厄瓜多尔美纳斯水电站厂用电系统方案设计研究

杨杰 朱钊 李璇

摘要：为了响应“一带一路”倡议，越来越多的中国企业走出国门到包括南美洲在内的海外建设水电站。但是南美洲的中低电压标准体系和中国中低电压标准体系完全不同，南美洲水电站对低压采用的是三相电压0.480 kV和0.220 kV两级、对中压采用的是三相电压22.000 kV的厂用电系统方案。为此，以位于厄瓜多尔的美纳斯水电站为例，从水电站的厂用电中压和低压系统的负荷统计与用电电压、接线方案与运行方式、设备选择配置等方面进行了深入分析论证;同时结合设计方案，对实现电站内0.480 kV和22.000 kV双接地问题进行了比较分析。基于比较分析结果，提出了将变压器接线组别设计为Y0/Y0的解决方案。设计研究成果可为南美洲水电站的新建或改造提供参考。

关 键 词：

厂用电系统; 接线方案; 接地方式; 中低电压标准体系; 美纳斯水电站; 厄瓜多尔

中图法分类号： TM615

文献标志码： A

DOI：10.16232/j.cnki.1001-4179.2021.06.018

1 工程介绍

美纳斯（MINAS）水电站是一座以发电为主的引水式电站，地处南美洲厄瓜多尔的西南部，离首都基多500 km，工程主体建筑物包括碾压混凝土大坝、发电引水系统（包括调压井）、地下厂房、地面开关站和尾水隧洞等。电站装设有3台单机容量为90 MW的冲击式水轮发电机组，总装机容量为270 MW;采用230.000 kV一級电压、2回出线接入电网，电气主接线为3/2单元接线，发电机端电压为13.800 kV。电站所在国的配电网的中压电压为22.000 kV，低压为三相0.480 kV、0.220 kV，单相为0.127 kV。

而中国标准的配电网的中压电压为10.000 kV，低压为三相0.380 kV，单相为0.220 kV。由于南美洲的中低电压标准体系与中国标准差异较大，本文以厄瓜多尔美纳斯水电站为例，对南美洲水电站厂用电系统方案设计进行了深度分析研究。

2 负荷分析及用电电压

南美洲的厄瓜多尔美纳斯水电站的用电负荷包括地下厂房的机组自用电和公用电（含检修用电）、230.000 kV开关站的用电、大坝用电和进水口用电等。在全部机组正常运行和一台机组检修、其他机组正常运行2种工况下，各用电部位统计负荷及计算负荷情况列于表1，计算负荷采用综合系数法计算[1-3]。

因低压用电电压有0.480 kV和0.220 kV 2种，在设计中，需要对各类厂用负荷的供电电压按用电负荷的性质和特点进行合理规划。美纳斯水电站的照明用电分电箱全部采用三相电压0.220 kV进线，除户外路灯和少数大功率照明灯具外，照明灯具大多采用单相电压0.127 kV。户外路灯由于距离较远，采用相-相电压0.220 kV，部分房间的单置空调也采用相-相电压0.22 kV。动力用电电压按照功率大小进行选择，机组自用电和进水口用电按功率大小，考虑到小容量的负荷回路比较多，因此，对大于10 kW的负荷电压采用三相0.480 kV，考虑到小容量的负荷回路比较少，因此，对于不大于10 kW的负荷电压采用三相0.220 kV。厂内公用电（含检修用电）、230 kV开关站用电和大坝用电按功率大小，大于20 kW的负荷电压采用三相0.480 kV，对于小于或等于20 kW的负荷电压采用三相0.220 kV。采用三相0.480 kV和三相0.220 kV的功率分界线，基本上是根据各用电部位的用电回路负荷、回路数等因素进行综合分析后确定的。

