Design of main electrical wiring diagram for Baise Multipurpose Dam Project

ZHANG Li

（Guangxi Water and Power Design Institute，Nanning 530023，China）

摘 要：介绍百色水利枢纽在招标设计阶段中对水电站电气主接线进行的优化设计，包括在每个发电机－变压器单元接线均装设发电机出口断路器，以及发电机中性点采用高阻抗接地方式等内容。

关键词：百色水利枢纽；电气主接线；发电机出口断路器；发电机中性点

Abstract：At bidding design stage of Baise Multipurpose Dam Project，the main wiring diagram of Baise HPP is optimized，including the design of a generator circuit breaker for each generator-transfor merconnection unit，and high-impedance earthing mode for generator neutral．

Key words：Baise Multipurpose Dam Project；main electrical wiring；generator circuit breaker；generator neutral


　　百色水利枢纽为郁江综合利用规划中的第二梯级，坝址在右江百色市上游约22km处，是以防洪为主，结合发电、灌溉、航运和供水的综合利用水利工程。水库正常蓄水位228m，总库容5.6Gm3，为不完全多年调节水库。电站为地下式厂房，共装设4台容量为135MW的水轮发电机组，多年平均发电量1701GW·h，电站建成后在系统中主要承担调峰任务，对改善广西电网枯水期缺电和增加电网调峰能力将发挥良好的作用。

　　1　初设阶段的电气主接线设计

　　1.1　电站接入电力系统方案

　　电站以220kV和110kV两级电压接入系统，220kV出线回路数为3回，其中2回至220kV沙坡变电站，1回至500kV百色变电站；110kV出线回路数为3回，其中2回至百色110kV变电站，另1回至云南省富宁县。

　　1.2　电气主接线

　　发电机电压侧接线为4组发电机－变压器单元接线，选择2台220kV，160MVA无载调压双圈变压器与220kV电压侧连接；2台220kV，160 MVA有载调压三圈变压器分别与220kV及110kV电压侧连接。由于厂用电源分别从2组发电机－三圈变压器单元的机端引出，在2个回路装设了发电机断路器，2个发电机－双圈变压器单元回路中只装设隔离开关。

　　220kV和110kV升高电压侧均采用单母线分段接线型式。

　　水利部2001年8月21日发文(水总[2001]343号)，批准了百色水利枢纽初步设计报告。并对电气主接线设计及发电机、发电机断路器等主要电气设备的选择提出可适当优化的要求。

　　2　电气主接线优化设计

　　为了提高百色水电站的设计水平，在招标设计阶段，根据初设批文、规程规范、电力部门新颁发的有关文件以及业主单位《关于增加发电机断路器的函》关于在2个发电机－双圈变压器单元回路中增设发电机断路器的要求，设计对电气主接线和主要电气设备的选择进行了详细的研究，并提出以下优化设计方案。

　　2.1　发电机断路器的装设方案

　　百色水电站在每个发电机－变压器单元的机端均装设发电机出口断路器，其主要优点如下：

　　(1)百色水利枢纽电站为调峰电站，机组开停机频繁。按《水力发电厂机电设计技术规范(试行)》(SDJ173－85)第3.2.5条，开停机频繁的调峰水电厂，需要减少高压侧断路器操作次数的单元回路，宜在发电机出口处装设发电机断路器，使运行操作更为方便、简洁和可靠。从发电机组启动到并网发电均不须切换厂用电源，提高了厂用电系统运行的可靠性和稳定性。

　　(2)发电机端设置断路器有利于减少故障范围。发电机断路器将发电机与变压器分隔成2个相对独立的保护区域，在变压器发生内部短路故障时，由于发电机在灭磁过程中(5～20s)发电机剩磁会持续向变压器输送短路电流，有可能造成变压器油箱过压而引起变压器事故，在发电机与变压器之间装设发电机断路器能瞬时(约60ms)切除发电机供给的短路电流，避免变压器事故的发生和扩大，造成经济损失。

　　(3)装设发电机断路器后，电站同期可不在变压器高压侧进行，而由发电机断路器完成。220kVGIS断路器不是三相联动，同期操作中有发生单相或两相拒动的可能，而发电机断路器为三相联动，相间分合闸不同期时间极小，不会发生单相或两相拒动的故障，且同期时只需要预先操作1组13.8kV隔离开关后即可实行同期操作，操作的设备少，有效减少了误操作的机率。另外，GIS高压断路器的机械寿命为分、合闸总循环次数5 000次不检修及更换零部件，而按照《户内型发电机断路器订货技术条件》(DL427－91)规定，频繁操作型发电机断路器(如ABB公司生产的HEC型)，其不检修总操作次数高达10000次。由此可见，发电机断路器更适合频繁操作的运行要求。

　　综上所述，每台发电机出口处均装设发电机断路器对电站的安全运行十分有利，通过国际竞争招标，最后确定发电机断路器为瑞士ABB公司提供的HECS－80M型SF6发电机断路器中标。虽然每台发电机断路器价格为30万美元，一次投资较大，但当主变压器、高压厂用变压器或离相封闭母线故障时，装设发电机断路器具有减少扩大事故范围，缩短检修时间，有利于电站的稳定可靠运行，提高整体运行可用率和经济效益等显著技术优势。

