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水电站电气主接线优化设计研究

摘要:水电站电气主接线设计合理与否直接影响到电力系统、水电站等安全运行。以某水电站为研究对象,设计了单母线接线、扩大单元接线等几种形式,通过对比其经济性、灵活性和可靠性,获得该电站最优电气主接线。

关键词:水电站;电气主接线;设计

电气主接线就是将发电机、变压器、断路器、隔离开关、电抗器、电容器、互感器和避雷器等一次电气设备按照预期的生产流程构成的电能生产、转化、输送和分配的电气回路。其设计是大中小型水电站电气部分设计的重要组成之一,直接影响各种电气设备的选择、配电装置的布置以及继电保护的确定,对于建成后水电站的安全经济运行有着至关重要的作用。以往水电站电气主接线设计主要围绕短路计算,变压器、配电装置以及无功补偿装置等开展电气主接线具体设计,即重点在于短路计算和设备选型,对电气主接线方式分析不足。本文在总结电气主接线理论和工作经验的基础上,以某水电站为例,具体分析发电机侧和变压器侧均用单母线接线、发电机侧采用单元接线和扩大单元接线而变压器侧采用单母线接线、发电机侧单母线接线而变压器侧角形接线、电源单元及扩大单元而主变角形接线等方案的优劣,获得最优电气主接线设计方案,进而强调了电站电气主接线设计优化的重点。

1电气主接线设计原则

主接线设计应满足可靠性、灵活性和经济性等3项基本要求。具体要求如下:

1.1可靠性

供电可靠性是电力生产和分配的首要要求,主接线首先满足这个要求。可靠性的衡量标准具体如下:1)断路器检修时,系统的供电不宜受影响。2)断路器或者母线发生故障以及母线检修时,尽量减少停运的回路数和停运时间。3)尽量避免发电厂,变电所全部停运的几率。

1.2灵活性

主接线应满足在调度、检修及扩建时的灵活性。1)调度时,应可以灵活得投入和切除发电机变压器和线路,满足系统在事故运行方式、检修运行方式系统调度,并尽可能减少隔离开关的操作次数。2)检修时,可以方便的停运断路器和其他继电保护装置,进行安全检修而不至于影响电力系统的管理运行和对用户的供电。

1.3经济性

1)主接线应尽量简单,以节省断路器、隔离开关、电压互感器和电流互感器、避雷器等一次设备。2)要使继电保护和二次回路不过于复杂,以节省二次设备。3)要能限制短路电流,以便于选择廉价的电气设备或者低耗电电器。

2水电站电气主接线设计方案

2.1研究对象

某水电站装机3台,电站单机容量为500kW、总装机容量为1500kW,发电机的出口电压为3kV,主变高压侧电压为35kV电压等级,经过一回线与系统相互连接。为此,根据发电厂电气主接线设计原理,设计4种方案如表1所示。

2.2具体方案

1)发电机侧和变压器侧均用单母线接线。如图1所示,整个配电装置发电机侧和变压器侧都有且仅各有一条母线(即单母线接线),不同的发电机进线和出线都分别通过隔离开关和断路器被连接到同一条母线上。因此各个电源可以通过母线不仅可以确保并列工作,又能让出线回路同时经过2个冗余的变压器从3个发电机上得到产生的电能。这种接线型式简单明了、所需设备较少、成本低,利于扩建及采用成套的配电装置。2)发电机侧采用单元接线和扩大单元接线,变压器侧采用单母线接线。如图2所示,单元接线是电源与变压器低压侧间只装设刀闸,变压器高压侧装置断路器。这种接线型式接线简单、空间占用少、继保简单,任何一个元件的检修或者故障只会影响此单元的运行。单元接线会使主变和高压电气设备复杂,高压设备占用空间增多,投资相对较大。

3主接线设计对比分析

3.1经济性比较

由于本设计是小型水电站的电气初步设计,主要考虑经济型,灵活性及可靠性,表2是对电站所需变压器、隔离开关(刀闸)、断路器的数量初步预算。

3.2可靠性、灵活性对比

方案1由于不同的发电机进线和出线都分别通过隔离开关和断路器被连接到同一条母线上,检修及控制灵活性不高、可靠性差。当断路器检修时,整条回路需要全部停电检修。母线或隔离开关出现故障或检修时就要电站全部停电操作。方案2扩大单元接线是2台及以上的发电机连接1台主变,故障波及范围较大,主变检修或者出现故障时,此种接线将不能把2台机组容量送出,因此可靠性较差。方案3采用角形接线,该连接方式在任何一2016年10月机电技术台断路器故障或者检修时,闭环运行转变成开环运行,如若此时再有一处发生故障,将造成供电紊乱,因此可靠性降低。因为扩建困难,也不适合将来要扩建的电站。方案4可靠性比较高,检修维护方便。闭环运行有较高的可靠行及灵活性;检修任何一台断路器仅须断开断路器和两边的刀闸,操作简单无任何回路停电;断路器使用数量较少,投资省、占地少。

3.3综合分析

方案2虽然经济性较好,但多应用于4台及4台以上机组的电站比较实用,所以本设计电站不宜采用。方案3、4的电气设备投资相对而言比较多,灵活性也能满足设计要求,但是隔离开关需要带电倒闸操作,大大增加了误操作的概率,如果出现两处断路器故障,将导致供电紊乱且继保复杂,直接影响到了可靠性,因此也不是最佳方案。方案1虽然经济性性没有方案2可靠,但电能损失较小,而且不容易出现倒闸操作,可以降低事故率,这种方案对装机1500kW的电站来说非常实用。由于设计的水电站属于小型水电站,运用复杂且昂贵的接线方案增加成本不经济,在满足供电可靠和电能质量的条件下选择接线简单、运行灵活和操作简便的主接线,同时应尽可能降低投资、减少运行费用、满足扩建的要求。所以综合考虑之后,选取方案1作为最佳方案。

4结束语

本文以某小型水电站为例,设计了4种不同的电气主接线方案,并通过对比可靠性、灵活性和经济性,选择了最优的设计方案。设计分析过程表明,水电站主接线方案设计是主接线设计的基础,选择适合水电站条件的主接线方案,不仅能提高运行可靠性、降低经济成本,而且对后续短路计算和设备选型的可靠性与经济性也有着重要影响。

作者:资伟娜 单位:广西玉林水利电力勘测设计研究院

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