卡基娃水电站电气一次设计技术特点浅析

2019-06-12温凤香罗晓雪

水电站设计 2019年2期

李强，温凤香，罗晓雪，李伟

(1.中国电建集团成都勘测设计研究院有限公司，四川成都 610072；2.国家电网辽宁省电力公司，辽宁沈阳 110004)

0 前言

水电站电气一次接线、电气设备等的选择能够在很大程度上影响到发电工作的效率和具体工作模式，是发电、供电工作中的重要组成部分。作为发电系统主体的一次系统需要承载着高电压与大电流，在一次系统设计中各个结构的选择与设计都关系着整个电站电气系统的可靠性与安全性。设计水电站电气一次系统时需要格外注意一次系统中各个部分，如发电机、发电机电压母线、发电机出口断路器、变压器、高压开关设备、厂用电系统变压器、开关柜、电缆等，同时须注意整个系统结构是否科学合理，只有通过详细计算与分析，才能够保证整个系统正常运行。水电站电气一次系统设计是电站运行期正常发电的基础，在设计时需要进行必要、详细的研究。

本文根据接入系统的要求，结合卡基娃水电站自身特点，确定电气一次接线方案后，在该电气主接线设计方案的基础上，通过短路电流计算，对该水电站主要电气设备进行选择，论述了该电站电气一次系统设计的主要技术特点。

1 工程概况

卡基娃水电站位于四川省凉山州木里县境内的木里河干流上，电站采用混合式开发，地面厂房。电站总装机容量452.4 MW，其中主电站装设4台110 MW立轴水轮发电机组，生态小电站装设2台6.2 MW卧轴水轮发电机组，另有上通坝电站和无量河梯级电站接入。主厂房的安装间位于主机间右侧，电站升压站布置在主厂房下游侧的建筑物内。接上通坝的220/500 kV升压站布置在主厂房上游侧的建筑物内。无量河梯级电站接入的220/500 kV升压站布置在进厂公路侧。进厂公路自安装间下游侧进厂，厂前设回车场。

2 接入系统及电气主接线

2.1 电站接入系统

根据卡基娃水电站接入系统报告及其审查意见，卡基娃电站接入系统采用500 kV和220 kV两级电压出线，其中500 kV出线1回至木里500 kV变电站，送电距离约60 km，另预留1回；220 kV最终出线4回，初期1回至上通坝电站，送电距离约30 km，远期2回至上游(无量河)梯级电站，平均送电距离约50 km，另预留1回。可见，卡基娃电站将作为区域水电站的汇集站在电网中运行。

根据卡基娃生态电站接入系统报告及其审查意见，卡基娃生态小电站采用35 kV一级电压，通过1回35 kV线路接入卡基娃升压站500/220/35 kV联络变压器的35 kV侧，送电距离约6 km，另预留2个35 kV出线间隔场地。

2.2 电气接线

电气主接线主要根据本电站装机台数、接入系统对本电站送出回路数，并考虑电站运行的安全性、可靠性、灵活性及接线的简单、清晰性及合理性等，对电站各种可能的电气主接线进行技术经济比较，选出电站适合的最优方案。卡基娃水电站电气主接线为：发电机与主变压器的组合方式采用扩大单元接线；装设发电机出口断路器；550 kV 升高电压侧采用双母线接线；上通坝接入卡基娃的220 kV侧采用线路变压器组；无量河梯级电站接入卡基娃的220 kV侧采用单母线接线；生态电站接入卡基娃大电站的35 kV侧结合厂用电系统也采用单母线接线”。卡基娃电站的电气主接线情况如图1所示。

图1 电气主接线示意

3 短路电流计算

根据接入系统资料，系统归算至本电站500 kV母线侧阻抗、线路参数、以及电站变压器、发电机的阻抗进行计算，各短路点的短路电流计算成果见表1。

表1 各短路点的短路电流计算成果

4 主要电气设备选择

电站主要电气设备选择原则为在满足正常运行、短路和过电压等各种要求的前提下，结合电站的自然环境条件，选择有成熟运行经验、技术先进、安装运行维护方便和经济合理的产品。由于电站厂址海拔约2 600 m，所有电气设备均选择高原型产品。电站的基本地震烈度为Ⅶ度，电气设备选型时按照Ⅷ度选择设计抗震型产品。

