劉偉 黃戡 陶鋒

摘要：

為提高碾盤山水電站的廠用電供電系統(tǒng)可靠性，針對樞紐工程貫流機(jī)組自用電負(fù)荷大，供電可靠性要求高等特點(diǎn)，分析廠用電系統(tǒng)設(shè)計(jì)原則，計(jì)算廠用電最大負(fù)荷，總結(jié)出碾盤山水電站廠用電系統(tǒng)接線與運(yùn)行方式：以10 kV和0.4 kV兩級電壓供電，采用機(jī)組自用電和全廠公用電混合的供電形式，廠用電母線采用0.4 kV分段環(huán)形接線，母線之間基于PLC實(shí)現(xiàn)備自投功能。實(shí)踐證明，碾盤山電站的廠用電系統(tǒng)設(shè)計(jì)合理可行并安全可靠。

關(guān)鍵詞：

廠用電系統(tǒng)； 供電可靠性； 分段環(huán)形接線； PLC； 備自投功能； 碾盤山水電站

中圖法分類號：TV734

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

DOI：10.15974/j.cnki.slsdkb.2023.03.011

文章編號：1006-0081（2023）03-0063-03

0 引 言

碾盤山水利水電樞紐工程位于漢江中下游湖北省鐘祥市境內(nèi)，是漢江流域綜合開發(fā)治理工程之一，除發(fā)電外兼具航運(yùn)、泄洪、灌溉、供水等功能。該工程為Ⅱ等大（2）型工程，電站廠房內(nèi)安裝6臺單機(jī)額定容量30 MW的燈泡貫流式水輪發(fā)電機(jī)組。燈泡貫流式電站廠用電系統(tǒng)用電負(fù)荷較為分散，機(jī)組自用電負(fù)荷大，對供電可靠性要求高，因此其廠用電系統(tǒng)比一般水電站復(fù)雜。針對碾盤山水電站廠用電系統(tǒng)工作特點(diǎn)，參考同類電站的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，選定10 kV和0.4 kV兩級電壓、機(jī)組自用電和全廠公用電混合的供電方式。

本文以碾盤山水電站的廠用電系統(tǒng)設(shè)計(jì)為切入點(diǎn)，為提高其供電可靠性，討論了電站廠用電系統(tǒng)不同的接線形式及實(shí)現(xiàn)方式。目前，水電站廠用電接線形式多以單母線或單母線分段接線為主，廠用電源切換采用常規(guī)的備自投裝置為主［1-3］。廠用電系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，低壓廠用電母線采用分段環(huán)形接線形式，并通過PLC實(shí)現(xiàn)電源間的備自投功能，有效提高了廠用電系統(tǒng)的供電可靠性。

1 廠用電系統(tǒng)設(shè)計(jì)原則

碾盤山水利水電樞紐從左至右依次布置為左岸連接土壩、24孔開敞式平底泄水閘、河床式燈泡貫流廠房、連接混凝土重力壩（含魚道）及船閘等，軸線總長1 200.0 m，電站廠用電系統(tǒng)具有用電負(fù)荷分散、供電范圍廣，供電距離遠(yuǎn)等特點(diǎn)。廠用電系統(tǒng)設(shè)計(jì)遵循以下兩個原則：① 系統(tǒng)采用兩級電壓供電來保證電能質(zhì)量，高壓廠用電電壓采用10 kV，低壓廠用電電壓采用0.4 kV。② 為確保全部機(jī)組可同時運(yùn)行或單個機(jī)組運(yùn)行，必須保證同時有不少于2個的獨(dú)立廠用電電源。當(dāng)全部機(jī)組停止運(yùn)行時，必須保證至少有1個獨(dú)立電源。

2 廠用電接線設(shè)計(jì)

2.1 廠用電電源

電站發(fā)電機(jī)-變壓器組接線方式采用兩機(jī)一變的擴(kuò)大單元接線，全廠共3組擴(kuò)大單元，從每個擴(kuò)大單元發(fā)電機(jī)電壓母線引接一廠用電工作電源。根據(jù)NB/T 35044-2014《水力發(fā)電廠廠用電設(shè)計(jì)規(guī)程》，當(dāng)擴(kuò)大單元組數(shù)量在2～3組時，至少從2組擴(kuò)大單元引接。為提高廠用電系統(tǒng)供電可靠性，選用靈活的匹配機(jī)組運(yùn)行方式，從3組擴(kuò)大單元發(fā)電機(jī)電壓母線各引接1回廠用電工作電源，3回廠用電工作電源之間互為備用。由樞紐附近的110 kV文集變電站引接1回10 kV線路至廠用電10 kV母線，作為電站廠用電系統(tǒng)的備用電源。全廠停機(jī)時，系統(tǒng)可以倒送電以保證供電。同時，另設(shè)一臺柴油發(fā)電機(jī)組作為廠用電保安電源。

