坪頭水電站220kV配電設備選擇和布置

王福春，楊 紅

(中國水電顧問集團成都勘測設計研究院，四川 成都 610072)

1 前 言

坪頭水電站共裝3臺60MW混流式水輪發電機組，總裝機容量180MW，枯水年枯水期平均出力60.2MW，多年平均發電量8.61億kW·h，年利用小時數4 783h。電站水庫具有日調節性能，電站在系統中擔負基荷和調峰任務。

發電廠房采用地下廠房型式，廠房樞紐主要建筑物由主副廠房、主變及GIS室、尾水洞、交通洞、出線兼排風洞、排水廊道及出線場組成。

2 電站接入系統及電氣主接線

2.1 電站接入系統

坪頭水電站接入系統的方式為：出線電壓等級為220kV，一回220kV線路至柳洪水電站(線路長14km)，經柳洪水電站送入瓦吉吉220kV聯合開關站(線路長8km)，整個梯級電站從聯合開關站出線兩回至普提500kV變電站(線路長27km)，其電力負荷送入四川主電網。另一回220kV線路至雷波220kV開關站。

2.2 電站電氣主接線

電站電氣主接線方案為：1號、2號機組與一臺容量為150MVA的變壓器組成擴大單元接線，3號機組與一臺容量為75MVA的變壓器組成單元接線，220kV側為單母線接線，220kV出線2回路。

3 220kV配電設備的選擇計算

3.1 短路電流計算

根據系統提供的220kV側阻抗以及電站主變壓器、發電機組的阻抗值進行計算。220kV側母線三相短路電流11.36kA，沖擊電流30.52kA，單相短路入地電流10.18 kA。

3.2 220kV開關設備的選擇

坪頭水電站廠房樞紐為地下工程，受地質條件的限制，地面不具備布置220kV開關設備的場地，需將220kV開關設備和主變壓器均布置在地下洞室內。而GIS設備是集成的成套裝置，占地面積小，能較好地適應本電站減小地下洞室開挖工程量的要求。所以電站的220kV開關設備選用GIS。

坪頭水電站220kV開關設備采用GIS具有如下特點：

(1)運行可靠性高。由于GIS設備中所有元器件均裝在全封閉的金屬外殼內，與外部隔絕，減少了故障機率，極大地提高了設備運行的可靠性。

(2)自動控制程度高。GIS設備中的斷路器、隔離開關、接地開關等均未電氣操作，設備全組裝在同一基礎上，其機械操作靈活可靠性遠高于常規敞開式開關設備，提高了電站自動控制的可靠性，有利于實現電站“無人值班，少人值守”。

(3)可改善電站的運行環境和運行管理條件。電氣設備按常規布置存在著帶油設備熱脹冷縮后滲油的問題，這將直接影響到設備的使用壽命，加大了運行維護工作量。220kV開關設備采用GIS全封閉組合電器是解決以上問題的有效措施和辦法。

坪頭水電站的220kV GIS設備共有進線間隔2個、出線間隔2個、電壓互感器及避雷器間隔1個。220kV GIS設備主要參數見表1。

表1 坪頭水電站220 kV GIS設備參數

3.3 220kV高壓電纜的選擇

3.3.1 220kV高壓電纜

根據電站廠房樞紐布置要求，220kV開關站鄰近主廠房的下游側布置，與戶外220kV出線場經過約245m長的出線洞連接。因此220kV GIS設備與戶外220kV出線場設備采用220kV高壓電纜連接。

220kV交聯聚乙烯(XLPE)絕緣電纜在我國已有10多年的制造和使用工程案例，技術已趨成熟。XLPE絕緣電纜已經取代油紙絕緣電力電纜并逐步取代充油電力電纜，且電壓等級已發展到500kV，分割導體面積達到2 500mm2。XLPE絕緣電纜比充油電纜安裝、維護方便，運行安全。坪頭水電站220kV高壓電纜采用交聯聚乙烯(XLPE)絕緣電纜，電纜主要參數見表2。

表2 坪頭水電站220 kV 高壓電纜參數

3.3.2 220kV高壓電纜載流量計算

根據IEC-60287標準和本電站所用電纜的相關參數，電纜額定載流量I計算如下：

=843(A)

式中Δθ——導體運行最大溫升(50 ℃)；

Wd——電纜每相單位長度介質損耗(0.298 0W/m)；

R——導體工作溫度下交流電阻(6.13E-05Ω/m)；

n——電纜芯數，n=1；

T1——絕緣熱阻(0.664 7K·m/W)；

T2——內襯層熱阻(0K·m/W)；

T3——外護層熱阻(0.066 8 K·m/W)；

T4——外部熱阻(0.390 3K·m/W)；

λ1——金屬鋁護套的功率損耗，0.043；

λ2——鎧裝層損耗0。

考慮在同一電纜走廊內敷設兩回電纜，取載流量修正系數0.95，此時電纜載流量為800A。

3.3.3 220kV高壓電纜短路電流計算

3.3.3.1 絕熱情況下短路電流

式中IAD——在絕熱基礎上計算的短路電流(整個短路期間有效值)，A;

t——短路持續時間，s；

K——載流體材料的常數，As1/2/mm2；

θf——最終溫度，℃；

θi——起始溫度，℃；

β——0℃時載流體電阻溫度系數的倒數，K；

S——載流體幾何截面，mm2。

3.3.3.2 銅導體非絕熱因數ε的公式

對于XLPE絕緣銅電纜，其中參數取值如下：

X=0.41；Y=0.12；S=導體截面；t=短路時間。

3.3.3.3 鋁護套非絕熱因數ε的公式

式中M=0.092 5；

t——短路時間。

3.3.3.4 非絕熱情況下短路電流計算公式

I=ε×IAD

式中I——非絕熱情況下的允許短路電流；

IAD——絕熱情況下的短路電流。

220kV高壓電纜短路電流計算結果見表3。電纜短路電流大于30kA/3s ，滿足本電站的使用要求。

3.3.4 220kV高壓電纜過負荷電流計算

電纜導體正常工作溫度為90℃,在規定時間內允許電纜短時過載，過載時間在10min到2h時內，導體的溫度允許為105℃，對電纜使用無影響。

表3 220kV高壓電纜短路電流計算

過載允許電流由下式確定：

式中Ii——導體容許最高運行溫度時的電流;

