覃瓦，陈盼盼
广西壮族自治区河池水利电力勘测设计研究院 广西河池547000
摘 要：笔者介绍了龙颈水电站的接入电力系统方式，原电气主接线的设计、工程建设期间的优化以及未来的展望，描述了工程外部条件对电气主接线设计的影响、电气主接线型式对电站效益的影响，对水电站尤其是具有两种升高电压等级的小型水电站的电气主接线的设计具有较为重要的借鉴和参考意义。
关键词：电气主接线；设计；接入系统；龙颈水电站
电站概况
龙颈水电站改建工程是一个以水力发电为主，兼顾改善城市水景观等综合利用的水利工程。坝址位于广西都安县澄江乡红渡村附近，下游距红水河850m，上游距都安县城11km。坝址以上流域面积为925km2，占全流域面积的99.86%，多年平均流量26.2m/s。该工程是将地丁水电站与龙颈水电站二个梯级电站合并为一级开发，改建后装设3台单机容量为2700kW的混流式机组，总装机容量8100kW，多年平均发电量为2813万kWh，每年增加发电量为2413万kWh。
龙颈水电站改建工程主要枢纽建筑物由拦河闸坝、左岸引水渠、压力前池、发电厂房、副厂房及开关站等组成。
1 原电气主接线设计
1.1 电站接入电力系统
距龙颈水电站最近的变电站为都安县110kV红渡变电站（该变电站原为35kV变电站，后经改造升压为110kV变电站），该变电站位于龙颈水电站北部，距离约为2km。110kV红渡变电站容量为1x50MVA（远期为2x50MVA），变电站以一回110kV线路T接“110kV百龙滩~都安线”与县电网相连。
根据电站装机容量、地理位置、送电方向及供电范围，以及龙颈水电站在地方电网中的地位等因素，考虑到电站与电力系统连接的输送电压宜采用一级电压[1]，龙颈水电站建成后，拟采用35kV电压等级，架设一回架空线路接入110kV红渡变电站35kV母线，并通过红渡变电站与大网并联运行，即可满足水电站电力送出和并入大网的要求，线路长度约2km，导线型号采用钢芯铝绞线LGJ，截面选用150mm2。
1.2 发电机电压侧接线
电站安装3台机组，水轮发电机的主要参数如下：
额定容量 2700kW/3375kVA
额定电压 6.3kV
额定电流 309.3A
额定功率因数 0.8
绝缘等级 F/F
根据电站的装机台数、容量，拟定如下2个方案进行比较。
1）方案一：采用2机1变的发电机变压器组扩大单元和1机1变的发电机变压器组单元接线，共设2台主变压器，型号分别为S11-8000/38.5和S11-4000/38.5。
2）方案二：采用3机1变的发电机变压器组扩大单元接线，共设1台主变压器，型号为S11-12500/38.5。
经技术经济比较后，方案二投资省，且全站只有一个扩大单元，继电保护较简单，能满足小水电站可靠运行要求，因此，推荐采用3机1变的发电机变压器组扩大单元接线型式。设1台主变压器，型号为S11-12500/38.5[2]。
1.3 升高电压侧接线
根据电站接入系统方案，电站升高电压侧电压等级为35kV，出线1回。电站主变压器1台，35kV站用变压器1台，进出线回路较少，设计采用单母线接线型式。单母线有较多的优点，其接线简单清晰，每一回进出线回路各自连接一组断路器，互不影响；正常运行操作由断路器进行，便于实现自动化远动化；隔离开关只作为断路器或线路及母线检修时隔离用，减少误操作的可能性，同时继电保护也比较简单[3]。
2 优化电气主接线设计
2.1 优化主接线设计的项目背景
在龙颈水电站改建工程的建设实施过程中，电站项目业主的上级集团公司计划在都安县境内投资建设水泥厂，新建水泥厂位于龙颈水电站东南方向，距离电站约2.1km。由于水泥厂用电负荷较大，电费支出占总成本比例较大，电站上级公司为集团优势，提高整体效益，计划整合集团内部各单位资源，优势互补，使整体效益最优，提出将龙颈水电站的电力直接输送至水泥厂，以降低水泥厂的用电成本。