2.2 廠用電接線方式

10 kV高壓廠用電系統(tǒng)分為3段母線，采用單母線分段接線。工作電源分別從3個擴(kuò)大單元的10.5 kV隔離變壓器引接，母線編號為1LM，2LM與3LM，備用電源從文集變電站10 kV母線接入10 kV廠用電母線2LM。三段母線之間設(shè)母聯(lián)斷路器并采用PLC實(shí)現(xiàn)“四進(jìn)三出”備用電源自動投入功能。系統(tǒng)正常運(yùn)行時，各母線分段運(yùn)行；任意母線失電時，由其他母線自動投入供電。備用電源自動投入裝置要求出口邏輯設(shè)定靈活，避免任一母線上的兩個斷路器同時合閘沖擊同一段母線。

廠用電接線0.4 kV進(jìn)線4回，0.4 kV廠用電母線分Ⅰ，Ⅱ，Ⅲ段，分別從廠用電的10 kV母線1 LM，2 LM與3 LM上的10 kV廠用變壓器引接，柴油發(fā)電機(jī)出線接至廠用電0.4 kV的Ⅱ段母線。三段母線采用分段環(huán)形接線，各段母線之間設(shè)母聯(lián)斷路器，并設(shè)置備用電源自動投入裝置。各段母線分段運(yùn)行，母線上的負(fù)荷均勻分配。根據(jù)廠用電負(fù)荷性質(zhì)和分布地點(diǎn)，采用輻射式供電。廠用電系統(tǒng)接線如圖1所示。

碾盤山水電站低壓廠用電系統(tǒng)采用分段環(huán)形的接線方式。分段環(huán)形接線是一種較普通輻射式供電更為可靠的接線形式，在城市電網(wǎng)中廣泛應(yīng)用，能夠一定程度上確保供電可靠性［4］。其劣勢在于，與常規(guī)接線方式比較，增加了設(shè)備投資，備自投裝置動作邏輯復(fù)雜。

水電站低壓廠的分段環(huán)形接線，分別從三段發(fā)電機(jī)出口電壓母線，引接三路工作電源，當(dāng)某一段或二段發(fā)電機(jī)出口電壓母線停電檢修或電源回路設(shè)備突發(fā)故障時，對整個低壓廠用電系統(tǒng)不會產(chǎn)生較大影響。當(dāng)發(fā)生停電事故，只需合閘與帶電母線間的母線分段開關(guān)即可恢復(fù)供電。若采用常規(guī)單母線分段接線，當(dāng)中間母線即Ⅱ段母線故障時，Ⅰ段和Ⅲ段母線有可能因本段母線電源發(fā)電機(jī)停機(jī)而失電，且較分段環(huán)形接線，設(shè)備投資只減少了1臺分段聯(lián)絡(luò)柜及若干連接導(dǎo)體約15萬元。本工程中應(yīng)優(yōu)先考慮供電可靠性，且采用分段環(huán)形接線增加投資不明顯，采用該方案是適宜的。

3 廠用電設(shè)備選擇

3.1 廠用電最大負(fù)荷計(jì)算

樞紐供電范圍包括壩區(qū)、泄水閘、電站廠房以及船閘。電站廠用電負(fù)荷包括機(jī)組自用電和公用電（含檢修用電）。在全部機(jī)組正常運(yùn)行和1臺機(jī)組檢修、其余機(jī)組正常運(yùn)行的兩種工況下，各用電部位計(jì)算負(fù)荷采用綜合系數(shù)法計(jì)算［5］，統(tǒng)計(jì)負(fù)荷情況如表1所示。

