张峰水电站电气一次系统设计

李祖杰

（山西省水利水电勘测设计研究院 山西太原 030024）

1 张峰水电站电气一次系统设计思路

张峰水电站按工程规划主要利用水库供水、农村人畜用水、对下游河道的补水以及水库部分弃水进行发电。由于发电流量服从供水要求，因此水电站按无调节电站考虑。为了充分发挥水库各时段各种形式放水的全部水量进行发电，有效利用不同形式放水所形成的水头能量，尽最大能力扩大装机容量增加发电量。因此，根据不同形式放水分两部分确定装机，一是利用通过总干输水的工业供水和部分农业桑园灌溉供水的流量和水头进行发电；二是通过河道输水的下游河道的补水和汛期弃水的流量和水头进行发电。电站厂房按不同的动能指标，根据地形的实际分别建设两座厂房。装机容量和台数，根据不同的动能指标按两座厂房分别设计。

2 发电机容量选取

装机容量及机组台数应根据不同的电站动能参数分别按两座厂房进行确定。

1）渠首电站

渠首电站发电流量主要是利用通过总干输水的工业供水和部分农业灌溉供水。工业供水为2.92 m3/s，农业灌溉供水为3.54 m3/s。由于农业灌溉保证率为50%，灌溉供水历时较短，如果1#厂房发电流量按全部的工业供水和农业灌溉供水计算，将增大装机容量，降低机组年利用小时数。因此从提高机组年利用小时数，充分发挥机组的利用率角度考虑，1#厂房发电流量按全部工业供水和部分农业灌溉供水计算，最大流量为4 m3/s。根据电站的动能指标，机组选型套用国内现有的机型及配套的发电机组最为经济。因此，装机容量按套用机组两台，容量为2×630 kW。

2）川坡电站

川坡电站发电主要是利用河道输水为下游河道补水和汛期弃水的流量作为发电流量。由于发电流量服从放水要求，因此电站按无调节电站考虑。电站动能指标发电流量为1.5～15m3/s，电站工作水头32～63m，经水能计算年平均发电量为2 019.3 kW·h。

由于该电站动能指标变幅梯度较大，装机容量确定既要满足最大动能指标的要求，又要能够充分发挥机组利用率提高年利用小时数。因此本站的装机容量确定，根据动能指标选择不同容量的机组进行搭配，保证在不同的动能指标下机组都能在高效区运行。

电站机组选择，按最大发电流量15 m3/s将机组容量分成两种级别，一种是选择一台最大发电流量7 m3/s，容量为3 200 kW；另一种是选择两台最大发电流量4 m3/s，容量为1 500 kW。当水库以15 m3/s或以上流量放水时，三台机组全部投入运行；水库放水在4～7 m3/s时可以投入一台大机组（3 200 kW）运行；水库放水在4 m3/s以下流量时可以投入一台小机组运行；水库放水在4～8 m3/s时可以投入两台小机组同时运行。以上的运行方式既满足了水库大流量放水又满足了小流量放水发电的要求，可以充分利用水力资源。

3 接入电力系统设计

水电站的接入系统设计要结合所在地区的负荷分布及电站的供电范围进行[1]，并对当地电网进行充分的调研，与电力系统进行充分协商后确定接入电力系统设计，确定送出电压等级、供电距离及电站的电气接线方式，接入系统设计的优越与否对电站的投资成本及运行的经济效益起到至关重要的作用，合理的接入系统方式是将电站的电能安全、经济、合理地送入电力系统，充分发挥水电效益是首要条件。由于张峰水电站所处地区为山西省水电网发达地区，经调研并与当地的水电局、国电公司协商后确定本电站的接入站点为张峰35 kV变电站。

4 水电站一次系统设计

水电站的经济效益和运行安全都受一次系统主接线形式的影响，一次系统设计的主要组成部分就是一次接线设计，要设计出最佳电气体系实际接线方式，选择最佳的接线设计策略[2]。在进行一次接线设计时，首先要考虑的因素就是各电压等级母线状况和线路进出线方向，以实际荷载为依托，确定一次系统设计需要的变压器的数目和最大负荷，选择最佳方案，使变压器和水电站之间不同等级电压相连接。并从水电站的实际情况出发，对所有的接线方法的经济性和实用性进行比较，从中选择最适合该水电站的一次系统接线设计方案。

张峰水电站的总装机规模为渠首电站2×630 kW，川坡电站（2×1 500+3 200）kW。为充分发挥水库各时段各种形式放水的全部水量进行发电的经济效益，对五台发电机发电各种工况组合进行比较，本着接线方案经济、合理的原则，确定以下运行方式。