根据新建水泥厂的供配电系统参数，结合电站装机容量及输送距离等因数，确定电站之水泥厂的送电线路电压等级采用10kV，线路回路数为1回，全线主要采用架空线路方式，仅在水泥厂入口段采用高压电力电缆，接入水泥厂供配电系统，线路长度约2.1km。
2.2 主接线设计的修改及优化
水电站新增1回出线，在一般情况下，并不会对主接线造成很多的改动，但由于龙颈水电站原设计的电压等级中并无10kV这一级，因此本次新增至水泥厂出线，不光是简单的增加间隔、出线数量，而是同时增加了一个电压等级。这使原设计的主接线将面临着较大的改动压力，而此时，电站的电气设备已经订货且大部分的主要设备甚至已经到货，考虑到到货设备不宜改动的实际情况，则主接线的修改范围和改动幅度等则受到较大的限制，使主接线的修改优化工作更加复杂化。
电站原设计的电压等级由35kV、6kV、0.38/0.22kV，其中0.38/0.22kV为站用电（含坝区）系统配电电压；修改后新增10kV电压等级，为35kV、10kV、6kV、0.38/0.22kV。
升高电压侧接线的修改。保留原主变压器及35kV配电装置的接线，在此基础上新增1台主变压器，即2号主变压器，将电压变换为10kV后输送至水泥厂。2号主变压器一次侧的电压等级选择有两种方案，第一个方案是选择35kV等级，即一次侧接入35kV配电装置，降压为10kV，电能从发电机电压的6kV升压至35kV，然后又降压至10kV，造成了重复变压，电能损耗大，并增加了35kV开关设备的数量，投资增加，且35kV间隔（35kV配电装置为户外式）占地较大，造成10kV架空出线较为困难；第二方案是选择6kV等级，即发电机电压等级，此方案虽然增加了发电机电压配电装置的投资，但避免了功率的重复变压，且有利于2号主变压器的布置及10kV线路的出线。综上所述，新增的2号主变压器，其一次侧接发电机电压。10kV电压等级只有一台变压器和一回出线，采用变压器-线路单元（组）接线[4]。为满足电站功率的送出，2号主变压器的容量选择与1号主变压器的容量相同，为12500kVA，2号主变压器型号为S11-12500/10.5。
发电机电压侧接线的修改与优化。根据上文所述电站升高电压侧接线的修改结果得知，接线修改后电站共设置2台主变压器，均接入发电机电压，在此情况下，原扩大单元接线已不能满足要求，需对发电机电压侧的主接线进行优化，可以选择的主接线型式为单母线或者单母线分段接线，结合发电机容量及主变压器容量，单母线接线的经济性更优，且不必对到货的6kV开关柜作太大的改动。发电机电压侧接线的优化也对电站坝区用电电源的接入提供了便利条件，因坝区离厂房区较远，为保证坝区用电电压质量，坝区电源需采用高压，发电机电压侧优化为单母线后，坝区用电的电源可从发电机电压母线引取，通过高压电力电缆接至坝区变压器降压后作为坝区用电的工作电源，另外从保留的施工变压器的低压侧引取一回低压线路作为坝区闸门的备用电源，优化后的电气主接线如图1所示。
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图1 电气主接线简图
3 主接线设计的展望
3.1 电站运行期间的相关问题
改建后的龙颈水电站于2017年发电运行，机组及电气设备运行安全可靠、性能稳定，发挥了良好的经济效益。其将电能直接输送至公司系统内部水泥厂，省却了电力转供环节，节省了发电供电价差费用，整体经济效益更加显著，且避免了电站、县电网与水泥厂间的潮流迂回传输及功率的重复变压，降低电能损耗，具有良好的社会效益。
通过电站投运以来的的运行情况发现，电站在丰水期有一定的弃水现象，水能资源未能得到充分利用，造成了一定的资源浪费。产生这一现象的原因如下：
