玛纳斯县塔西河二级水电站工程设计说明

摘要:塔西河石门子水利枢纽是以灌溉为主的水利设施,考虑到电站运行的经济性以及水库放水过程的特点和电站运行方式,供电地区负荷特性和电源构成情况,确定装机容量方案为9.5MW(2×4.0+3×0.5MW),并选择相应的水力发电机组、电气主接线方案,对短路电流进行计算,进行过压保护及接地、继电保护方案的设计,最后对二次接线进行了设计。

关键词: 水力发电机组;电气主接线;短路电流;过压保护;继电保护

1 概述

塔西河二级电站的各气象要素为:多年平均气温4.1°C,极端最高气温33.2°C (发生于1987年8月17日),极端最低气温-31.5°C (发生于1987年11月27日),多年平均降水量430mm,多年平均蒸发量1410.8mm (20cm口径蒸发皿)。多年平均气压968.0mb,多年平均水汽压7.6mb。多年平均风速1.7m/s,多年最大风速20m/s,最大风风向W。多年平均无霜期151.4天,多年平均霜日数146天,多年平均雷暴日数17.0天。最大积雪深度40cm,最大冻土深度140cm。

1.1 装机容量的初步拟定

塔西河石门子水利枢纽是以灌溉为主的水利设施,根据水库放水过程分析,灌溉期水库放水量占全年的93.6%,其中6～8月的放水量占全年的68.3%,而非灌溉期11月～次年3月的放水量只占到全年的6.4%,出力只有0.689kW。为充分利用水能资源,考虑新老电站充分结合,新建二级电站装机选用以大机组为主。

考虑到电站运行的经济性以及水库放水过程的特点,电站运行方式如下:11月～次年3月老电站一台小机组运行,4、5月采用新电站一台大机组运行,6月新电站两台机组同时运行,7月新老电站同时运行,8月三台小机组和一台大机组运行,9月三台小机组运行,10月两台小机组运行发电。

根据电站的运行特点。供电地区负荷特性和电源构成情况,确定装机容量方案为:9.5MW(2×4.0+3×0.5MW);

2 水力发电机组的选择

2.1水轮机的选择

本电站为引水式电站,水头变化范围小,运行水头范围为51.8～53.24m,水轮机设计水头51.8m,引用水流量10.0m3/s。

根据其它专业比选推荐方案,装机容量确定为:2×4.0MW,即两台单机容量4.0MW机组。

2.2发电机及调速系统的选择

水轮机选定后与机组配套的发电机型号为SFW-K4000-12/2150。发电机、调速器及其它设备选型参数如下表。

发电机及其它设备表

2.2.1接入电力系统方式

电站位于塔西河干渠桩号3+028处西侧,距塔西河石门子水库3.63km。电站总装机容量8.0MW,单机容量2×4.0MW,共2台机组,发电机额定电压6.3kV,额定功率因数0.8。电站设计水平年2010年,年利用小时数2546.4h,设备年发电量2419.06万kW·h,保证出力0.93MW。根据《玛纳斯县塔西河梯级电站开发建议书》及玛纳斯县电力系统现状,确定该电站接入系统采用一回35kV一级电压接至距电站0.2km的塔西河110kV变电所。塔西河二级水电站以调峰、调频及作为事故备用为主。

2.2.2电气主接线

2.2.2.1 主接线方案

本电站装机容量为2×4.0MW,根据本电站的系统要求和电站的特有性质,发电机出口额定电压6.3kV,额定功率因数0.8,电气主接线推荐为:1F、2F采用单母线接线、35kV侧接线方式采用单母线接线、厂用电接线采用单母线接线方式。

2.2.2.2 主接线方案比较论证

(1) 发电机与变压器组合方式技术比较:

方案一:单元接线

方案二:单母线接线

1、技术比较:详见表1

2、经济比较

两种方案中单母线设备投资省,运行方便可靠。

3、结论

由此可以得出:单元接线较单母线设备投资大。综合上述技术比较内容,推荐发电机与变压器组合方式为:单母线接线方案。

(2) 35kV侧接线方式选择

鉴于本电站至塔西河110kV变电所距离仅0.2km,故采用一回35kV出线单母线接线形式。

(3) 厂用变压器接线形式选择

为提高厂用电可靠性,采用分别从系统侧和单母线侧各接一台厂用变压器形式,从而保证厂用电源两路供电:

其一、机组发电供电供给。

其二、经系统倒供电。

(4) 35kV开关站形式选择

35kV开关站采用户外布置方式。开关室占地面积约为50000×45000mm,出线方便。选用SF6电气设备可改善电气设备的运行条件,减少维护工作量,但占地面积约是户内方案的4倍,设备投资较户内方案小。

35kV开关站采用户内布置方式,须布置4面屏,并预留2面屏的位置,以便将来增加一回35kV出线。开关室面积为15600×7200mm,35kV出线占地面积为10250×15600mm。采用户内设备可改善电气设备的运行条件,减少维护工作量,但设备投资较户外方案大。

综合上述内容,推荐35kV开关站布置方式为户外布置。

2.2.2.3推荐方案电气主接线

综合分析以上方案技术比较论证结果,本电站电气主接线推荐方案为:发电机与变压器组合方式为单母线接线,35kV侧接线方式为单母线接线、厂用电接线为分别从系统和6.3kV母线侧各接一台厂用变压器形式。该推荐方案电气主接线详见图TXHⅡJDZ-DQ-02。

2.2.3主要电气设备

2.2.3.1 短路电流计算

因电力系统未提供系统阻抗值,故暂按系统无穷大考虑计算,标称容量取Sj=100MVA及电气主接线进行了短路电流计算,其成果如下:

