，电站发电机组、变压器、220 kV输电线路等均采用微机型保护装置。安全自动装置将依据电力系统的要求进行设置。

3.1 发电机保护

发电机差动保护，是比较发电机定子绕组两侧电流的大小和相位来区分内部或外部故障，保护范围除发电机外，还应包括引出线，保护瞬时动作于停机；复合电压闭锁过电流保护，反应发电机外部相间短路的保护，同时可作为主保护因故拒动或相邻元件的断路器失灵时的后备保护，其优点在于非对称短路时有较高的灵敏性，且灵敏性与变压器绕组的接线无关；发电机定子绕组过电压保护，当水轮发电机突然失去负荷或带时限切除电气距离不太远的外部故障时，由于定子绕组电枢反应和漏磁通的消失或减少，外部故障时强励装置动作以及考虑调速器可能动作失灵、转子速度上升等原因，使发电机的内部电势升高至危机定子绕组的绝缘而装设的定子过电压保护；发电机定子绕组过负荷保护，对由对称过负荷引起的发电机定子绕组过电流，应装设过负荷保护；励磁绕组过负荷保护，励磁电流超过设定值后带时限动作发信并减励磁；发电机转子一点接地保护应能承受并满足可控硅整流中所产生的高次谐波电压的作用，在电气上应采取相应的隔离措施，保护设备的耐压水平应不低于励磁绕组的耐压水平，保护延时动作于信号；发电机失磁保护，发电机失磁保护由静稳定边界阻抗元件、转子低电压元件、系统低电压（暂按机端低电压考虑）及发电机出口PT断线闭锁元件等组成，保护应能正确反应发电机励磁电流异常下降和励磁电流在发电机运行中完全消失的工况；发电机定子绕组接地保护装置应具有80%以上的三次谐波滤过比，基波及三次谐波出口应可独立投退，保护带时限动作于停机并同时发出发事故信号；发电机匝间短路保护，发电机匝间短路保护在双星型绕组中性线连线上装设专用的母线型电流互感器，即采用高灵敏单元件横差保护，保护装置瞬时作用于停机。

3.2 变压器保护

3.2.1 主变压器保护

主变压器差动保护是防御变压器线圈及其引出线的相间短路和绕组的匝间短路，保护瞬时作用于跳主变各侧断路器并发事故信号；变压器零序电流保护，变压器零序电流保护应能反应主变压器中性点接地运行时高压侧的单相接地短路，保护由两段构成，每段设两个时限，第一时限作用于主变高压侧解列及相应的信号；第二时限动作于跳开主变低压侧断路器；主变后备保护，复合电压闭锁过电流保护应满足主变压器作为升压变压器和降压变压器两种运行工况的要求；变压器瓦斯保护分为轻瓦斯保护和重瓦斯保护，轻瓦斯保护是指当变压器因内部故障产生轻微瓦斯时，保护应瞬时动作于信号，重瓦斯保护是指当变压器因内部故障产生大量瓦斯时，应瞬时动作于跳主变各侧断路器，保护应带有切换片，以方便可靠地将瓦斯保护投于跳闸或信号。

3.2.2 励磁变压器保护

电流速断保护；过电流保护；温度保护，温度高时作用于信号，温度过高时作用于发电机出口断路器跳闸、停机、灭磁及发事故信号。

3.2.3 机端高压厂用变压器保护

1）电流速断保护作为主保护，当保护作用于跳厂用变高压侧断路器时应经过大电流闭锁。

2）厂用变过负荷保护，保护测量机端厂用变高压侧电流，保护动作发信。

3）厂用变零序电流保护动作跳闸、发信号。

3.3 220 kV断路器保护

主变220 kV断路器保护装置应是微机型的。断路器保护装置中应包括失灵保护起动回路、充电保护。失灵保护起动回路应采用硬压板选择投退。经延时后通过母差保护跳开母线上的有关断路器并发“启动断路器失灵保护”信号。

