西藏林芝冰湖五级电站电气设计的影响因素

陈志仙

（福建安澜水利水电勘察设计院有限公司，福建 龙岩 364000）

林芝县冰湖五级水电站位于林芝县八一镇内，距离八一镇约6.5 km，系尼洋河左岸支流八及曲河上的梯级水电站，设计装机容量3×7000 kW。电站主厂房地面高程3150 m，布置3 台混流卧式水轮发电机组，副厂房布置于主厂房上游侧，设有两层，底层副厂房高程3144.00 m，主要布置水力机械辅助设备，上层副厂房高程3150 m即地面层，布置有高压开关室、励磁变室、中央控制室、厂用低压配电室；电缆敷设于该层楼板下，高压开关柜通过电力电缆敷设在电缆沟至户外变压器。

电站建成后，从电站电气专业设计角度总结，高海拔地区和西藏特有的电网要求，在电站的一次设备选型、布置和二次自动化通信方面，有着和平原地区及南方水电站以下不同的多个方面要点。

1 设备选择与布置

根据《电力工程电气设计手册（电气一次部分）》，海拔高程超过1000 m 的属于高原地区，冰湖五级电站位于海拔3150 m以上的高程。

因此高海拔地区的水电站的电气设备的外绝缘需要根据海拔高度进行修正，为了使高海拔地区的电气设备具有足够的耐击穿能力，必需增大设备相间的空隙间隙即A1值和设备绝缘子的爬电距离，所谓的高原型设备就是厂家根据海拔高度来进行修正计算后的技术参数高于标准气象条件的设备参数。根据《交流电气装置的过电压保护和绝缘配合》规范中附录D 外绝缘放电电压的气象条件校正公式，即标准气象条件下的放电电压是海拔3150 m的放电电压的1.49倍。

冰湖电站发电机机端出线为6.3 kV，根据现行的产品标准化的要求，发电机6 kV机端配电设备的技术参数与10 kV 电压等级的是统一标准，开关设备绝缘基本采用统一等级，前面气象条件修正后计算结果，用10 kV电压等级的常规KYN28开关柜来布置冰湖五级电站的发电机机端配电装置显然绝缘等级不够。高海拔气象条件的变化，影响了开关柜内真空断路器的外绝缘，开关柜内电流、电压互感器及绝缘子套管等的相间距离和绝缘爬距，以及因为散热差降容使用引起的母线规格增大，这些增强绝缘等级和降容措施都将使柜内元件及开关柜本体的外形尺寸变大，导致高压开关室布置的空间也需要加大，设备的操作通道也增大。因此在施工设计阶段，开关柜订货时须根据计算成果跟制造厂家提出必要的技术要求，采用高原型产品。实际上很多开关柜厂家没有研发针对各海拔高度的高原型标准设备，这时需要根据制造厂家提供的技术参数选择更高一个电压等级的开关柜，例如20 kV 等级的高压开关柜。在水电站电气副厂房布置设计时，需要提前校核业主意向的设备厂家的高原型开关柜或者高一个绝缘等级的高压开关柜的外形尺寸，给高压开关室留出足够的布置空间和操作廊道，以免影响后期的运维通道。同样低压设备和变压器的外绝缘也各自影响着低压屏和变压器的外形尺寸，设计应该足够重视由于设备外形尺寸增大而引起的布置空间的增大，而不能凭经验采用布置普通型高低压屏柜的设计参数。

2 110 kV升压站的布置设计

施工阶段比较了110 kV升压站的布置型式，主要比较户外常规中型布置方式和户外GIS 与户内GIS全封闭组合电器3种布置方式，冰湖五级电站地处高海拔，空气较为稀薄，日夜温差大、日照强，紫外线强，较为恶劣的气候直接影响了电气设备的外绝缘的老化和损坏；同时该电站所在地区秋冬季节风沙大，风沙会腐蚀和覆盖布置于户外的隔离开关及裸露在外面的电气设备的触头，使触头元件接触不良，触头电阻加大和散热变差；考虑在高海拔偏远的地区专业检修费用也较高，而且往往在最恶劣的天气情况下，最容易发生电气设备故障，检修人员和检修工作很难及时到位快速展开，综上因素，户外裸露带电部分的设备布置方式，不适宜在恶劣的环境因素下使用，设计不推荐户外敞开式的中型布置方案。

进一步对比较户内和户外GIS 全封闭式组合电器设备进行经济技术比较，通过与国内GIS 制造厂家技术咨询，大型厂家具有针对高原型的成套GIS设备，冰湖五级电站的厂区具有足够的户外空间，林芝地区土建三材成本较高，比较了户内GIS 室的土建投资和户内外GIS 的设备差价，最后选定户外GIS 布置方案,在经济上优于户内设备，采用的户外封闭组合电器，在检修和巡视上都减轻了很大的工作量，供电的可靠性也得到保证。

冰湖五级电站处于高海拔寒冷地区，GIS 组合电器还应向制造厂家提出附加电热加温装置，防止SF6气体液化。在布置上除了对设备的外绝缘引起的设备间距和布置空间的变化外，针对冬季，电站110 kV变压器和出线杆塔的带电部分对地距离也是需要考虑的一个重要因数，设计前期针对电站所在地的降雪厚度和冻土深度进行调查和勘察，对电站50 年一遇的积雪厚度资料进行收集，根据历年的气象资料，降雪厚度30～50 mm和冻土深度140 mm不会引起户外出线杆塔带电部分对地高度和接地带的埋深情况。