2.2.3.2 主要电气设备

根据短路电流计算成果,对35kV断路器和6.3kV断路器等设备进行了校验。由于该地区电网系统容量不大,35kV侧短路容量较小,所选断路器开断能力均可满足要求。另由于该电站地处西天山北麓的低山丘陵区,多洪水,工程区地震基本烈度为Ⅷ度,故电气设备选型及布置上6.3kV采用户内方案,35kV开关站采用户外方案,以提高电站运行的安全性和可靠性。

2.2.4 过电压保护及接地

依据《水力发电厂过电压保护和绝缘配合设计技术导则》,本电站采用架设避雷线保护架空线路;在屋顶布置均压接地网以防止电厂直击雷,消弱对主变压器等电气设备的不利影响;在35kV母线上装设避雷器用以防止雷电侵入波;主变低压侧发电机出口母线上装设避雷器用以防止感应过电压。升压站设置避雷针保护。

接地设计依据《水力发电厂接地设计技术导则》进行,电站接地充分利用自然接地体,接地网主网分为主变平台及厂房接地网,尾水渠及下游河道水下接地网。各接地网之间相互连接,再与水工建筑物、压力钢管等可靠连接,接地电阻要求小于4Ω。

2.2.5.4 励磁系统

励磁系统采用自并励静止可控硅励磁装置,选用环氧树脂浇注干式变压器作为励磁电源变压器。采用两套三相全控桥式整流装置。在发电机机端正序电压下降到额定值的80%时,能保证提供2倍顶值电压50s强励能力。

1)励磁系统主回路

励磁系统电源由并联在机端的励磁变压器,经三相全控桥可控硅整流供给发电机励磁。

励磁变压器为环氧浇注干式结构,F级绝缘,联结组别:Y/Δ—11。

2)励磁调节器

调节器为微机型数字式励磁调节器,自动电压调节器按发电机机端电压偏差进行PID调节;而手动调节通道则以励磁电流作为反馈量进行闭环PID调节。

3)起励方式

励磁系统具备残压起励功能,以直流它励为主要起励方式。起励电流不超过空载励磁电流的15%。它励电源由DC 220V直流系统供给。

4)灭磁方式

机组在正常工况下采取逆变灭磁,灭磁开关始终处于合闸位置;灭磁开关的操作电源为DC 220V。在事故停机(甩负荷停机)时跳开灭磁开关(能量转移型),转子能量经氧化锌非线性灭磁电阻释放。

2.2.5.5 公用辅机控制系统

主要包括:高压空气压缩系统、低压空气压缩系统、压油系统、集水井排水泵系统等的控制系统。

2.2.6 继电保护

依据GBl4285—93《继电保护和安全自动装置技术规程》继电保护配置原则,保护配置方案采用微机保护。

一、发电机变压器保护

(1) 发电机保护

1)主保护

纵差保护。

2)后备保护

低电压启动电流记忆过流保护;

全电流过负荷保护;

转子一点接地保护;

失磁保护;

定子过电压保护;

负序电流保护。

(2)变压器保护

1)主保护

纵差保护;

主变重瓦斯保护。

2)后备保护

主变温度保护;

主变过流保护;

主变过负荷保护;

主变轻瓦斯保护。

二、35kV线路微机型保护

1)主保护

纵差保护。

2)后备保护

三段式相间距离保护;

四段式零序方向保护;

电流速断及过电流。

2.2.7 二次接线

1、同期系统

两台机组设置一套微机自动准同期装置,同期点为发电机出口断路器。35kV线路设置一套微机自动准同期装置,同期点为35kV线路断路器。

手动准同期装置作为备用同期方式,全站同期配置见图TXHⅡJDZ-DQ-05。

2、电量及非电量测量

发变组扩大单元:将发电机定子电流、定子电压、有功功率、无功功率、频率、有功电度、无功电度、转子电压和转子电流以及功率因数等交流测量量和计算量上送机组LCU。

厂用电:将厂用电电压、电流、有功功率等电气量上送公用LCU。

35kV线路:将线路电流、电压、有功功率、无功功率、有功电度、无功电度等交流测量量和计算量上送3F和35kV开关站及公用LCU。

非电气量测量:

电站上、下游水位测量;

机组压力钢管水流压力(流量)测量。

3、直流控制电源

电压等级:220V;

蓄电池型式选用免维护铅酸蓄电池;

蓄电池容量:1×100Ah;

蓄电池组数:1组,共l08只,2V电池;

充电装置:1套;

一套电站专用不间断(UPS)电源,为水电站计算机及表计等提供交流电源。

1)直流负荷计算

直流负荷计算见附表。

2) 接线形式

本电站直流系统为单母线接线,一组电池、一组充电模块单一电压输出、控母与动母分开、有降压装置。两路380V交流电源输入充电模块,将该组充电模块挂接在这套直流系统的控母与合母上。直流系统接线见图TXHⅡJDZ-DQ-06。

事故负荷按一小时计算,计算结果为40Ah。

因本电站继电保护、监控系统为微机型,一次设备断路器操作机构为弹簧或液压型,经常负荷较小。

直流容量选择按照《关于无人值班水电厂试点工作的若干意见》的通知中允许适当放宽中型水电厂装设二组蓄电池的限制,考虑到本电站在系统中的地位,故选择一组100Ah的蓄电池。

参考文献:

[1]《小型水电站电气设计手册--电气一次》 水电出版社 1982年

[2]《高压电器简明读本》

[3]《真空断路器用作中小水电机组和大泵电机主开关的过电压问题》

[4]《电力工程设计手册第三册》

[5]《发电厂变电所电气接线与布置》西北电力设计院编 水电出版社1984年

[6]《电力系统设计》东北电业局编 水电出版社1977年12月

[7]《电力系统运行操作与计算》东北电业局编 水电出版社1977年10月

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