云南省萬家口子水電站電氣設計

李云龍

（吉林省水利水電勘測設計研究院，吉林長春130000）

1 工程概況

萬家口子水電站裝有兩臺水輪發(fā)電機組，單臺機組容量為99 MW，機組額定電壓為13.8 kV，功率因數為0.85（滯后），平均發(fā)電能力為7億1 039萬kW·h。每年利用有效利用小時數3 947 h。萬家口子水電站通過220 kV輸電線路與電網聯(lián)結，出線回路數為1回，線路長度約為35 km，出線送至宣威220 kV變電所，輸送容量為160 MW。壩頂變電所布置在大壩頂上右岸回車場旁邊，變電所內布置2臺干式變壓器和6面低壓配電屏。2臺變壓器各帶一段低壓母線，高壓電源從廠內不同的兩段10 kV母線引接，通過兩根10 kV電力電纜沿電纜溝分別引至壩頂變電所。

2 水電站電氣主接線

根據萬家口子水電站的裝機臺數、單機容量和電力系統(tǒng)運行方式等，將兩臺99 MW發(fā)電機組分別與兩臺SF11—120MVA/220 kV電力變壓器，構成發(fā)電機-變壓器組單元接線，每臺機組的機端各設1臺型號為SCB10-2000 kVA/13.8 kV的高壓廠用變壓器，220KV側采用單母線接線方式。

3 水電站繼電保護配置

保護設置的原則依據相關規(guī)程、規(guī)范的規(guī)定，電站發(fā)電機組、變壓器、220 kV輸電線路等均采用微機型保護裝置。安全自動裝置將依據電力系統(tǒng)的要求進行設置。

3.1 發(fā)電機保護

發(fā)電機差動保護，是比較發(fā)電機定子繞組兩側電流的大小和相位來區(qū)分內部或外部故障，保護范圍除發(fā)電機外，還應包括引出線，保護瞬時動作于停機；復合電壓閉鎖過電流保護，反應發(fā)電機外部相間短路的保護，同時可作為主保護因故拒動或相鄰元件的斷路器失靈時的后備保護，其優(yōu)點在于非對稱短路時有較高的靈敏性，且靈敏性與變壓器繞組的接線無關；發(fā)電機定子繞組過電壓保護，當水輪發(fā)電機突然失去負荷或帶時限切除電氣距離不太遠的外部故障時，由于定子繞組電樞反應和漏磁通的消失或減少，外部故障時強勵裝置動作以及考慮調速器可能動作失靈、轉子速度上升等原因，使發(fā)電機的內部電勢升高至危機定子繞組的絕緣而裝設的定子過電壓保護；發(fā)電機定子繞組過負荷保護，對由對稱過負荷引起的發(fā)電機定子繞組過電流，應裝設過負荷保護；勵磁繞組過負荷保護，勵磁電流超過設定值后帶時限動作發(fā)信并減勵磁；發(fā)電機轉子一點接地保護應能承受并滿足可控硅整流中所產生的高次諧波電壓的作用，在電氣上應采取相應的隔離措施，保護設備的耐壓水平應不低于勵磁繞組的耐壓水平，保護延時動作于信號；發(fā)電機失磁保護，發(fā)電機失磁保護由靜穩(wěn)定邊界阻抗元件、轉子低電壓元件、系統(tǒng)低電壓（暫按機端低電壓考慮）及發(fā)電機出口PT斷線閉鎖元件等組成，保護應能正確反應發(fā)電機勵磁電流異常下降和勵磁電流在發(fā)電機運行中完全消失的工況；發(fā)電機定子繞組接地保護裝置應具有80%以上的三次諧波濾過比，基波及三次諧波出口應可獨立投退，保護帶時限動作于停機并同時發(fā)出發(fā)事故信號；發(fā)電機匝間短路保護，發(fā)電機匝間短路保護在雙星型繞組中性線連線上裝設專用的母線型電流互感器，即采用高靈敏單元件橫差保護，保護裝置瞬時作用于停機。

3.2 變壓器保護

3.2.1 主變壓器保護

主變壓器差動保護是防御變壓器線圈及其引出線的相間短路和繞組的匝間短路，保護瞬時作用于跳主變各側斷路器并發(fā)事故信號；變壓器零序電流保護，變壓器零序電流保護應能反應主變壓器中性點接地運行時高壓側的單相接地短路，保護由兩段構成，每段設兩個時限，第一時限作用于主變高壓側解列及相應的信號；第二時限動作于跳開主變低壓側斷路器；主變后備保護，復合電壓閉鎖過電流保護應滿足主變壓器作為升壓變壓器和降壓變壓器兩種運行工況的要求；變壓器瓦斯保護分為輕瓦斯保護和重瓦斯保護，輕瓦斯保護是指當變壓器因內部故障產生輕微瓦斯時，保護應瞬時動作于信號，重瓦斯保護是指當變壓器因內部故障產生大量瓦斯時，應瞬時動作于跳主變各側斷路器，保護應帶有切換片，以方便可靠地將瓦斯保護投于跳閘或信號。

3.2.2 勵磁變壓器保護

電流速斷保護；過電流保護；溫度保護，溫度高時作用于信號，溫度過高時作用于發(fā)電機出口斷路器跳閘、停機、滅磁及發(fā)事故信號。

3.2.3 機端高壓廠用變壓器保護

1）電流速斷保護作為主保護，當保護作用于跳廠用變高壓側斷路器時應經過大電流閉鎖。

2）廠用變過負荷保護，保護測量機端廠用變高壓側電流，保護動作發(fā)信。

3）廠用變零序電流保護動作跳閘、發(fā)信號。

3.3 220 kV斷路器保護

主變220 kV斷路器保護裝置應是微機型的。斷路器保護裝置中應包括失靈保護起動回路、充電保護。失靈保護起動回路應采用硬壓板選擇投退。經延時后通過母差保護跳開母線上的有關斷路器并發(fā)“啟動斷路器失靈保護”信號。

