，

(水利部四川省水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，成都 610072)

1 概 述

紫坪鋪水利樞紐工程位于四川省成都市西北約60km處的岷江上游，地處都江堰市麻溪鄉(xiāng)，距都江堰市約9km，建有高速公路和高等級(jí)公路與成都市相通。該工程以灌溉和供水為主，兼具發(fā)電、防洪、環(huán)境保護(hù)、旅游等綜合效益，是都江堰灌區(qū)和成都市不可替代的控制性水源工程。

大壩為混凝土面板堆石壩，最大壩高156m，水庫(kù)正常蓄水位877m，總庫(kù)容11.12億m3。電站總裝機(jī)4×190MW，年發(fā)電量34.7億kW·h，年利用小時(shí)數(shù)4496h。電站具有不完全年調(diào)節(jié)性能，承擔(dān)系統(tǒng)的調(diào)峰、調(diào)頻、事故備用等作用，是川西電網(wǎng)比較經(jīng)濟(jì)的調(diào)峰調(diào)頻電源。

電站發(fā)電機(jī)端電壓為13.8kV，以500kV電壓等級(jí)接入電力系統(tǒng)。對(duì)該水電站采用了“無(wú)人值班(少人值守)”的運(yùn)行方式設(shè)計(jì)，通過(guò)計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)，對(duì)電站、泄洪大壩等重要設(shè)施進(jìn)行監(jiān)視和控制，電站及各功能設(shè)施的運(yùn)行自動(dòng)化水平很高，相應(yīng)要求更高的廠用電系統(tǒng)的運(yùn)行可靠性水平。

2 廠用電設(shè)計(jì)

2.1 設(shè)計(jì)原則

廠用電設(shè)計(jì)，應(yīng)按照水力發(fā)電廠的運(yùn)行、檢修、初期發(fā)電和分期過(guò)渡全面考慮，使設(shè)計(jì)達(dá)到經(jīng)濟(jì)合理、技術(shù)先進(jìn)，保證機(jī)組安全、經(jīng)濟(jì)和滿發(fā)運(yùn)行。

2.2 廠用電源的選取

由于紫坪鋪電站處于地震多發(fā)區(qū)，并有可能出現(xiàn)其他一些自然或人為災(zāi)害的影響，將會(huì)導(dǎo)致電站廠房排水系統(tǒng)(包括主輔機(jī)的滲漏排水、生活排水等)失去作用；全廠消防系統(tǒng)(包括消防水泵、火災(zāi)報(bào)警、通風(fēng)排煙等)失去作用；工業(yè)電視無(wú)法監(jiān)視；閘門無(wú)法控制，水位信號(hào)消失；通信中斷。因此，要求在設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)考慮采用有效措施保證廠用電源不失或在短時(shí)間內(nèi)恢復(fù)廠用電源，使電站的設(shè)備正常運(yùn)轉(zhuǎn)，在災(zāi)害時(shí)盡量減少損失。

因此，廠用電源必須滿足各種運(yùn)行方式下的廠用電負(fù)荷需要，并保證供電可靠。當(dāng)一個(gè)電源故障時(shí)，另一個(gè)電源應(yīng)能自動(dòng)或遠(yuǎn)方操作切換投入。當(dāng)全部機(jī)組運(yùn)行時(shí)，必須保證不少于3個(gè)獨(dú)立的電源；當(dāng)部分機(jī)組運(yùn)行時(shí)，至少有2個(gè)廠用電源同時(shí)供電；當(dāng)全部機(jī)組停止運(yùn)行時(shí)，必須保證至少有2個(gè)獨(dú)立的電源，但允許1個(gè)電源處于備用狀態(tài)。