1）两台630 kW及一台1 500 kW发电机运行时采用4 000 kVA升压变压器；

2）另一台1 500 kW和3 200 kW发电机运行时采用6 300 kVA升压变压器；

3）最大运行方式时，4 000 kVA和6 300 kVA全部运行。

根据张峰水库渠首电站、川坡电站工程的装机容量、运行方式、地理位置及电气主接线的设计要求，确定电站的35 kV侧采用单母线接线方式，10 kV侧由于发电机装于两电站，故将10 kV侧分为三段母线，三段母线可并联运行，也可分段运行。

5 设备选择

短路电流计算是评价和比较主接线方案的最基础性工作[3]。设备选择最主要的依据是系统的短路电流计算，通过准确的计算选择设备及导体的开断电流并进行动热稳定校验，对接线方案中不满足计算结果的采取一些防范措施，如限流设备、增大开关设备的开断电流等。一次设备的选择主要运用系统的最大短路电流，一般情况下在工程初步设计批复以前供电部门不能明确给出此值，只能按系统变电站的出线开关的开断电流进行计算，计算结果可能会出现偏大，但所选设备完全满足工程要求，故计算中一般采用此种方法。

张峰水电站短路电流计算时假设线路侧的电流无限大，并按照100 MW的基准容量计算无穷大电源系统，短路点在35 kV母线及10 kV母线共设两点。设备选择依据《导体和电器选择设计技术规定》有关内容进行计算及校验。

6 设备布置

电站的设备布置一般分成三部分，即主厂房、副厂房及开关站，主厂房通常布置与机组有关的相关设备，如测温制动屏、励磁屏、中心点互感器柜等，这样方便机组现地操作，并可减少电缆长度，节省电缆投资；副厂房可根据电站的地形特点选择进、出水侧或一侧布置，通常布置高低压开关柜、控制屏等设备；开关站一般布置变压器及升压设备，对升压设备一般要进行户内外比较，水电站一般地处山区，户外建设的的投资均要大于户内建设投资，故一般均采取户内布置。另在开关站要留有供电部门要求通讯屏、电源屏等设备空间。设备布置的合理性不仅能降低水工建筑成本，减少电缆投资，而且可直接影响电站的运行效益及运行成本。

7 防雷接地

接地网作为电站交直流设备的接地及防雷保护，直接影响系统的安全运行，更对人身及设备的安全运行起着至关重要的作用。电站的接地系统包括工作、保护、雷电三种，工作保护是为系统运行需要所设，保护是设备金属外壳、构架、杆塔等，由于绝缘损坏后可能导电而设的接地，雷电保护则是为雷电保护装置向大地泄放雷电流而设。通常在电站设计中将三种接地设计为工作保护接地网及防雷保护接地网，二者互不相联，地中的距离不小于15 m。接地网对接地网络及接地电阻的要求较高，网格设计不合理会造成接地系统电位分布不均，局部电位超过安全值；也可能出现反击从而破坏低压、二次设备以及电缆绝缘，使高压窜入电站二次保护监控系统，从而造成保护监控系统发生误动、拒动，最终酿成事故，甚至是扩大事故，由此带来巨大的经济损失和社会影响[4]。接地电阻要限制在规定范围内，如果接地电阻较大，在发生系统接地故障时，有可能造成地电位异常升高，造成设备的绝缘破坏，影响设备寿命。

张峰电站的接地网充分利用钢筋混凝土厂房结构，将主钢筋有效焊接形成大的接地网，并在厂房外设外引接地极作为工作保护接地网，在厂房另一侧设防雷保护接地网，这样有效防止电位分布不均及出现反击现象。由于张峰电站位于张峰水库的左坝头，水为降阻的最好介质，外引接地线至大坝下游或引至大坝中，这样对降低接地电阻提供了一种有效的途径。

8 结语

在设计水电站电气一次系统时，需要综合考虑，对接入系统进行设计确认后，把电气主接线的设计作为设计重点。由于接线类型直接影响着供电的可靠性、稳定性，所以，在设计过程中，要根据电压等级的出线方向和母线情况，合理地选择接线方案，通过短路电流选择合理的电气设备，辅以合理的设备布置，以保证水电站平稳、安全、有效地运行，充分发挥水电站的经济和生态效益。

参考文献：

［1］丘国强.小型水电站接入系统设计方案［J］.电力科学与工程，2009，25（9）：58-60.

［2］刘秋华.大中型水电站电气防误系统设计［J］.电力自动化设备，2010，30（3）：103-106.

［3］陈树文.超大型水电站电气主接线设计［J］.水电站设计.2002，03（03）：86-88.

［4］张桂荣.浅谈110 kV变电站接地电阻超标问题及改造［J］.科技与创新，2014，03（03）：40-41.