东庄水电站发电机电压配电装置选择布置分析

宋 蕊，梁春龙，王 帅

（陕西省水利电力勘测设计研究院，陕西 西安 710001）

0 引言

东庄水利枢纽工程坝址位于泾河干流,距西安市约90 km。水电站为地下式厂房布置，电气设备均位于地下主、副厂房内，其中发电机电压配电装置集中布置在主厂房与主变室之间的母线洞内，密度高且布置复杂。母线洞由于受到厂房开挖和岩石稳定性的限制，电气设备布置场地非常有限。因此，发电机电压配电装置的选择和电气设备布置的合理紧凑，在水电站电气设计中值得重点分析。

1 工程概况

泾河东庄水利枢纽工程是陕西省实施西部大开发战略、加快关中经济区发展的重大水利项目。工程开发任务为：以防洪减淤为主，兼顾供水、发电、改善生态等综合利用。东庄水电站为引水式地下厂房结构，装设4台混流式水轮发电机组，总装机容量110 MW（2×35 MW+2×20 MW），年均发电量为2.85亿kW·h，装机年利用小时为2592 h。35 MW的机组按日调峰4 h～6 h运行，20 MW的机组按日20 h～18 h运行，按生态基流、工业供水流量、灌溉流量以及弃水流量进行发电。

电站以110 kV一级电压接入电力系统，110 kV出线2回，以110 kV同塔双回架空线路“π”接入110 kV淳西变—东庄变线路中的一回，形成淳西变—水电站升压站—东庄施工变—淳西变环网。

电气主接线形式采用扩大单元+扩大单元，具有接线简单清晰，运行维护便利，设备数量较少，任何一台机组停机时不影响厂用电源供电，继电保护配置清晰简单，便于实现自动化，具有投资较少等优点。接线图见图1。

图1 东庄水电站电气主接线图

2 发电机电压配电装置选择与布置分析

2.1 发电机电压配电装置选择

2.1.1 短路电流计算

根据电力接入系统参数，东庄水电站的最大运行工况下短路电流计算结果见表1。

表1 三相短路电流计算结果表

短路类型 短路点 分类 短路电流（kA）厂用变T1低压侧周期分量（kA）（t=0 s）三相短路发电机G1、G2供 25.16系统及G3、G4供 34.15合计 59.31厂用变T2低压侧周期分量（kA）（t=0 s）发电机G3、G4供 14.38系统及G1、G2供 21.96合计 36.34 110kV母线周期分量（kA）（t=0 s）发电机G1～G4供 4.9系统供 10.245合计 15.145

由表1可以看出，每台发电机端最大的短路电流由其他发电机及系统供给，最高达46.73 kA，其直流分量达42.4%，厂用变最大短路电流来自发电机及系统侧，高达59.31 kA。

2.1.2 发电机断路器选择

根据短路电流计算结果，发电机端短路电流较大且直流分量较高，在扩大单元回路接线的发电机出口处装设专用的发电机断路器。

目前，发电机断路器有六氟化硫和真空型两种结构。SF6断路器的灭弧和绝缘性能优越，但体积大、价格较高、维护工作量大。真空断路器具有较高可靠性、体积小、寿命长、价格较便宜、维护工作量小等优点。由于发电机断路器柜布置在地下厂房母线洞内，布置场地空间紧张，真空断路器在参数性能上完全能满足作为发电机断路器的要求，且柜体尺寸小。选用真空型发电机断路器，短路开断电流50/63 kA。

2.1.3 发电机中性点设备

根据已建成电站统计资料表明，发电机单相接地故障在发电机运行事故中所占比例最大。发电机作为水电站的核心设备，合理选择其中性点接地方式，对保证发电机的安全运行尤为重要。

发电机定子绕组发生单相接地故障时，接地点流过的电流是发电机本身及其引出回路所连接元件的对地电容电流。经计算，35 MW发电机的对地电容电流为2.5 A，20 MW发电机的对地电容电流为1.9 A。选择经配电变高电阻接地的接地方式可以在发电机内部发生单相接地故障时瞬时切机，可减小发电机故障范围。经配电变高电阻接地的接地方式优点如下：