根據(jù)負(fù)荷統(tǒng)計(jì)結(jié)果，廠用電最大負(fù)荷出現(xiàn)在1臺機(jī)組檢修，其余機(jī)組正常運(yùn)行時，經(jīng)計(jì)算額定功率總和為2 549 kW，取綜合系數(shù)為0.79，則廠用電最大負(fù)荷為Sjg=0.79×2 549=2 013.7 kW。選用廠用變壓器3臺，每臺的額定容量不低于廠用電最大負(fù)荷的60%，并考慮1.3倍的過負(fù)荷，可選用1 600 kW。廠用變壓器為正常供電電源，當(dāng)全廠停機(jī)，該組變壓器停運(yùn)時，可投入備用電源或系統(tǒng)倒送電承擔(dān)廠用電負(fù)荷。

3.2 廠用變壓器型式及布置

為滿足樞紐布置、防火及節(jié)能要求，廠用變壓器選用SCBH15型非晶合金干式變壓器。非晶合金干式變壓器和常規(guī)的硅鋼片變壓器相比，空載損耗降低 70%～80%，空載電流降低40%～50%［6］。根據(jù)廠用電負(fù)荷計(jì)算容量，3臺廠用變壓器可選擇型號為SCBH15-1600/10.5±2×5%/0.4 kV。

廠用電負(fù)荷主要集中在高程41.7 m水泵層、47.7 m運(yùn)行層和53.8 m運(yùn)行層，因此廠用電配電設(shè)備主要布置在高程47.7 m運(yùn)行層的電氣副廠房內(nèi)。為方便運(yùn)行管理，同時方便廠用變壓器與低壓柜的連接，3臺廠用變壓器均布置在廠房低壓配電室內(nèi)，與廠用0.4 kV低壓柜并排放置。變壓器本體加固外殼，10 kV與0.4 kV側(cè)引出線分別與高、低壓柜連接，其中高壓側(cè)采用電纜連接，低壓側(cè)采用銅排與低壓柜側(cè)面連接。低壓柜采用抽屜式開關(guān)柜，分兩列對向布置，0.4 kV的Ⅰ段母線同列布置，Ⅱ段與Ⅲ段母線單獨(dú)一列布置，Ⅰ段與Ⅱ段和Ⅲ段母線間通過低壓母線槽連接形成環(huán)網(wǎng)。

4 廠用電運(yùn)行方式

碾盤山水電站0.4 kV廠用電系統(tǒng)包含3個正常工作電源，1個交流保安電源，共有4個電源進(jìn)線開關(guān)以及3個母線分段開關(guān)，并通過1臺PLC實(shí)現(xiàn)備自投功能。

傳統(tǒng)的備用電源自動投入裝置采用各種繼電器、接觸器、開關(guān)等設(shè)備，根據(jù)不同的運(yùn)行方式構(gòu)成備自投回路，設(shè)備體積大、接線復(fù)雜、可靠性差。近年來廣泛采用微機(jī)型備用電源自動投入裝置，其特點(diǎn)是擁有完善的故障邏輯判斷和可靠的故障響應(yīng)，但基本用于典型的分段自投或進(jìn)線自投裝置。傳統(tǒng)的備用電源自動投入裝置和微機(jī)型備用電源自動投入裝置很難滿足碾盤山水電站廠用電系統(tǒng)的安全可靠運(yùn)行要求?；?PLC 實(shí)現(xiàn)的備用電源自動投入裝置與常規(guī)備自投裝置相比，不僅動作邏輯實(shí)現(xiàn)起來更加簡單，還可隨時通過修改程序?qū)崿F(xiàn)邏輯變換，設(shè)備投資少，是一種性價比較高的廠用電備自投實(shí)現(xiàn)方法［7-8］。

碾盤山水電站0.4 kV廠用電系統(tǒng)備自投方案見表2，其運(yùn)行邏輯關(guān)系如下。

（1） 正常工作時，3臺廠用變壓器為主供電源，3段母線獨(dú)立運(yùn)行，所有分段斷路器、保安電源均斷開。

（2） 當(dāng)檢測到本段母線廠用變壓器失電時，斷開本段母線廠用變壓器低壓側(cè)斷路器，合上與第一備用電源母線間的分段斷路器。

（3） 當(dāng)檢測到本段母線廠用變壓器、第一備用電源母線廠用變壓器均失電時，斷開本段母線廠用變壓器低壓側(cè)斷路器，斷開與第一備用電源母線間的分段斷路器，合上與第二備用電源母線間的分段斷路器。

