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    • 平寨水电站厂用电接线设计浅析

        摘    要:

        水电站厂用电系统对电站的运行的可靠性有着关键性的作用,黔中水利枢纽工程平寨水电站厂用电系统即有电站自身的负荷用电外,还包括大坝泄洪用电负荷的供电,因此对厂用电的可靠性要求很高。文章结合平寨水电站厂用电系统特点,对厂用电系统的电源引接、接线方式、以及厂用电系统中性点接地方式等方面的问题进行阐述。

        1 工程概况

        黔中水利枢纽一期工程是以灌溉和城市供水为主,兼顾发电、县城及乡镇供水、人畜饮水,并为改善区域水环境创造条件的综合利用的水枢纽工程。

        平寨水电站是黔中水利枢纽工程的水源电站,电站型式为引水式厂房水库电站,由首部水库枢纽、引水隧洞、压力钢管、地面厂房、尾水渠、开关站、场内及场外道路等建筑物组成,安装有2台单机容量68MW的立轴混流式水轮发电机组,总容量138MW,多年平均发电量34070万kW·h,年平均利用小时数2505h。本电站地面式厂房,布置有主厂房、副厂房及安装间,长度为58m(包括安装间),宽度为49m,机组间距为12.5m。在发电机层上游侧,按机组段布置有机房盘、机组励磁盘等。本电站13.8kV侧采用发电机—变压器组的单元接线,经2台主变容量为90MV的主变压器升压至121kV接入电力系统,121kV侧采用户内GIS成套设备,以2回线路并入电网。

        2 电气主接线

        根据电站供电方式、装机台数及容量,确定平寨水电站的电气主接线方案为:发电机电压侧采用发电机—变压器组单元接线,发电机电压回路装设出口断路器,升高电压110kV侧为桥形(内桥)接线,110kV出线两回,均接至贵州110kV梭嘎变电站。

        3 厂用电接线

        3.1 厂用电供电电源

        对于大中型水电站厂用电系统厂用电电源的引接方式主要有以下4种:(1)从发电机出口母线侧引接厂用电源,在电站正常运行时作为厂用系统的正常工作电源。(2)从就近区域变电站引接10k V外来电源,作为电站厂用电系统的备用电源。(3)当不明确外来电源的可靠性时,考虑到大坝泄洪设施安全需要,需在大坝和厂房设置专用的柴油发电机组作为电站的应急保安电源。(4)采用发电机组_变压器组接线时,厂用电接在发电机出口断路器母线侧,还可以利用主变倒送电网电源作为厂用电的事故备用电源。

        本电站装机规模为2×68MW,属于中型电站,厂用电源应具有较高的可靠性、灵活性和稳定性。为此,除了设置高可靠性的工作电源外,还设置有可靠的备用电源。按照规范要求厂用供电电源应首先考虑从发电机电压母线上引接,即由本厂机组供电。平寨水电站厂用电源设置采用两回独立厂用电源,其中一回引自1号发电机出口侧13.8kV电压母线上,另一回引自2号发电机出口侧13.8kV电压母线。配2台高压厂用变压器,高厂变低压侧10kV母线段采用单母线三分段接线,正常情况下,两回同时供电并互为备用。备用电源考虑接至外来电源,即由本工程保留下来的35kV施工变电所10k V母线上引接一回电源作为厂用负荷备用电源。

        3.2 厂用电接线

        本电站机组台数不多,厂用负荷包括供给厂内动力、公用、照明、采暖、通风、消防等公用电外,还包括坝区负荷用电,厂用电系统接线采用机组自用电与公用电混合供电的供电方式。由于电站照明负荷占全厂总用电负荷的比例小,因此考虑全站动力负荷和照明系统负荷均由同一台厂用变压器供电,不再另设厂区照明系统用变压器。全站厂用负荷采用低压400V的一级电压供电。

        由于发电机出口侧采用13.8kV电压等级,需经厂用高压变变压器降压至10kV电压等级,机组厂用高压变压器容量为2×1250kVA,10kV厂用母线采用单母线三分段接线。厂用10kV I段母线接1号低厂变和坝区1#变、10kV II段母线接2号低厂变和坝区2#变,10kV III段母线作为公用备用母线段,接来自35kV施工变电所10kV母线电源。

        两台厂用电高压侧13.8kV电压进线之间不设联络断路器,由发电机母线通过厂高变压器1THA、2THA,向厂用负荷供电。

        厂区厂用电低压400V分为Ⅰ段、Ⅱ段共两段母线。采用机组自用电与公用电混合供电的供电方式。每台机组自用电分别接在Ⅰ段、Ⅱ段母线上。低压侧采用380/220V中性点直接接地的TN-S系统。

        根据厂用电负荷的统计,参加最大负荷运行的最大容量出现在一台机组运行、一台机组检修时,经计算厂用负荷为730.34kVA,考虑到负荷统计的误差并留有余地,故厂用低压变压器选用2台容量1000kVA的环氧树脂绝缘干式变压器,其中任一台厂用变压器应能承担全厂厂区内的厂用负荷。

        厂用负荷将均衡地分布在400V I、II段母线上。两母线间考虑设置母联断路器,2台低压厂用变互为备用,正常情况下是分段运行的。当一台厂用变压器故障断开时,此母线联络断路器将由备用投装置自动投入,以承担全厂厂区负荷。