3 厂用负荷的统计

冰湖五级电站地处高海拔地区，在冬季的寒冷天气，也是枯水季节，电站的机组常处于部分机组停机的状态，发电机的发电时产生的热风不足以供厂房内取暖用，须在厂房内设置采暖设施和厂外的电热除冰设施，厂用电负荷统计时，要根据四季变化的负荷取可能出现的最大的负荷，本电站在冬季一台机组检修，另两台运行时，同时投入取暖设备时厂用负荷达到最大，其中加热采暖设备的负荷达到了平时厂用电负荷的20%，因此选用的厂用变压器容量根据冬季采暖加热的最大负荷而扩容20%。

4 关于接入系统设备的布置

西藏电网主要以220 kV电压等级为主网架，通过+400 kV 的直流线路将原来孤网运行的西藏电网和西北电网相连，电网存在主力电源出力占比大，因此存在“大直流、小电网、大机小网”的现象，骨干环网构架依然薄弱，光伏风电等新能源的接入对电网安全稳定运行的影响越来越大，由于电网负荷特性和电源出力特性不匹配，电源点的接入需要着重保障电网的稳定性，所以冰湖五级电站的接入系统安全稳定装置，相比同规模接入国网框架建设现代化地区的水电站，对西藏电网稳定性的影响作用更大，在安稳控制和调度自动化装置的软件和硬件配置要求更高，系统要求了更多的安稳设施和调度自动化设备。

根据西藏电网的双平面建设，冰湖五级电站需要配置两套的电力调度数据网接入设备，并配置1套安全防护设备。

为了实现西藏电网实时动态安全监测，电站内应设置一套相量测量装置（PMU），用于测量110 kV线路的三相电压、三相电流等相量。

系统要求电站配置安全自动化装置，根据电网运行的方式，如果直流换流站闭锁或者接入系统的林芝中心变的联络线故障，为电网稳定运行，接收系统发来的切除冰湖五级站的机组（高周高压切机），设置了安全稳控主机柜和从机柜。

电网要求电站配置一套针对110 kV电压等级的故障录波装置，同时全站还要求配置1 套独立的保护故障信息管理子站，把电站110 kV线路保护、发变组保护、故障录波等装装置的保护信息接入该管理子站，并通过调度数据网通道远传至区调主站系统。

电站需要配置1 台安全Ⅲ区工作站，具备调度运行、保护、自动化参数设置、调度两票管理等功能，采用2 Mbit/s专线与各级调度主站交换信息。

系统通信方面，电站采用双光纤通信电路，需要配置1 台SDH 622 Mbit/s 光传输设备，配置一套PCM脉冲编码调制设备供调度电话使用。

冰湖五级电站的装机规模属于小水电，与南方接入构架坚强的国网系统的同规模小水电相比，西藏电网要求电站配置的安稳装置和调度自动化装置要求更高，通信更加可靠紧密，这些装置使电站厂内、外通信电源的容量也增大，联络各子站的布线柜也增加。冰湖五级水电站接入系统方案是由另一家当地设计院设计，在施工设计前期，这些有关系统安稳装置的屏柜和通信设备还没有订货，为不致引起电气二次设备布置空间不足而影响土建专业的设计，与接入系统设计单位充分沟通、紧密联系，根据既有电站的安稳、通信远动设备，确定屏柜的布置方案，留出适当的备用屏位置，冰湖五级电站设计继电保护屏和安稳装置、远动通信屏统一布置在中央控制室，电站部分继电保护屏柜和安全稳定、远动通信屏柜分列布置，设计后期阶段统计这些安稳远动通信屏比国网片区同规模水电站多增加了5面屏，中央控制室需要更大的布置空间。

5 变压器油的选择

由于受高原地区空气稀薄、对流减弱的影响，变压器的允许温升受到影响，根据历史数据，冰湖五级电站所在地最低气温达到-15.3 ℃，同时由于电站水库是日调节水库，枯水季节存在着1#、2#机组与1#主变停运的情况，在寒冷天气下停运的变压器油容易凝结，影响间歇性的开机，因此在订购变压器时，应该注意变压器制造厂家的技术参数，其中除了高原地区特有的绝缘增强，变压器油的凝固点需要低于最低气温-15.3 ℃，需要采用DB-25 号以上的变压器油防冻，保证极端气候下变压器体自身的安全和运行时的散热问题。

另外，对于变压器油的密度也需要着重关注，按照IEC 60296变压器油的密度，需要小于0.895 g/mL，冰的密度是0.9 g/mL，变压器停运后的这个参数直接影响了在寒冷天气下变压器油的运行，如果厂家的油密度高于这个值，那么在0 ℃以下的温度下停运的变压器油中的水分会凝结成冰浮在油面上。这些浮冰粘附在电极上，当变压器投入运行时冰结晶融化增加导电性，可能出现放电的危险，而且变压器油的密度大于0.895 g/mL，实际上很可能内含了超标的水分，因此设备采购的技术参数中对变压器油的密度也要着重提出要求，密度不能超过标准值。

6 结束语

西藏冰湖五级电站根据海拔的气象条件对设备的外绝缘放电电压进行修正，加强设备的绝缘要求，采用的高原型设备相比平原地区的水电站增大了高低压配电室的布置空间和操作通道；根据西藏电网的特点和稳定运行的要求，电站接入系统要求的安全稳定控制装置、调度自动化装置和系统远动通信装置，使得布置电气二次设备的中控室的空间也增大；110 kV升压站经过经济技术比较后，采用三相共箱的户外GIS 封闭式组合电器，厂用电的负荷容量在冬季采暖设备投入时达到最大，厂用变容量增大为315 kVA。由此可见，高原电站和西藏电网的特殊地理位置与网架特点，使得冰湖五级电站的电气一二次设备的选型、布置和其他方方面面的因素与平原地区同规模电站相比，需要考虑更高的技术要求，更全面地设计要素。