2.3 紫坪鋪電站廠用電供電電源

根據(jù)上述原則，該電站廠用電供電電源的取得方式主要有以下幾種：

a.從發(fā)電機(jī)端電壓母線上取得。從發(fā)電機(jī)電壓母線上取得廠用電電源在水電站廠用系統(tǒng)中應(yīng)用很普遍，該方式接線簡(jiǎn)單，布置方便。由于該電站所有機(jī)組發(fā)電機(jī)出口均設(shè)有發(fā)電機(jī)斷路器(GCB)，廠用電源可從發(fā)電機(jī)斷路器和主變壓器間引接，正常情況下可由機(jī)組供給廠用電電源，作為主電源。

b.使用施工時(shí)用電電源。保留施工用電電源作為備用電源。施工電源實(shí)為電站在修建時(shí)利用附近地方電網(wǎng)供電的電源。當(dāng)電站處于投產(chǎn)試運(yùn)行階段時(shí)，可作為保障電站試運(yùn)行和開(kāi)機(jī)的廠用電源。當(dāng)電站正式投入運(yùn)行后，可作為主電源的第二備用電源。

c.采用電力系統(tǒng)倒送電源。當(dāng)電站正式投入運(yùn)行后，若機(jī)組停運(yùn)時(shí)，可從500kV電力系統(tǒng)倒送電源，作為主電源的第一備用電源。但在倒送電力系統(tǒng)電源作為廠用電源時(shí)，由于主變壓器容量較大，造成空載損耗較高。但總體上該電源供電相對(duì)可靠，操作簡(jiǎn)單，調(diào)度方便，可節(jié)省投資。

d.使用柴油發(fā)電機(jī)組作為備用電源。在該電站中，僅在泄洪洞配電中設(shè)置柴油發(fā)電機(jī)，作為其保安備用電源，以確保電站在電源失電的緊急情況下，泄洪閘門能夠正常起降，以確保電站安全。

2.4 紫坪鋪電站廠用電電壓

該電站廠用電系統(tǒng)電壓共2級(jí)：10kV和400V。通常情況下這兩種電壓等級(jí)均能滿足供電容量、供電距離和供電質(zhì)量要求。由于電站發(fā)電機(jī)端電壓為13.8kV，因此先利用降壓變壓器降壓至10kV再供電。

值得提出的是，由于紫坪鋪水電站屬于大型電站，對(duì)于輔機(jī)設(shè)備要求很高，在設(shè)計(jì)時(shí)對(duì)于機(jī)組的檢修排水泵用電負(fù)荷要求很大，因此，對(duì)于大容量廠用電動(dòng)機(jī)的額定電壓，目前我國(guó)高壓電動(dòng)機(jī)額定電壓采用6kV和10kV兩種電壓等級(jí)供電。該電站檢修排水泵額定功率為220kW，因此配用了10kV電動(dòng)機(jī)，設(shè)計(jì)將檢修排水泵直接接在10kV廠用系統(tǒng)母線中為其供電是合理的。

4.3.3 田間管理。①前期管理。栽苗后3d，查苗補(bǔ)苗；遇旱天，澆水促苗。封壟前鋤地滅草。②中期管理。及時(shí)排澇防旱，拔除雜草，避免損傷莖葉。提秧控旺防止秧蔓壟底結(jié)地瓜。③后期管理。注意防旱排澇，保護(hù)莖葉。

3 廠用電系統(tǒng)接線

3.1 紫坪鋪電站廠用電系統(tǒng)接線

a.電站10kV廠用電電源主要由發(fā)電機(jī)端電壓13.8kV經(jīng)廠高變降壓至10kV，其次是由500kV系統(tǒng)倒送降壓和原10kV施工電源(外來(lái)電源)作為備用電源。

b.電站共4臺(tái)裝機(jī)，因高壓輔機(jī)設(shè)備不多，因此采用每2臺(tái)機(jī)組供電一段母線，并互為備用，即10kV系統(tǒng)母線共分三段，1、2號(hào)機(jī)組分別經(jīng)廠高變THA1、THA2降壓接廠用10kVⅠ段母線上；3、4號(hào)機(jī)組分別經(jīng)廠高變THA3、THA4降壓接廠用10kV Ⅲ段母線上；外來(lái)電源白樞線、岷樞線接廠用10kVⅡ段母線上。三段母線之間利用母聯(lián)斷路器連接。這樣，每段母線都有兩回獨(dú)立的電源，可以保證提高供電的可靠性。廠用電10kV系統(tǒng)接線情況見(jiàn)下頁(yè)圖1。