Ic——導體正常工作溫度時的電流750A;

θi——導體容許最高運行溫度105℃;

θc——導體正常工作溫度90℃;

θ0——環境溫度40℃。

3.3.5 220kV高壓電纜金屬護層感應電壓計算

根據GB 50217-2007《電力工程電纜設計規范》及本電站采用電纜的相關參數，電纜金屬護層感應電壓計算如下：

3.3.5.1 正常運行時感應電壓

B相電纜的感應電壓：Es=LLXs=25(V)

AC相電纜的感應電壓：

α=(2ωln2)×10-4

ω=2πf

式中L——電纜金屬層的電氣通路上任一部位與其直接接地處的距離(最大)，0.298km；

I——電纜導體正常工作電流750A；

S——電纜相間距300mm；

r——電纜金屬護套平均半徑；

f——工作頻率。

3.3.5.2 短路時感應電壓

短路時電纜導體短路電流約57 000A，其他參數同上，電纜感應電壓計算如下：

B相電纜的感應電壓：Es=LIXs=1 905(V)

AC相電纜的感應電壓：

3.4 220kV高壓電纜附件的選擇

3.4.1 220kV高壓電纜附件

220kV(XLPE)絕緣電纜一端采用干式GIS終端與SF6GIS設備連接，另一端采用瓷套型戶外終端與戶外出線設備連接。220kV高壓電纜附件參數見表 4。

表4 220 kV 高壓電纜附件參數

3.4.2 220kV高壓電纜終端電場分布的設計計算

電纜附件(戶外終端和GIS終端)計算過程：將產品結構尺寸、絕緣材料介電常數及額定電壓U0值作為邊界條件輸入有限元電場分析計算程序，計算得出系列產品的電位分布圖和關鍵部位電場強度數值圖，然后進行結構優化調整再次分析計算后按產品電氣性能指標進行校核，最終確認產品結構尺寸。

3.4.2.1 瓷套型戶外終端

經有限元電場分析計算得出瓷套型戶外終端的場強如下：

(1)在U0電壓下電纜絕緣與應力錐界面最高切向場強為0.53kV/mm，整個界面電位分布較為均勻，滿足要求。

(2)在U0電壓下橡膠半導電應力錐與橡膠絕緣界面最高場強為 1.81kV/mm，滿足要求。

(3)在U0電壓下終端瓷套外絕緣表面最高切向場強為0.23kV/mm，滿足要求。

3.4.2.2 干式GIS終端

經有限元電場分析計算得出干式GIS終端的場強如下：

(1)在U0電壓下電纜絕緣與應力錐界面最高切向場強為0.56kV/mm，整個界面電位分布較為均勻，滿足要求。

(2)在U0電壓下應力錐與環氧套管界面最高切向場強為0.58kV/mm，整個界面電位分布較為均勻，滿足要求。

(3)在U0電壓下環氧套管外表面最高切向場強為0.47kV/mm，整個界面電位分布較為均勻，滿足要求。

(4)在U0電壓下環氧套管內部嵌入屏蔽電極表面最高場強為1.59kV/mm，滿足要求。

(5)電應力錐與橡膠絕緣界面在U0電壓下最高場強為1.31kV/mm，滿足要求。

4 220kV電氣設備的布置

4.1 220kV開關設備的布置

220kV升壓站鄰近廠房下游側布置，為兩層結構：一層與發電機層同高程(602.50m)，布置有1號、2號主變壓器。主變室層高11m，占地面積38.7m×14.4m(長×寬)。二層為GIS設備層，地面高程613.50m，GIS室層高11.5m，布置GIS開關設備。GIS設備主要包括進線間隔2個、出線間隔2個、電壓互感器及避雷器間隔1個。進線間隔采用SF6管道母線與主變直連，以節省空間。出線間隔與220kV電纜干式終端相連。見圖1、2。

4.2 220kV電纜的布置

220kV電纜沿出線電纜道敷設，2個回路電纜分2層平行敷設，并且每回路電纜沿線敷設成蛇形，敷設時半波長一般在5～6m，敷設的弧幅一般為200mm左右。

圖1 GIS樓平面設備布置

圖2 GIS樓縱剖面設備布置

4.3 220kV戶外出線場

220kV戶外出線場結合地形布置，2回路出線分別沿美姑河上下游方向出線。戶外出線場布置有線路隔離開關、電壓互感器、避雷器和高壓電纜終端等。出線場占地面積為22m×20m。

5 結束語

水電站電壓配電開關設備布置一般受限于電站廠房布置。特別是坪頭水電站地質條件較差，受到地形、地質條件的制約，選擇的電壓配電開關設備應盡量減小洞室開挖。結合坪頭水電站廠房樞紐要求，220kV配電設備采用GIS開關設備及XLPE絕緣電纜，既適應了電站的特殊地面地質條件，又滿足了電站設備運行可靠性、電站自動控制的可靠性要求，有利于實現電站“無人值班，少人值守”，滿足系統和電站對設備運行可靠、實現自動化操作的要求。

參考文獻：

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