　　2.2　厂用分支回路保护方式

　　根据百色电站三相短路电流计算结果显示，发电机出口厂用电分支回路处短路电流是系统与发电机提供的短路电流之和，达102kA，大大超出以往常用的SN4型少油断路器的开断电流，采用进口的SF6断路器进行保护不但价格贵，而且体积大，在百色电站这样的地下电站内设备的布置困难，初步设计阶段采用在厂用变压器高压侧真空断路器前串联限流电抗器来限制短路电流，装设真空断路器对厂用变压器进行短路保护的方式，但这种接线方式也存在设备布置和安装的难度和工作量大、运行时电能损耗和噪音较大的问题。

　　招标设计阶段，参考目前国内同类型工程的成功实例，设计采用大容量高压限流熔断器组合保护装置作为厂用变压器高压侧的保护，该设备能够快速有效开断短路电流，主要由真空或SF6负荷开关、限流熔断器和高能氧化锌电阻组成，三者的控制和保护功能十分明确，利用真空或SF6负荷开关切除额定电流和一般过载电流，减轻其负担，延长其使用寿命和检修周期；利用限流熔断器的快速性在第一个半波内短路电流未升高前强制性地切断短路电流(2ms以内，此时短路电流只上升到预期值的1/7～1/8)，使短路电流无法升高至预期的峰值，避免发电机、变压器发电机母线和厂用变压器遭受强大的峰值短路电流的冲击。同时由于熔断器的快速性和限流性是由其物理特性决定，因此不存在机械拒动发生，因此可靠性高；利用高能氧化锌电阻的限压性和移能性实现快速灭弧以限制由于熔断器截流产生的弧压，保护设备的绝缘安全，同时弧压亦将电流迫入氧化锌电阻中快速衰减。

　　招标文件中要求限流熔断器组合保护装置与离相封闭母线配套采用单相式结构，配置单相式SF6负荷开关，其额定电流1250A，额定开断电流31.5kA。为确保厂用变低压侧短路时，限流熔断器正确动作，限流熔断器的额定电流选择为250A。电气主接线见图1。

　　2.3　发电机中性点接地方式

　　初步设计时发电机中性点采用消弧线圈接地方式，原设计理念是当发电机定子绕组发生单相接地故障时，发电机电压回路对地电容电流超过规定的2A时，采用消弧线圈进行欠补偿，使发电机单相接地电流降至规定值，可带单相接地故障运行2h，以往在电力系统装机容量不足、单机容量占系统容量比例较大的情况下，且当发电机容量不超过200MW一般采用此接地方式。

　　在招标设计阶段，根据投标单位的建议，设计对发电机的中性点接地方式重新进行优化，决定采用中性点经接地变压器(高电阻)接地，其优点为：目前电力系统容量已较大，切除像百色水电站的中型装机容量的机组(单机容量不超过系统容量的3％)，对电网的稳定运行一般不会造成重大影响；且当发电机发生故障时通过接地变压器接地，保护瞬时跳闸停机，一方面可限制其过电压不超过2.6倍额定相电压，对发电机的中性点绝缘水平要求可适当降低；另一方面，利用接地变压器高电阻的损耗作用，可限制机组最大单相接地故障电流不超过10A，避免因故障持续时间长导致定子绕组绝缘受损，扩大发电机故障范围。同时，采用接地变压器接地方式增大了回路的阻尼率，对过电压的幅值及陡度均明显削 弱，避免产生谐振过电压，破坏发电机的绝缘。

　　接地变压器容量选择按照《水力发电厂过电压保护和绝缘配合设计技术导则》(DL/T5090－1999)公式(4.5.2)计算，发电机单相接地时电容电流取2A，考虑变压器一般可短时过载5～6倍的能力，百色水电站取2倍的过载能力，计算变压器容量为20kVA。变压器的低压二次侧连接适当的可变电阻，通过接地变压器的额定变比，使发电机中性点实质为经高压大电阻的接地方式，可简化接地变压器的结构，降低设备造价，减少布置面积。

　　3　结语

　　百色水电站的主要功能为调峰电站，开停机频繁，发电机断路器的机械寿命较高压设备GIS长约2～3倍，更有利于频繁操作。发电机断路器虽然初期静态投资较大，但可以提高电站的可利用性、供电可靠性和电站回报率，因此从电站经济性的动态评估方面具有较强的优势。

　　高压限流熔断器组合保护装置由于其开断能力强，截流值小，动作时间短，速动性好等特性，已成为厂用变压器分支等短路容量大的部位最快速有效的保护装置，装设该装置后，对主要电气设备的短路热稳定和动稳定性能要求大大降低，节省大量资金和设备布置工程量，该装置技术已臻成熟完善，并得到国内同类型工程的广泛运用。