圖1 廠用電10kV系統(tǒng)接線情況

c.廠區(qū)內(nèi)分別設(shè)置了機(jī)組自用電系統(tǒng)、公用電系統(tǒng)和照明用電系統(tǒng)等。每個(gè)系統(tǒng)均從10kVⅠ段和Ⅲ段母線上取得供電電源，兩個(gè)電源互為備用，保證了其供電的可靠性。

d.泄洪閘廠用電源一回從電站的廠用Ⅰ段母線引1回10kV電源至泄洪閘配電Ⅱ段母線，作為主電源；一回從10kV外來(lái)電源白青線引至Ⅰ段母線，作為備用電源；并設(shè)置柴油發(fā)電機(jī)作為保安電源。詳細(xì)接線情況見(jiàn)圖2。

圖2 泄洪閘廠用電源接線情況

3.2 紫坪鋪電站廠用電系統(tǒng)運(yùn)行方式

正常運(yùn)行時(shí)，10kV Ⅰ段母線由1號(hào)廠高變THA1(或2號(hào)廠高變THA2)供電，10kV Ⅲ段母線由3號(hào)廠高變THA3(或4號(hào)廠高變THA4)供電；10kV外來(lái)電源白樞線、岷樞線作備用。當(dāng)10kV Ⅰ段母線失電時(shí)，10kV備自投裝置動(dòng)作，10kV Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ段聯(lián)絡(luò)運(yùn)行；當(dāng)10kV Ⅲ段失電時(shí)，10kV備自投裝置動(dòng)作，10kV Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ段聯(lián)絡(luò)運(yùn)行；當(dāng)10kV Ⅰ、Ⅲ段同時(shí)失電時(shí)，10kV備用電源自動(dòng)投入裝置動(dòng)作，外來(lái)電源白樞線或岷樞線帶10kV Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ段母線聯(lián)絡(luò)運(yùn)行。

4 系統(tǒng)中主要設(shè)備的選擇

4.1 紫坪鋪電站高壓廠用變壓器型式選擇

為了更好地滿足水電站的布置、防火及節(jié)能要求，電站13.8kV高壓廠用變壓器選用環(huán)氧樹(shù)脂澆注干式變壓器。干式變壓器安全、耐燃性能高，具有良好的環(huán)保特性、免維護(hù)、安裝簡(jiǎn)便、綜合運(yùn)行成本低、防潮性能好等特點(diǎn)，可在100%相對(duì)濕度下正常運(yùn)行，停運(yùn)后不經(jīng)預(yù)干燥即可投入運(yùn)行；還具備損耗低、局部放電量低、噪音小、散熱能力強(qiáng)、體積小、強(qiáng)迫風(fēng)冷條件下可以150%額定負(fù)荷運(yùn)行等優(yōu)點(diǎn)，更適合于在水電站中采用。

高壓廠用變壓器高壓側(cè)與發(fā)電機(jī)離相封閉母線連接，為防止發(fā)電機(jī)發(fā)生機(jī)端相間短路，機(jī)端均采用單相設(shè)備。13.8kV變壓器選用單相干式無(wú)勵(lì)磁調(diào)壓變壓器組，接線組則分別為Y/Δ接線。

4.2 紫坪鋪電站廠用變壓器容量選擇

廠用變壓器容量是根據(jù)負(fù)荷統(tǒng)計(jì)法確定的，不僅與各種系統(tǒng)輔助設(shè)備的容量有關(guān)，而且也與輔助設(shè)備不同時(shí)期、不同運(yùn)行工況、不同運(yùn)行方式有關(guān)，對(duì)紫坪鋪電站負(fù)荷波動(dòng)變化較大。