4.1 水轮发电机

水轮发电机选取4台套竖轴悬式、密闭自循环空气冷却器冷却、三相凸极同步水轮发电机，型号为SF-J110-18/6250，额定功率110 MW，额定容量122.2 MVA，额定电压13.8 kV，额定电流5 113 A，额定功率因数0.9(滞后)，额定频率50 Hz，额定转速333.3 r/min，飞逸转速555 r/min，定子接法为2Y接，额定励磁电压183 V，额定励磁电流1 275 A，励磁方式为静止晶闸管励磁，旋转方向为俯视顺时针，额定点效率不低于98.5%(保证值)，转子转动惯量GD2为3 250 t·m2，直轴同步电抗Xd为1.02(标么值)，直轴超瞬变电抗Xd″饱和值为0.20(标么值)，交轴同步电抗Xq不饱和值为0.67(标么值)，交轴超瞬变电抗Xq″不饱和值为0.23(标么值)，励磁绕组短路时定子绕组时间常数Ta为0.32 s，发电机总质量459 t。

4.2 500 kV变压器

主变压器布置在主厂房下游侧的550 kV GIS楼下游侧(室外)，300 MVA自耦联络变压器布置在主厂房上游侧的252 kV GIS楼室内(两侧开敞)，750 kVA自耦变压器布置在厂房下游侧500/220 kV升压站内252 kV GIS楼室内(三侧开敞)。综合考虑卡基娃电站内500 kV各容量变压器采用组合式三相变压器、单相变压器组和现场组装三相变压器的可能性，根据电站设备招标时对外公路运输重量不超过100 t的对外运输条件限制，并兼顾方便运行，变压器结构型式应统一，最终选择卡基娃500 kV变压器均为现场组装三相变压器。根据各变压器的布置情况，变压器最终冷却方式选定为OFAF。

500 kV主变压器选定为户外油浸组合式三相双绕组铜线圈强迫油循环风冷电力变压器，型号为SFP10-JT-250000/500，额定容量250 MVA，额定频率50 Hz，额定变比550/13.8 kV，阻抗电压13.6%，冷却方式为OFAF，联结组别YN、d11，中性点接地方式为直接接地，从工厂至现场最大运输重约 39 t。

上通坝接入卡基娃的300 MVA自耦联络变压器选定为户内油浸现场组装式自耦三相铜线圈强迫油循环风冷电力变压器，型号为OSFP10-JT-300000/500，额定容量300 MVA，额定频率50 Hz，额定变比550/242/38.5 kV，阻抗电压分别为高中14%、高低50%、中低35%，冷却方式OFAF，联结组别YN、a0、d11，中性点接地方式直接接地，从工厂至现场最大运输重约39 t。

无量河上游梯级电站接入卡基娃水电站部分属于本电站二期工程，采用容量为750 MVA的自耦联络变压器，现场组装式，布置在厂房尾水下游侧的220/500 kV的升压站内。具体参数待二期工程技施时招标完成后确定。

4.3 高压配电装置

根据电站枢纽布置，电站地处高山峡谷，地势陡峭，并综合考虑地震条件，550 kV和252 kV配电装置选择采用SF6气体绝缘金属封闭开关设备(GIS)。500 kV出线场布置在下游550 kV GIS楼顶，220 kV出线场布置在上游252 kV GIS楼顶。

550 kV GIS布置在下游550 kV GIS室内，型号为ZF8A-550，额定电压550 kV，额定电流3 150 A，额定短时耐受电流(有效值，3 s)63 kA，额定峰值耐受电流171 kA，断路器额定开断电流63 kA，断路器、隔离开关、快速接地开关、检修接地开关的操动机构均为电动/手动，额定绝缘水平(在电气设备运行地点需达到的参数)：雷电冲击耐受电压(峰值)相对地为1 675 kV，断口间为1 675+450 kV，1 min工频耐受电压(有效值)相对地为740 kV，断口间为740+318 kV。

252 kV GIS布置在上游252 kV GIS室内，型号为ZF9-252，额定电压252 kV，额定电流2 000 A，额定短时耐受电流(有效值，3 s)50 kA，额定峰值耐受电流125 kA，断路器额定开断电流50 kA，断路器、隔离开关、快速接地开关、检修接地开关的操动机构均为电动/手动，额定绝缘水平(在电气设备运行地点需达到的参数)：雷电冲击耐受电压(峰值)相对地为1 050 kV，断口间为1 050+205 kV，一分钟工频耐受电压(有效值)相对地为460 kV，断口间为460+145 kV。

4.4 发电电压设备

发电机电压母线采用离相封闭母线，设SF6绝缘发电机出口专用断路器。

4.4.1 发电机出口离相封闭母线

发电机电压母线采用全连式离相封闭母线。厂用分支及励磁分支回路均采用离相封闭母线，以减少短路故障几率，提高运行可靠性。本电站离相封闭母线采用自然空气冷却方式，带热风保养防结露装置。

封闭母线额定电压13.8 kV，额定频率50 Hz，汇流母线、单元母线和分支母线的额定电流分别为12 500 A、6 300 A和630 A，相间距分别为1 350 mm、1 200 mm(机端出口处短段为1 100 mm)和1 350/1 200 mm，2 s额定短时耐受电流分别为125 kA、125 kA和160 kA，额定绝缘水平为雷电冲击耐受电压为125 kV、1 min工频干式耐受电压为 68 kV，防护等级均为IP54。

