孤山航电枢纽工程电气设备选型及布置研究

洪玮 郑坤 胡勇 杨杰

摘要：孤山航电枢纽工程用电设备数量多，种类复杂，供电距离长，可靠性要求高。为满足各用电设备的供电需求，结合孤山航电枢纽工程实际情况，对电气主接线、主要电气设备选择、主变压器及220 kV GIS开关站布置等进行了深入分析与研究，提出了合理的技术方案。结果表明：将220 kV变压器和220 kV GIS开关站布置在同一层，使水电站副厂房的高度降低了10 m。该方案合理、有效地利用了水电站副厂房的空间，既节约了土建工程量，又解决了220 kV配电装置的布置以及架空线路出线问题。同时，孤山航电枢纽工程所有设备技术参数均完全满足运行要求。研究成果可为其他同等规模电站提供参考。

关键词：电气设备； 变压器； 水电站厂房； 孤山航电枢纽工程

中图法分类号：TM62

文献标志码：A

DOI：10.15974/j.cnki.slsdkb.2023.06.005

文章编号：1006-0081（2023）06-0028-04

0 引 言

电气设计是航电枢纽（水电站）设计的重要组成部分，是工程建设的关键环节，对水电站的投资、建设和运行起着决定性的作用＼[1-2＼]。汉江孤山航电枢纽工程位于汉江上游干流湖北省十堰市及境内，是一座以发电为主，兼顾航运的综合利用工程。水电站装机容量为180 MW（4×45 MW），多年平均发电量5.80亿kW·h。同等规模的皂市水电站（2×60 MW），将220 kV主变压器、GIS配电装置和220 kV出线设备分3层（上、中、下）布置在上游副厂房。西藏GD水电站装机容量160 MW（4×40 MW），开关站紧临大坝布置，5台变压器布置于开关站和主厂房之间平台＼[3-4＼]。本文主要研究汉江孤山航电枢纽工程电气设备的选择与布置，通过对比同等规模电站，选择最优方案，解决出线和设备布置空间利用问题。

1 电气主接线

孤山航电枢纽工程水电站装有4台水轮机组，单机容量45 MW，发电机和变压器组的接线方式考虑了扩大单元接线，4台发电机连接成两段母线，每段母线接2台发电机和1台主变压器，共设置2台主变压器，每台主变压器容量为100 MVA。每台主变压器高压侧对应接1回220 kV进线，共2回。发电机和变压器之间装设断路器，接线简单、清晰，继电保护简单，维护方便，不受设备运输限制。1台主变压器故障或检修最多只影响两台发电机组电能的送出，具有可靠性与灵活性相对较高的特点。本文提出的布置方案中，主变压器只需2台，电气设备投资及年运行费用、维护工作量等均较小，且220 kV主变压器进线回路数2回，便于220 kV高压电气设备的布置。电站220 kV侧电气接线选择单母线接线方案，接线简单、清晰，进线回路相对独立，互不影响，供电可靠性较高。母线及连接设备故障、检修及出线断路器开断、故障会造成全厂停电，但由于母线短且220 kV配电装置采用GIS，运行可靠性高、故障概率小，排除故障时间较短；同时水库具有日调节能力；综合来看，发生故障后损失电能较小。

2 电站厂用电、大坝用电及船闸用电

孤山航电枢纽工程厂用电、大坝及船闸用电10.5 kV的Ⅰ段母线、Ⅱ段母线通过2台隔离变压器与电站10.5 kV发电机电压母线相连接，采用单母线接线方式，Ⅰ段母线、Ⅱ段母线间设置了母联断路器。从施工变电所引接的1回备供电源接在10.5 kV的Ⅱ段母线上，所有电源之间均设置有备用电源自动投入装置，以保证运行段母线在任何时候为1个电源供电。

2.1 电站厂用电

孤山航电枢纽工程电站厂用电0.4 kV接线采用单母线分两段接线方式，母线间设置了母联断路器。厂用变压器的型号、规格拟定为SC（B）10-2000/10的干式变压器，接线组别采用D，yn11，阻抗电压百分数为6%，台数为2台。2台厂用变压器的高压侧进线电源分别引接自电站、大坝及船闸用电10.5 kV的Ⅰ段母线和Ⅱ段母线。每台厂用变压器独立工作，能带100％厂用电负荷，供电可靠性高且经济。

