紫坪鋪水利樞紐工程廠用電系統設計分析

，

(水利部四川省水利水電勘測設計研究院，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，距都江堰市約9km，建有高速公路和高等級公路與成都市相通。該工程以灌溉和供水為主，兼具發電、防洪、環境保護、旅游等綜合效益，是都江堰灌區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，水庫正常蓄水位877m，總庫容11.12億m3。電站總裝機4×190MW，年發電量34.7億kW·h，年利用小時數4496h。電站具有不完全年調節性能，承擔系統的調峰、調頻、事故備用等作用，是川西電網比較經濟的調峰調頻電源。

電站發電機端電壓為13.8kV，以500kV電壓等級接入電力系統。對該水電站采用了“無人值班(少人值守)”的運行方式設計，通過計算機監控系統，對電站、泄洪大壩等重要設施進行監視和控制，電站及各功能設施的運行自動化水平很高，相應要求更高的廠用電系統的運行可靠性水平。

2 廠用電設計

2.1 設計原則

廠用電設計，應按照水力發電廠的運行、檢修、初期發電和分期過渡全面考慮，使設計達到經濟合理、技術先進，保證機組安全、經濟和滿發運行。

2.2 廠用電源的選取

由于紫坪鋪電站處于地震多發區，并有可能出現其他一些自然或人為災害的影響，將會導致電站廠房排水系統(包括主輔機的滲漏排水、生活排水等)失去作用；全廠消防系統(包括消防水泵、火災報警、通風排煙等)失去作用；工業電視無法監視；閘門無法控制，水位信號消失；通信中斷。因此，要求在設計時應考慮采用有效措施保證廠用電源不失或在短時間內恢復廠用電源，使電站的設備正常運轉，在災害時盡量減少損失。

因此，廠用電源必須滿足各種運行方式下的廠用電負荷需要，并保證供電可靠。當一個電源故障時，另一個電源應能自動或遠方操作切換投入。當全部機組運行時，必須保證不少于3個獨立的電源；當部分機組運行時，至少有2個廠用電源同時供電；當全部機組停止運行時，必須保證至少有2個獨立的電源，但允許1個電源處于備用狀態。

2.3 紫坪鋪電站廠用電供電電源

根據上述原則，該電站廠用電供電電源的取得方式主要有以下幾種：

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

b.使用施工時用電電源。保留施工用電電源作為備用電源。施工電源實為電站在修建時利用附近地方電網供電的電源。當電站處于投產試運行階段時，可作為保障電站試運行和開機的廠用電源。當電站正式投入運行后，可作為主電源的第二備用電源。

c.采用電力系統倒送電源。當電站正式投入運行后，若機組停運時，可從500kV電力系統倒送電源，作為主電源的第一備用電源。但在倒送電力系統電源作為廠用電源時，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可靠，操作簡單，調度方便，可節省投資。

d.使用柴油發電機組作為備用電源。在該電站中，僅在泄洪洞配電中設置柴油發電機，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

該電站廠用電系統電壓共2級：10kV和400V。通常情況下這兩種電壓等級均能滿足供電容量、供電距離和供電質量要求。由于電站發電機端電壓為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，對于輔機設備要求很高，在設計時對于機組的檢修排水泵用電負荷要求很大，因此，對于大容量廠用電動機的額定電壓，目前我國高壓電動機額定電壓采用6kV和10kV兩種電壓等級供電。該電站檢修排水泵額定功率為220kW，因此配用了10kV電動機，設計將檢修排水泵直接接在10kV廠用系統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，查苗補苗；遇旱天，澆水促苗。封壟前鋤地滅草。②中期管理。及時排澇防旱，拔除雜草，避免損傷莖葉。提秧控旺防止秧蔓壟底結地瓜。③后期管理。注意防旱排澇，保護莖葉。

3 廠用電系統接線

3.1 紫坪鋪電站廠用電系統接線

a.電站10kV廠用電電源主要由發電機端電壓13.8kV經廠高變降壓至10kV，其次是由500kV系統倒送降壓和原10kV施工電源(外來電源)作為備用電源。

b.電站共4臺裝機，因高壓輔機設備不多，因此采用每2臺機組供電一段母線，并互為備用，即10kV系統母線共分三段，1、2號機組分別經廠高變THA1、THA2降壓接廠用10kVⅠ段母線上；3、4號機組分別經廠高變THA3、THA4降壓接廠用10kV Ⅲ段母線上；外來電源白樞線、岷樞線接廠用10kVⅡ段母線上。三段母線之間利用母聯斷路器連接。這樣，每段母線都有兩回獨立的電源，可以保證提高供電的可靠性。廠用電10kV系統接線情況見下頁圖1。