3.4 低壓廠用變壓器保護測控裝置

10.5/0.4 kV低壓廠用變壓器配置電流速斷保護、過電流保護、零序過電流保護、過負荷。保護裝置帶操作箱，保護裝置裝于低壓廠用變壓器10.5 kV開關柜內。

3.5 10 kV及400 V分段兼?zhèn)渥酝侗Ｗo裝置

備用電源自動投入裝置，能在工作電源因故障被斷開后自動且迅速地將備用電源投入，簡稱AAT，工作電源或設備上的電壓，不論何種原因消失，除有閉鎖信號外，自動投入裝置應延時動作，萬家口子水電站采用2套400 V自動備投裝置（其中1套用于廠房，1套用于壩區(qū)）和3套10 kV廠區(qū)用電自動備投裝置。10 kV母線裝設2套進線備自投和1套分段備自投，當母線失電時首先啟動分段備自投，分段備自投失敗再啟動進線備自投。廠區(qū)備投裝置由保護廠家組箱安裝，壩區(qū)備投裝置安裝壩區(qū)400 V聯(lián)絡開關柜上。自動備投裝置應帶有與電站計算機監(jiān)控系統(tǒng)的數據通信口（RS485）及I/O信號輸入、輸出接點。

4 自動控制系統(tǒng)

萬家口子水電站自動化內容包括機組及其附屬機械設備和全廠共用機械設備的自動化、機組自動調速系統(tǒng)、發(fā)電機自動勵磁、發(fā)電機自動同期和自動重合閘裝置等。萬家口子水電站監(jiān)控系統(tǒng)由上位機（操作員工作站）、現地控制單元、以太網通訊接口、語音報警裝置、GPS等構成。全站的控制均可在操作員工作站上完成，各種信息均可在操作員工作站上實時監(jiān)視。現地控制單元脫離上位機可以獨立運行。

5 勵磁系統(tǒng)

在進行發(fā)電機勵磁系統(tǒng)設計時，應根據發(fā)電機組的容量、電站的特點及電力系統(tǒng)的要求，與電機制造廠密切配合，合理選型，使得它既能適應發(fā)電機和電力系統(tǒng)運行穩(wěn)定性和供電質量的要求，而又接線簡單、經濟可靠。勵磁系統(tǒng)的首要任務就是維持正常運行的發(fā)電機電壓接近恒定，同時，也對整個電力系統(tǒng)電壓的穩(wěn)定起著主導作用。因而，一個良好的勵磁系統(tǒng)對電站，乃至整個電力系統(tǒng)的良好運行，都是十分重要的，而且可以有效地提高發(fā)電機及與相聯(lián)的電力系統(tǒng)的技術經濟指標。如提高穩(wěn)定極限運行水平、降低電機參數要求等。萬家口子水電站勵磁方式采用微機式靜止可控硅勵磁。調節(jié)部分采用雙微機調節(jié)器。調節(jié)器具有同微機監(jiān)控的通訊接口，可將勵磁系統(tǒng)的信息實時上送到監(jiān)控系統(tǒng)，同時接受監(jiān)控系統(tǒng)的投、切及調節(jié)指令。自動調節(jié)勵磁裝置在調節(jié)過程中應保證整個系統(tǒng)是穩(wěn)定的。因為在調節(jié)過程中不論是調節(jié)裝置本身還是勵磁系統(tǒng)，在電磁和機械兩方面都有慣性作用，即被調量不是一次到達新的穩(wěn)定值，而是經過一個振蕩過程才達到這個穩(wěn)定值，自動勵磁調整裝置的調節(jié)過程應當是一個振蕩衰減的振蕩，而且調整時間應盡可能短，這樣就能使系統(tǒng)穩(wěn)定。

6 全廠接地設計

全廠設總接地網，接地裝置應充分利用自然接地體及水下部分的鋼筋網，將主、副廠房部分、尾水管道部分、引水壓力管道部分、進水口建筑物及壩體部分形成統(tǒng)一接地網。鑒于電站周邊地質均為巖石和鵝卵石,土壤電阻率高，為保證電站接地電阻值在任何季節(jié)不大于4 Ω，必須采取人工降阻措施。該階段初擬采取ALG防腐離子接地體與降阻劑相結合的降阻方式，以滿足接地電阻值的要求。

7 直流電源

自動裝置和控制系統(tǒng)以及繼電保護裝置等是保證電站主電源安全可靠工作的裝置。供給這些裝置的工作電源，一般不應該取自主電源，而應另設獨立電源，獨立電源通常是蓄電池組，因此控制保護的工作電源系統(tǒng)稱為直流系統(tǒng)，萬家口子水電站選一套300 Ah鉛酸免維護智能型高頻開關電源裝置，該電源同時兼作全廠的事故照明電源。

8 結語

總結萬家口子水電站電氣設計經驗如下：

1）在設備選型上，必須采用正規(guī)生產廠家的產品。

2）設計中，設計部門必須同生產廠家密切配合，將每一具體問題落實準確，避免現場修改設計方案。

3）采用微機監(jiān)控的電站工程，一定要配備先進的水機自動化元件。

4）把握住關鍵環(huán)節(jié)，對容易出現問題的部位嚴把質量關。

5）對于保護方式隨運行方式改變的回路必須加裝連接片，便于現場運行操作。