4.4.2 发电机出口断路器

根据发电机回路电流和电压参数，选用SF6型断路器。型号FKG1N，额定电压(最高运行电压UN)27.5 kV，额定频率50 Hz，相数为3相，运行地点需达到额定绝缘水平为雷电冲击耐压(1.2/50 μs)相对地100 kV，断口间115 kV，1 min 工频耐压(干试)为相对地53 kV，断口间63 kV，额定电流10 600 A，额定短时耐受电流(有效值/s)为120 kA/3 s，断路器系统源分断能力120 kA，额定峰值耐受电流为340 kA，断路器操动机构为弹簧，隔离开关和接地开关操动机构均为电动和手动。

4.5 厂用电系统设备

根据DL/T5186《水力发电厂机电设计规范》的相关要求，为提高主回路的可靠性，与离相封闭母线连接的2台高压厂用变压器均采用单相变压器组，与厂用分支离相封闭母线直接连接；其余变压器采用三相变压器。根据厂区枢纽布置情况，所有厂用电变压器均布置在户内，因此所有厂用变压器均采用了树脂浇注干式变压器。其中13.8 kV高压厂用变压器组和35 kV外来电变压器三相总容量均为2 100 kVA，10.5 kV变压器全部采用SC(B)13一级能效节能型产品。

本电站40.5 kV开关柜采用KYN61-40.5型户内金属铠装移开式开关柜，开关柜内装设HVX-40.5型真空断路器；12 kV开关柜采用UniGear ZS1型户内金属铠装移开式开关柜，开关柜内装设ABB VD4型真空断路器；厂用0.4 kV低压配电柜全部采用MNS 2.0型抽屉式低压配电盘，以提高厂用电的供电可靠性和缩短因检修停电的时间。

在厂内设有1 台在电站使用地点出力不小于400 kW 的柴油发电机组作为保安电源，当电站所有正常交流电源失去时，启动柴油发电机组，为电站水轮发电机组和渗漏排水泵等提供应急供电电源。

5 生态电站

生态电站的电气主接线为：发电机为卧式机组，型号为SFW6200-8/2160，出口电压为6.3 kV，每台发电机出口设置发电机断路器，两台发电机组成扩大单元接线，经主变压器升压至35 kV，35 kV侧为单母线接线，出线共4回35 kV出线，其中1回至卡基娃首部大坝，1回经约7 km后至卡基娃大电站厂房，另2回预留备用。

发电机额定电压为6.3 kV、额定电流约702 A，发电机出口采用ZB-YJVD-8.7/15 kV，1×500 mm2型单芯电力电缆，发电机出口断路器选择额定电流为1 250 A，额定短路开断电流为40 kA的真空断路器，主变压器额定容量16 000 kVA，连接组别Y、d11，冷却方式ONAN，阻抗电压Uk为8%，主变中性点不接地，安装在户外。

6 主要技术特点

卡基娃水电站电压等级多，本电站含有500 kV、220 kV、35 kV、10 kV、6.3 kV及0.4 kV等主要电压等级，涵盖了500 kV以下、除110 kV以外的各种电压等级，因此本电站的电气接线相当复杂。

由于对外运输条件的限制，兼顾投产后运行维护的便利性，本电站500 kV变压器统一结构型式变压器只能采用现场组装变压器。本电站海拔约2 600 m，在如此高海拔条件下同时完成多台500 kV常规三相变压器和自耦变压器的现场组装，在国内水电站建设中少见。

本电站升压站为本区域内的枢纽变电站，除满足电站机组送出的需求外，还兼顾了本区域内上通坝、上游无量河梯级等其它多个电站的送出。鉴于目前国内220 kV及以下送出线路一般由项目业主承担自行建设、系统变电站由电网公司承建，本电站若只按自身装机容量考虑，采用220 kV电压等级送至系统即可满足要求，因此在本电站内设置500 kV枢纽变电站，既为电站业主节省了220 kV送出线路的投资，又为电网公司节省在本区域内建设220 kV变电站的投资。

卡基娃水电站厂区地处深山峡谷，枢纽布置紧凑，且电站所在地区为高土壤电阻率地区，出线电压等级为500 kV，对接地阻抗要求较高。为满足相关规范对接地阻抗的要求，除利用厂房底板、尾水渠敷设接地网及引水隧洞末端的压力管道作为接地体外，还利用调压井前的部分引水隧洞敷设了接地网，同时在尾水沿岸增设深井接地井。上下游侧GIS楼周边及下游尾水平台路面铺设厚度不小于50 mm的沥青路面，并进行接触电势差、跨步电势差实测，确保接触电势和跨步电势满足相关规范的要求。