發(fā)電機(jī)端引接4組高壓廠用變壓器，分3段母線運(yùn)行，每段母線的2臺(tái)變壓器互為備用。每段母線中的每臺(tái)高壓廠用變壓器能承擔(dān)廠內(nèi)50%的機(jī)組(即2臺(tái)機(jī)組)自用負(fù)荷、公用負(fù)荷、照明負(fù)荷等。根據(jù)負(fù)荷統(tǒng)計(jì)法計(jì)算，13.8kV高壓廠用變壓器選擇的計(jì)算容量應(yīng)為1486.84kVA，故13.8kV高壓廠用變壓器選擇的容量應(yīng)為1600kVA，共4臺(tái)。

4.3 紫坪鋪電站廠用其他設(shè)備選擇

對(duì)于該電站高壓廠用變壓器高壓側(cè)設(shè)備的選擇，在初步設(shè)計(jì)中，僅考慮直接從發(fā)電機(jī)端引出離相共箱母線直接與廠高變連接，但是這樣廠用變壓器高壓套管附近發(fā)生短路時(shí)，由于短路電流可高達(dá)上百千安，無(wú)法選定合適的斷路器。而對(duì)于水電站來(lái)說(shuō)，廠用電率不足1%，這一短路電流比廠用變壓器額定電流高近千倍，這將使廠用變壓器遭到嚴(yán)重?fù)p壞，對(duì)發(fā)電機(jī)本身也有直接的影響。因此，在最終設(shè)計(jì)時(shí)加入了高壓限流熔斷器組合保護(hù)裝置FUR 。

FUR裝置主要由高壓限流熔斷器FU、高能氧化鋅非線性電阻FR與真空斷路器和隔離開(kāi)關(guān)組合對(duì)廠用變壓器進(jìn)行保護(hù)。

廠用變壓器高壓側(cè)加裝FUR裝置有如下優(yōu)點(diǎn)：

a.廠用變壓器得到有效保護(hù)，避免因內(nèi)部故障而發(fā)生爆炸事故。

b.廠用分支短路，對(duì)于主變壓器是穿越故障，F(xiàn)UR的快速動(dòng)作，使最大短路沖擊電流降低，可避免主變壓器因線圈變形而遭到損壞。

c. FUR快速切除廠用分支故障，可避免發(fā)電機(jī)長(zhǎng)時(shí)間多次遭受強(qiáng)大的短路電流沖擊。

因此將FUR組合保護(hù)裝置運(yùn)用在電站廠用電系統(tǒng)中，減少了設(shè)備的誤動(dòng)率，有效保護(hù)了主要電氣設(shè)備，提高了電站的經(jīng)濟(jì)效益。

5 結(jié) 語(yǔ)

紫坪鋪電站廠用電系統(tǒng)的總體方案設(shè)計(jì)，充分考慮了水電站的自身特點(diǎn)，從電源獲取、接線方式、電源切換等幾個(gè)方面實(shí)現(xiàn)了供電的可靠性和靈活性，為電站的安全運(yùn)行奠定了基礎(chǔ)。廠用電供電的安全穩(wěn)定是現(xiàn)代化電廠實(shí)現(xiàn)無(wú)人值班模式的必要條件。由于紫坪鋪水利樞紐是以灌溉和供水為主，擔(dān)負(fù)著提供都江堰灌區(qū)的農(nóng)業(yè)用水和成都市的生活、工業(yè)用水任務(wù)，故紫坪鋪電廠廠用電系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行尤為重要。廠用電系統(tǒng)有足夠的備用電源點(diǎn)，是下游供水安全和全廠機(jī)組安全經(jīng)濟(jì)穩(wěn)定運(yùn)行的重要保證，在同類型工程設(shè)計(jì)中應(yīng)予以重視。

[1] DL/T 5186—2004 水力發(fā)電廠機(jī)電設(shè)計(jì)規(guī)范[S].

[2] DL/T 5164—2002 水力發(fā)電廠廠用電設(shè)計(jì)技術(shù)規(guī)范[S].