2.2 大坝泄水闸用电

孤山航电枢纽工程大坝泄水闸用电0.4 kV接線采用单母线分两段接线方式，母线间设置了母联断路器。根据泄水闸液压启闭机设备的容量、布置及其运行方式，经初步计算，泄水闸需设置2台干式变压器，泄水闸用电变压器的型号、规格拟定为SC（B）10-2000/10，接线组别采用D，yn11，阻抗电压百分数为6%。2台泄水闸用电变压器的高压侧进线电源分别引接自电站、大坝及船闸用电10.5 kV的Ⅰ段母线和Ⅱ段母线。2台干式变压器的工作方式为1用1备，按带100%负荷考虑。为保证大坝的泄洪安全，设置1台800 kW柴油发电机组作为大坝应急电源，接入大坝泄水闸变电所0.4 kV的Ⅱ段母线上。

2.3 船闸用电

孤山航电枢纽工程船闸动力负荷主要为船闸液压启闭机油泵电机及船闸检修负荷;照明负荷主要为船闸闸首、闸室及引航道照明负荷。根据JTJ 310-2004《船闸电气设计规范》，船闸用电负荷为二级负荷，综合考虑用电负荷容量、负荷特点和供电条件，船闸用电0.4 kV接线采用单母线分两段接线方式，母线间设置了母联断路器。船闸设置2台干式变压器，船闸用电变压器的型号、规格为SC（B）10-800/10的干式变压器，接线组别采用D，yn11，阻抗电压百分数为4%。2台船闸用电变压器的高压侧进线电源分别引接自电站、大坝及船闸用电10.5 kV的Ⅰ段母线和Ⅱ段母线。两台干式变压器的工作方式为1用1备，按带100%负荷考虑。

2.4 柴油发电机供电

根据SL-485-2010《水利水电工程厂（站）用电系统设计规范》第3.1.6条，“对特别重要的大型水利发电厂、电站、泄洪设施等，如有可能失去厂（站）用电电源，影响大坝安全度汛或可能淹没厂房而危及人身设备安全时，应设置能快速启动的柴油发电机组或其他应急电源，其容量应满足泄洪设施、渗漏排水等可能出现的最大负荷的需要”，为了保证枢纽泄水闸的安全运行、提高供电可靠性，本文提出了在孤山航电枢纽工程大坝泄水闸的供电点设置1台800 kW的柴油发电机组作为保安电源。

3 主要电气设备选择

3.1 主变压器

孤山航电枢纽工程主变压器选用三相、双卷、铜芯、强迫油循环风冷升压变压器，台数为2台，额定容量为100 MVA，额定电压高压侧为（230±2×2.5%）kV，低压侧为10.5 kV，阻抗电压≥13.5%，联接组别为YN，d11。变压器铁芯采用无时效、晶粒取向、高磁导率、低损耗的冷轧硅钢片叠装组成。绕组的材料应为高电导率的铜导体，为减小集肤效应，低压绕组应采用换位导线。变压器高压侧通过油/SF6套管与220 kV GIS相连，低压侧通过空气套管与铜管绝缘母线相连。

3.2 发电机主引出线

孤山航电枢纽工程单机容量45 MW，功率因数0.90，发电机回路出线额定电压10.5 kV，单台发电机额定电流为2 749 A，扩大单元至主变压器回路额定电流为5 498 A，发电机至发电机电压开关柜引出线回路、发电机电压开关柜至主变压器引出线回路，均采用管型绝缘母线。发电机主引出线额定电压为10.5 kV，最高运行电压12 kV，额定电流为3 150/6 300 A，额定短时耐受电流（有效值）为50 kA，额定峰值耐受电流为125 kA，冷却方式采用自冷。

3.3 发电机断路器

发电机断路器为户内型、金属封闭、真空灭弧、自冷、三相机械联动操作＼[5-7＼]。结合孤山航电枢纽工程电站的特点，发电机断路器系统标称电压为10.5 kV，额定电流3 150 A，额定频率50 Hz。

3.4 220 kV GIS

220 kV GIS主母线为金属封闭三相共箱母线，进出线分支回路为单相母线，外壳为铝合金＼[8-9＼]。布置方式以断路器的布置形式分垂直竖式和水平卧式。水平卧式的断路器高度较低，GIS室的高度可降低，操作动荷载也较小，但检修时需抽芯，GIS室的宽度较大。垂直竖式的断路器要求GIS室的高度较高，操作动荷载较大，GIS室宽度较小。为了充分发挥设备制造厂商的技术优势，以上两种布置型式均可适用。220 kV GIS母线除了引至厂房顶出线套管的少部分母线为户外型之外，其他均为户内型。220 kV GIS隔室划分原则上以安装单元为单位。母线、断路器、隔离开关、电压互感器、避雷器均采用单独隔室。220 kV GIS外壳采用多点接地方式。