圖1 廠用電10kV系統接線情況

c.廠區內分別設置了機組自用電系統、公用電系統和照明用電系統等。每個系統均從10kVⅠ段和Ⅲ段母線上取得供電電源，兩個電源互為備用，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外來電源白青線引至Ⅰ段母線，作為備用電源；并設置柴油發電機作為保安電源。詳細接線情況見圖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運行方式

正常運行時，10kV Ⅰ段母線由1號廠高變THA1(或2號廠高變THA2)供電，10kV Ⅲ段母線由3號廠高變THA3(或4號廠高變THA4)供電；10kV外來電源白樞線、岷樞線作備用。當10kV Ⅰ段母線失電時，10kV備自投裝置動作，10kV Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ段聯絡運行；當10kV Ⅲ段失電時，10kV備自投裝置動作，10kV Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ段聯絡運行；當10kV Ⅰ、Ⅲ段同時失電時，10kV備用電源自動投入裝置動作，外來電源白樞線或岷樞線帶10kV Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ段母線聯絡運行。

4 系統中主要設備的選擇

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、防火及節能要求，電站13.8kV高壓廠用變壓器選用環氧樹脂澆注干式變壓器。干式變壓器安全、耐燃性能高，具有良好的環保特性、免維護、安裝簡便、綜合運行成本低、防潮性能好等特點，可在100%相對濕度下正常運行，停運后不經預干燥即可投入運行；還具備損耗低、局部放電量低、噪音小、散熱能力強、體積小、強迫風冷條件下可以150%額定負荷運行等優點，更適合于在水電站中采用。

高壓廠用變壓器高壓側與發電機離相封閉母線連接，為防止發電機發生機端相間短路，機端均采用單相設備。13.8kV變壓器選用單相干式無勵磁調壓變壓器組，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負荷統計法確定的，不僅與各種系統輔助設備的容量有關，而且也與輔助設備不同時期、不同運行工況、不同運行方式有關，對紫坪鋪電站負荷波動變化較大。

發電機端引接4組高壓廠用變壓器，分3段母線運行，每段母線的2臺變壓器互為備用。每段母線中的每臺高壓廠用變壓器能承擔廠內50%的機組(即2臺機組)自用負荷、公用負荷、照明負荷等。根據負荷統計法計算，13.8kV高壓廠用變壓器選擇的計算容量應為1486.84kVA，故13.8kV高壓廠用變壓器選擇的容量應為1600kVA，共4臺。

4.3 紫坪鋪電站廠用其他設備選擇

對于該電站高壓廠用變壓器高壓側設備的選擇，在初步設計中，僅考慮直接從發電機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生短路時，由于短路電流可高達上百千安，無法選定合適的斷路器。而對于水電站來說，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重損壞，對發電機本身也有直接的影響。因此，在最終設計時加入了高壓限流熔斷器組合保護裝置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關組合對廠用變壓器進行保護。

廠用變壓器高壓側加裝FUR裝置有如下優點：

a.廠用變壓器得到有效保護，避免因內部故障而發生爆炸事故。

b.廠用分支短路，對于主變壓器是穿越故障，FUR的快速動作，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，可避免發電機長時間多次遭受強大的短路電流沖擊。

因此將FUR組合保護裝置運用在電站廠用電系統中，減少了設備的誤動率，有效保護了主要電氣設備，提高了電站的經濟效益。

5 結 語

紫坪鋪電站廠用電系統的總體方案設計，充分考慮了水電站的自身特點，從電源獲取、接線方式、電源切換等幾個方面實現了供電的可靠性和靈活性，為電站的安全運行奠定了基礎。廠用電供電的安全穩定是現代化電廠實現無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，擔負著提供都江堰灌區的農業用水和成都市的生活、工業用水任務，故紫坪鋪電廠廠用電系統的安全穩定運行尤為重要。廠用電系統有足夠的備用電源點，是下游供水安全和全廠機組安全經濟穩定運行的重要保證，在同類型工程設計中應予以重視。

[1] DL/T 5186—2004 水力發電廠機電設計規范[S].

[2] DL/T 5164—2002 水力發電廠廠用電設計技術規范[S].