（4） 當(dāng)檢測到本段母線廠用變壓器、第一備用電源母線廠用變壓器、第二備用電源母線廠用變壓器均失電時，退出母線備自投功能，運(yùn)行人員可根據(jù)當(dāng)時實(shí)際情況選擇是否投入柴油發(fā)電機(jī)［8］。

5 結(jié) 語

碾盤山水利水電樞紐對漢江干流梯級開發(fā)有著重要作用，廠用電系統(tǒng)的供電可靠性直接關(guān)系到整個樞紐的效益以及泄洪、航運(yùn)設(shè)施的安全運(yùn)行，廠用電系統(tǒng)的設(shè)計(jì)在滿足相關(guān)規(guī)程規(guī)范前提下，供電的安全性與可靠性應(yīng)放在首位。本文對碾盤山水電站的廠用電系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案進(jìn)行總結(jié)，分析了分段環(huán)形接線形式以及PLC備自投裝置應(yīng)用在廠用電系統(tǒng)中的優(yōu)劣性和可行性，實(shí)踐證明碾盤山電站的廠用電系統(tǒng)設(shè)計(jì)合理可行并安全可靠，可供類似工程借鑒。

參考文獻(xiàn)：

［1］ 徐則誠，董曉寧，王樹清，等.巴基斯坦卡洛特水電站廠用電系統(tǒng)設(shè)計(jì)［J］.水利水電快報(bào)，2021，42（11）：84-87.

［2］ 張飛躍.角木塘水電站廠用電系統(tǒng)設(shè)計(jì)［J］.四川水利，2019，40（6）：67-69.

［3］ 張蕾.三河口水電站廠用電系統(tǒng)設(shè)計(jì)［J］.陜西水利，2017，9（5）：109-111.

［4］ 梁改革，趙躍宇，牛茂云.10 kV配電網(wǎng)合環(huán)運(yùn)行研究［J］.電工技術(shù)，2016（12）：29-30，35.

［5］ 陳幫秀.新形勢下高效節(jié)能非晶合金干式變壓器的發(fā)展［J］.建筑電氣，2021，40（6）：17-20.

［6］ 水電站機(jī)電設(shè)計(jì)手冊編寫組.水電站機(jī)電設(shè)計(jì)手冊（電氣一次）［M］.北京：水利電力出版社，1982.

［7］ 安振，楊杰.應(yīng)用PLC實(shí)現(xiàn)的水電站廠用電備自投功能［C］∥2021年年會暨全國水電廠智能化應(yīng)用學(xué)術(shù)交流會論文集.北京：中國水力發(fā)電工程學(xué)會自動化專委會，2021.

［8］ 趙亮，曹春巖.烏東德水電站廠用電系統(tǒng)設(shè)計(jì)介紹［J］.水電與新能源，2018，10（32）：26-28，78.

（編輯：唐湘茜）

Design of auxiliary power system for Nianpanshan Hydropower Station

LIU Wei1，HUANG Kan1，TAO Feng2

（1.Hubei Institute of Water Resources Survey and Design，Wuhan 430070，China； 2.Water Resources Allocation Engineering Construction and Management Bureau of Northern Hubei Province，Wuhan 430062，China）Abstract：

In order to improve the reliability of auxiliary power supply system of Nianpanshan Hydropower station，the design principle of auxiliary power system was analyzed and the maximum load of auxiliary power was calculated according to the characteristics of large self-power load and high demand for power supply reliability of tubular units in key project，the connection and operation mode of auxiliary power system of Nianpanshan Hydropower Station was summarized，which is supplied with 10kV and 0.4 kV voltage，and the power supply mode was mixed with the self-use power of the unit and the public power of the whole power plant，the auxiliary power bus adopts 0.4 kV segment ring connection，and the auxiliary automatic switch function was realized between the buses based on PLC.The practice proved that the auxiliary power system design of Nianpanshan Hydropower Station was reasonable，feasible，safe and reliable.

Key words：

auxiliary power system； power supply reliability； segment ring connection；PLC； automatic switch function； Nianpanshan Hydropower Station

收稿日期：

2022-04-21

作者簡介：

劉 偉，男，高級工程師，主要從事水利水電工程電氣設(shè)計(jì)工作。E-mail：adamzorro@163.com