1）电网调度运行单位基于有利于电网安全稳定运行等因素的考虑，要求电站在正常发电运行时，不允许电站内35kV系统与10kV系统联络运行，为了确保不误操作，设计单位在1号主变压器和2号主变压器的6kV开关的操作回路上增设了闭锁，确保在正常运行期间只能合上1台主变压器，在此情况下，电站将不能同时向35kV和10kV两个方向送电。
2）因为电站水库库容的限制，丰水期间，为了不产生弃水，以充分利用水能资源，电站机组须连续运行于满发状态；但是水泥厂因为生产等自身一些原因，用电负荷连续性及用电量未能达到预期值，故未能在每个时刻都能完全消纳电站电量。
因此，丰水期时，电站有富余电量但因不能同时向35kV系统和10kV系统送电，不能将富余电量通过35kV送入县电网，而不可避免的产生了弃水。
3.2 主接线设计的展望方案
针对上述问题，可以通过对主接线的调整改造来解决，而现今电站已经投运，短期内不宜进行主要电气设备的更换，待以后电站改造升级或者电气设备更新改造时再加以考虑主接线的调整，因此在下文中的主接线方案仅作为电站主接线设计的展望。
电站升高电压侧主接线不作更改。将发电机电压侧接线又单母线更改为双母线接线。1号主变压器与2号主变压器分别接入I母和II母，可固定接入，即不设切换母线的隔离开关；为避免两段母线误联络且节省投资，不设母线联络柜，展望方案的电气主接线如图2所示，电站升高电压侧接线不作更改，图中不再示出。
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图2 展望方案的电气主接线简图
采用双母线接线（因主变压器固定接入，不能切换母线，且未设母联，并非严格意义上的双母线）后，如图2所示，1号主变压器固定接在I母，2号母线固定接在II母，隔离了35kV和10kV的联络，电站可以根据水泥厂的实际负荷，切换发电机所接入的母线，如水泥厂负荷变小时，将部分机组由II母切换至I母。此接线能满足水泥厂用电的同时能将电站富余电能通过35kV送入电网，可以解决电站弃水问题，充分利用了水能资源，进一步提高了电站的经济效益和社会效益。
开关柜可采用双母线柜，柜体尺寸一般为宽1200mm×深2000mm×高2800mm[5]。电站现状副厂房共二层，总高为8.1m，结构型式为钢筋混凝土框架结构，高压配电室位于副厂房一层，高压室尺寸为12m×8.2m，层高为4.5m，可满足双母线柜的布置，中控室位于副厂房二层，长宽尺寸与高压配电室相同，层高为3.6m，亦能满足新增二次屏柜的布置要求。
4 结语
水电站电气主接线和电站接入系统方式密切相关且互相影响，影响电气主接线设计的因素也较多，文中通过对龙颈水电站电气主接线的设计、优化过程以及对未来的展望可知，电气主接线的设计是一项重要而复杂的工作，尤其要结合电站的实际情况来确定其方案，发电机电压配电装置进出线回路不多，一般而言不会采用双母线接线型式，而在本电站中，双母线接线却是值得推荐采用的，这是由电站特殊的实际情况决定，这也为有类似情况的电站的主接线设计提供了新的思路，以使电站更能满足电力系统安全运行要求和提高电站的综合效益。
参考文献：
[1] GB 50071-2014，小型水力发电站设计规范［Ｓ］．
[2] 广西壮族自治区河池水利电力勘测设计研究院．都安瑶族自治县龙颈水电站改建工程初步设计修改报告［Ｒ］．河池：广西壮族自治区河池水利电力勘测设计研究院，2013.
[3] 水电站机电设计手册编写组．水电站机电设计手册（电气一次）［Ｍ］．北京：水利电力出版社，1982.
[4] 弋东方．电力工程电气设计手册（第一册 电气一次部分）［Ｍ］．北京：水利电力出版社，1989．
[5] 汤继东．中低压电气设计与电气设备成套技术［Ｍ］．北京：中国电力出版社，2009．