4 主要电气设备布置

孤山航电枢纽工程电站厂房位于河道右岸、河床最低处，左侧接泄水闸坝段，右侧为鱼道建筑物及岸边非溢流坝段，电站为低水头河床径流式电站。主厂房机组段长度83.8 m、安装场长度36.0 m，主厂房机组段和安装场宽度均为23.3 m。副厂房共布置有5层，自下而上分别为水泵层、单元控制层、电缆层、配电装置层、母线层。尾水平台高程为186.00 m，主厂房屋顶高程为192.50 m。对比同等规模的水电站，220 kV配电装置大多布置在变压器层的上层，出线设备布置在配电装置的上层，总共2层布置，总高度较高，如皂市水电站等。孤山航电枢纽厂房电气设备布置见图1。

孤山航电枢纽工程主变压器与220 kV GIS开关站均布置在186.00 m高程尾水平台，通过下层母线连接。主变压器布置在电站2号、3号机组段区域的尾水平台，采用敞开式布置，通风、散热条件比较好，因此，变压器冷却方式采用强迫油循环风冷却方式。根据GB 50229-2006《火力发电厂与变电所防火规范》第6.6.2条规定，由于2台主变压器的布置间距大于10 m，因此2台主变压器之间不需设置防火墙。220 kV开关站（GIS室）占地面积为24.0 m×13.3 m（长SymboltB@宽），下游侧为巡视人行通道和尾水门机轨道。220 kV配电装置（GIS）和两台主变压器布置在一列，220 kV配电装置（GIS）布置在2台主变压器右侧，位于电站厂房的安装场段，主变压器高压侧为油/SF6套管，220 kVSF6管道母线通过母线装置室与220 kV配电装置（GIS）連接。

220 kV配电装置（GIS）布置方案较好地解决了孤山航电枢纽工程电站主厂房和副厂房高度差别大、视觉效果差的问题。由于电站水轮发电机组为贯流式机组，装机高程为146.50 m，主厂房屋顶高程为192.50 m，尾水平台高程为186.00 m，因此尾水平台上部高程的副厂房高度不宜过高。220 kV配电装置（GIS）与主变压器均布置在186.00 m高程，使得电站副厂房的高度降低了约10 m。另将180.60 m高程的副厂房布置220 kV铝管母线，合理、有效地利用了电站副厂房的空间，既节约了土建工程量，又解决了220 kV配电装置的布置问题，使电站厂房的总体布置更加合理。220 kV配电装置（GIS）布置在尾水平台的安装场段，避免了尾水门机对电站220 kV出线的干扰。

5 结 论

本文根据孤山航电枢纽工程特点，有针对性地设计了一套可靠性高，且经济合理的电气主接线系统，所有设备技术参数的选择均完全满足运行要求。布置方案较好地解决了电站主厂房和副厂房高度差别大、视觉效果差的问题。副厂房布置母线层，合理、有效地利用了电站副厂房的空间，既节约了土建工程量，又解决了220 kV配电装置的布置以及架空线路出线问题，使得电站厂房的总体布置更加合理。

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（编辑：江 文）

Study on selection and layout of electrical equipment for

Gushan Navigation and Hydropower Project

HONG Wei，ZHENG Kun，HU Yong，YANG Jie

（Changjiang Survey，Planning，Design and Research Co.，Ltd.，Wuhan 430010，China）

Abstract：

Gushan Navigation and Hydropower Project has many power loads，complex load types，long power supply distance and high reliability requirements.Combined with the actual situation of Gushan Navigation and Hydropower Project，this paper discussed the main electrical wiring，the selection of main electrical equipment，the layout of main transformer and 220 kV GIS switchyard，and put forward a reasonable technical scheme.Through deep comparison and selection of layout plan，220 kV transformer and 220 kV distribution equipment （GIS） were arranged on the same floor，which reduced the height of auxiliary powerhouse by 10 m.The space of the auxiliary power house is reasonably and effectively used，which not only saves the amount of civil works，but also solves the layout of 220 kV power distribution equipment and overhead line outgoing problems.The technical parameters of all equipment fully meet the operation requirements and provide reference for power stations of the same scale in the future．

Key words：

electrical equipment； transformer； hydropower plant； Gushan Navigation and Hydropower Project