（1）限制接地故障电流值，减少谐波过电压，保证接地故障时立即跳闸停机。（2）故障后，发电机立即脱网，提高发电机运行的可靠性。（3）过电压倍数不超过2.6倍相电压，使过电压限制在发电机绝缘水平允许的范围之内。

经计算，20 MW发电机二次侧电阻值1.4Ω，35 MW发电机二次侧电阻值1.1Ω，因此选择接地变压器一次侧电压二次电压0.22 kV，额定容量20 kV·A。

2.1.4 大容量快速开关

根据短路电流计算结果，厂用变分支短路电流高达9.31 kA，会导致厂用变及隔离变的爆炸事故，加之断路器实际开断时间约0.06 s，在短路故障切除以前，主机、主变都将受到周波短路电流的冲击，这势必会损坏设备。因此，在两台隔离变高压侧加装大容量快速开关装置与真空断路器配合使用（简称FSR）。

载流桥体FS在短路故障时快速分断，短路电流流入高压限流熔断器FU中熔断，过电压限制在设备允许的2.5倍相电压以内，在非线性电阻FR中快速衰减。短路电流只上升到预期短路电流峰值的1/5至1/10。

因此，采用大容量快速开关确保了分断短路电流的快速性和限流性，使发电机回路的电气设备免受短路冲击，并限制了操作过电压，延长断路器的使用寿命，降低设备的成本且安装维护方便。

2.2 发电机电压配电装置的布置

电站厂房采用地下厂房型式，主厂房、主变洞、尾水闸室按典型的三洞室型式布置。主厂房发电机层至主变洞之间设置发电机电压母线洞，每两个水轮机组单元分别对应1条母线洞，发电机母线洞设置与发电机层、主变压器室同层。

地下厂房内电气设备布置在满足电气运行要求的前提下主接线尽量简化，便于电气设备的布置。电气设备布置紧凑，减少土建开挖，节省工程投资。

2.2.1 母线洞单层布置

发电机电压配电装置主要包括发电机出口断路器、励磁变、电压互感器避雷器柜、厂用分支大容量快速开关柜、电流互感器柜等。首先应根据电气设备自身特点组合并柜，减少设备数量。发电机断路器柜内包含断路器、避雷器、电流互感器等；发电机出口若干电压互感器可组柜；发电机出口电流互感器安装于发电机主引出线机墩壁处。由于发电机出口断路器选择为真空型，尺寸较小，机端电设备均采用XGN2-12固定柜型式，按机组单元一列式布置于主厂房下游侧单层母线洞内。

2.2.2 母线洞布置高程及尺寸

为了减少与水机预埋管道的交叉，避免电缆通道进入水轮机层开电缆沟从而影响涡壳混凝土保护层，将母线洞布置与主厂房发电机层同层。布置在母线洞内的发电机电压配电装置与主厂房发电机层同层，设备运输便利、值班人员巡视、观察方便。发电机电压配电装置的电缆沟与水轮机层电缆桥架之间方便连通。母线洞尺寸为30 m（长）×6 m（宽）×6.5 m（高），设备柜前预留3 m操作及搬运通道，背后通道为1.2 m。洞内设有电缆沟连通至全厂电缆沟（电缆桥架）。母线洞电气设备断面布置图见图2。

图2 母线洞电气设备断面布置图

3 结语

通过分析短路电流计算结果，确定了主接线采用扩大单元+扩大单元的形式，通过研究发电机电压配电装置内各个电气设备的性能和分析类似工程电气设备的应用情况，进行了发电机电压配电装置的型式及参数选择，优选了真空断路器、高电阻接地装置、大容量快速开关装置等电气设备。

发电机电压配电装置的布置结合地下厂房结构的特点，确定了母线洞单层布置方案，在确保发电送电安全可靠的前提下，减少了土建开挖投资，电气设备数量较少，设备的日常运行维护工作方便，体现了较优的经济、社会效益，为同类型水电站地下厂房发电机电压设备的优化设计积累了经验。