3.4 低压厂用变压器保护测控装置

10.5/0.4 kV低压厂用变压器配置电流速断保护、过电流保护、零序过电流保护、过负荷。保护装置带操作箱，保护装置装于低压厂用变压器10.5 kV开关柜内。

3.5 10 kV及400 V分段兼备自投保护装置

备用电源自动投入装置，能在工作电源因故障被断开后自动且迅速地将备用电源投入，简称AAT，工作电源或设备上的电压，不论何种原因消失，除有闭锁信号外，自动投入装置应延时动作，万家口子水电站采用2套400 V自动备投装置（其中1套用于厂房，1套用于坝区）和3套10 kV厂区用电自动备投装置。10 kV母线装设2套进线备自投和1套分段备自投，当母线失电时首先启动分段备自投，分段备自投失败再启动进线备自投。厂区备投装置由保护厂家组箱安装，坝区备投装置安装坝区400 V联络开关柜上。自动备投装置应带有与电站计算机监控系统的数据通信口（RS485）及I/O信号输入、输出接点。

4 自动控制系统

万家口子水电站自动化内容包括机组及其附属机械设备和全厂共用机械设备的自动化、机组自动调速系统、发电机自动励磁、发电机自动同期和自动重合闸装置等。万家口子水电站监控系统由上位机（操作员工作站）、现地控制单元、以太网通讯接口、语音报警装置、GPS等构成。全站的控制均可在操作员工作站上完成，各种信息均可在操作员工作站上实时监视。现地控制单元脱离上位机可以独立运行。

5 励磁系统

在进行发电机励磁系统设计时，应根据发电机组的容量、电站的特点及电力系统的要求，与电机制造厂密切配合，合理选型，使得它既能适应发电机和电力系统运行稳定性和供电质量的要求，而又接线简单、经济可靠。励磁系统的首要任务就是维持正常运行的发电机电压接近恒定，同时，也对整个电力系统电压的稳定起着主导作用。因而，一个良好的励磁系统对电站，乃至整个电力系统的良好运行，都是十分重要的，而且可以有效地提高发电机及与相联的电力系统的技术经济指标。如提高稳定极限运行水平、降低电机参数要求等。万家口子水电站励磁方式采用微机式静止可控硅励磁。调节部分采用双微机调节器。调节器具有同微机监控的通讯接口，可将励磁系统的信息实时上送到监控系统，同时接受监控系统的投、切及调节指令。自动调节励磁装置在调节过程中应保证整个系统是稳定的。因为在调节过程中不论是调节装置本身还是励磁系统，在电磁和机械两方面都有惯性作用，即被调量不是一次到达新的稳定值，而是经过一个振荡过程才达到这个稳定值，自动励磁调整装置的调节过程应当是一个振荡衰减的振荡，而且调整时间应尽可能短，这样就能使系统稳定。

6 全厂接地设计

全厂设总接地网，接地装置应充分利用自然接地体及水下部分的钢筋网，将主、副厂房部分、尾水管道部分、引水压力管道部分、进水口建筑物及坝体部分形成统一接地网。鉴于电站周边地质均为岩石和鹅卵石,土壤电阻率高，为保证电站接地电阻值在任何季节不大于4 Ω，必须采取人工降阻措施。该阶段初拟采取ALG防腐离子接地体与降阻剂相结合的降阻方式，以满足接地电阻值的要求。

7 直流电源

自动装置和控制系统以及继电保护装置等是保证电站主电源安全可靠工作的装置。供给这些装置的工作电源，一般不应该取自主电源，而应另设独立电源，独立电源通常是蓄电池组，因此控制保护的工作电源系统称为直流系统，万家口子水电站选一套300 Ah铅酸免维护智能型高频开关电源装置，该电源同时兼作全厂的事故照明电源。

8 结语

总结万家口子水电站电气设计经验如下：

1）在设备选型上，必须采用正规生产厂家的产品。

2）设计中，设计部门必须同生产厂家密切配合，将每一具体问题落实准确，避免现场修改设计方案。

3）采用微机监控的电站工程，一定要配备先进的水机自动化元件。

4）把握住关键环节，对容易出现问题的部位严把质量关。

5）对于保护方式随运行方式改变的回路必须加装连接片，便于现场运行操作。