        坝区及进水口距厂房约500m左右,坝区变电站采用双电源供电,一回10kV线路引自厂用10kV I段母线,另一回10kV线路引自厂用10kV II段母线,通过设置2台变压器容量为630kVA作为坝区主要供电电源。为满足坝区泄洪重要设置的供电可靠性,设置一台柴油发电机作为泄洪设施应急电源。

        4 厂用电系统中性点接地方式

        中性点接地方式包括10k V高压厂用电系统中性点接地和400V低压厂用电系统中性点接地。我国水电站中10kV高压厂用电系统中性点接地方式通常包括不接地方式、经消弧线圈接地方式、经低电阻接地方式。400V低压厂用电系统接地型式通常采用TN-S系统或TN-C-S系统。

        4.1 中性点不接地系统

        中性点不接地系统是指没有人为使用任何接地设备使中性点与大地连接。这种方式结构简单,中性点不设接地装置,在我国水电站中使用最为较多。在系统发生单相接地故障时,流过故障点的电流为电容电流。当系统单相接地电容电流值较小时,故障点的电弧容易自熄,单相故障时允许带故障运行一段时间,供电可靠性较高。但在当出线回路较多且难以实现选择性的接地保护时,电容电流较大的情况下,接地电弧不易自熄,容易产生较高的弧光间歇接地过电压,从而扩大事故范围。

        当前,国内水电站高压厂用系统多采用不接地系统,通常采用以下保护配置原则:(1)在母线上装设单相接地保护装置,实时监测零序电压,当发生接地故障时,发出报警信号;(2)对于出线回路数量不多的系统,可采用依次顺序断开线路的检测方法,寻找故障线路;(3)对于出线回路数量较多的厂用电,通常装设带自动选线功能的小电流接地保护装置,在发生单相接地故障时,可以自动报警并寻找故障线路。

        中性点不接地L1相接地故障示意,在没有发生单相接地故障时,中性点N对地可认为浮空,三相对地均存在对称的电容电流,其电容电流值为IC.L1=IC.L2=IC.L3=Uph w CE,式中Uph为相电压有效值。当发生L1单相接地故障时,故障相L1对地变为零电位点,使得中性点N电位会上升,中性点位移电压为UEN=UL1,非故障相的电压变为UL2(或UL3)-UEN,非故障相电压升高为线电压U'L2、U'L3,非故障相的相位差不再是120°,而变成60°,这时流过故障点的电容电流IC.1.2=IC.1.3=Uph w CE,此时流回故障点的电容电流为非故障相电容电流的矢量和,即ICE=3Uph w CE,由此可知,故障相电容电流为3倍正常运行时的相对地电容电流。

        这种接线方式的缺点是当电容电流较大时,故障点的电弧不能自熄灭,会产生间歇及持续性电弧,同时出线弧光接地过电压。电弧容易诱发火灾从而烧毁输电线路,导致事故范围扩大;弧光接地过电压倍数最高可达3-4倍,击穿绝缘水平较低的部位,进一步发生相间短路或三相短路。

        但这种接线方式的优点是供电可靠性高,发生单相短路故障可继续运行1-2h,为故障的排除提供了时间并且成本低,简单方便,不需要额外的设备。根据《交流电气装置的过电压保护和绝缘配合设计规范》(GB/50064-2014)规定,平寨水电站厂用负荷供电范围为站内负荷和坝区负荷,10kV馈线系统的电缆较少,供电距离短,单相接地故障电容电流不大,经估算,10kV母线分段运行时,电容电流为2.241A,因此,高压厂用电系统采用不接地运行方式。同时在电站厂用电系统侧装设由小电流选线保护装置,能在发生单相接地故障时,短时间内及时准确的反映并找到发生故障的线路发信,并能切除接地故障线路。

        4.2 中性点经消弧线圈、低电阻接地方式

        中性点经消耗线圈接地方式,消弧线圈作为补偿装置,当系统发生单相接地故障时,流过消弧线圈的电流为感性电流,可以补偿接地故障电点的容性电流,将接地故障点的综合电流限制在10A,从而使接地电弧瞬间熄灭,以此消除弧光间歇接地过电压,达到继续供电的目的。这种方式需要注意的是故障点的电容电流变幅大,需要采用具有自动跟踪补偿功能的消弧线圈以适应运行变化。

        中性点经低电阻接地方式为系统的中性点通过小电阻后与大地链接。采用低电阻接地方式,发生单相接地故障时,电弧零序残压通过电阻放电,限制过电压的升高使过电压维持在一个相对较低的范围,从而减小对绝缘的危害和降低绝缘要求。低电阻接地的保护相对简单,及时切除故障降低单相故障发展成为三相故障或相间故障的机会,可以有效防止事故范围的扩大。

        5. 结论

        厂用电系统接线设计需要根据水电站的自身特点,由厂用电源引接点、厂用电接线方式、厂用电中性点接地接线方式等几个方面着手,确保厂用系统的运行供电可靠性和灵活性。随着水电站厂用电供电范围也不断扩展,其中包括扩展至业主管理生活营地等,高压厂用电系统电缆总长度增加,相应的电容电流也越来越大。水电站厂用电系统选择合适的中性点接地方案对厂用电系统的供电可靠性即系统运行的安全性有至关重要的影响。中性点不接地、经低电阻接地方式以及经消弧线圈接地方式都是常用的10kV系统接地方式,各有优缺点,应结合电站实际情况,准确计算电容电流,从而选择合适的中性点接地方式。

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