3 厂用电系统接线方案

美纳斯水电站发电机机端电压为13.800 kV。由表1可知：地下厂房机组自用电和厂内公用电的计算负荷共占77.9%（全部机组正常运行）和79.2%（一台机检修、其他机组正常运行），为了简化地下厂房用电系统的接线方式，将地下厂房机端电压13.800 kV直接降压至0.480 kV，以供机组的自用电和厂内公用电。该水电站为长引水式地下电站，地下厂房距离地面敞开式开关站的电气距离超过了800 m，开关站距离大坝与进水口的电气距离达20 km，因此地下厂房至开关站、开关站至大坝与进水口之间的供电网络，需采用中压电压等级进行连接[2，4-6]。

厄瓜多尔电网的中压配电电压为22.000 kV，美纳斯水电站的中压系统采用了22.000 kV，将22.000 kV的配电装置集中设置在开关站内。地下厂房内0.480 kV供电系统通过2回0.480 kV/0.220 kV的升压配电变升压至22.000 kV后，再通过22.000 kV的电缆和开关站连接，开关站22.000 kV的配电装置再通过22.000 kV的电缆转架空线向大坝与进水口供电。

为了使电站全厂停机时的厂用电能够得到保障，由当地配电电网引接1回22.000 kV线路至开关站22.000 kV系统[7]。开关站、大坝、进水口分别设置有22.000 kV降压为0.480 kV的变电所，以便向开关站、大坝、进水口用电设备供电。为了向照明灯具及小负荷三相用电设备供电，在地下厂房机组自用电与检修用电、开关站用电、大坝用电、进水口用电的0.480 kV供电回路上，分别设置了0.480 kV/0.220 kV的降压配电变回路，用于向三相0.220 kV、单相0.127 kV、两相0.220 kV用电设备供电。地下厂房用电和开关站、大坝及进水口用电接线简图分别如图1和图2所示。

4 厂用电系统设备的选择

地下厂房发电机端13.800 kV电压侧，通过2台13.800 kV/0.480 kV降压变，向全厂及坝区供电。电站发电机组为3台，为了保证运行的灵活性及可靠性，在1号和2号发电机端均引接13.800 kV相互闭锁的回路至1台13.800 kV/0.480 kV降压变，在2号和3号发电机端也均引接13.800 kV相互闭锁的回路至另1台13.800 kV/0.480 kV降压变，

为满足厂用电及坝区各部位的用电负荷需求，根据表1，

将每台降压变的容量选择为2 500 kVA。地下厂房0.480 kV/22.000 kV的升压变也设置有2台，每台容量仅需满足机组的自用电和全厂公用电的需求，通过根据表1进行计算，选择为2 000 kVA。

在开关站设置有1台降压变，其容量除了可以满足开关站的用电需求外，还需满足应急工况下接在0.480 kV母线上的1 000 kVA的柴油发电机的用电需求;升压为22.000 kV后，为了满足地下厂房供电的需求，降压变容量选择为1 000 kVA;地下厂房因为柴油发电机运行排烟困难，所以需设置应急柴油发电机，并将其就近布置在开关站。

大坝、进水口各设置有1台0.220 kV/0.480 kV降压变，考虑到闸门同时启动的需要，将容量分别选择为500 kVA和200 kVA。

5 厂用电运行方式与中性点接地研究

关于厂用电系统的运行方式，美纳斯水电站水库容量比较小，雨季时（每年12月至次年5月），河流来水较多，电站机组一般开启1～3台，以承担电网基荷，而电站厂用电则由本电站发电机提供;旱季时，河流来水较少（每年6～11月），电站机组承担电网腰荷或峰荷，此时电站机组启停较频繁，可能会全厂停机，为了避免开关的频繁操作影响到机组运行的可靠性，电站厂用电由电网22.000 kV外来电源提供。另外，作为地下厂房和开关站应急的保安电源，并同时满足1台机组启动的用电负荷要求，在开关站设置了1台1 000 kVA的柴油发电机;作为坝区的防洪应急保安电源，在大坝设置了1台700 kVA的柴油发电机。

美纳斯当地电网0.480 kV系统和22.000 kV系统均为接地系统，与中国电网标准低压0.380 kV为接地系统、中压10.000 kV为不接地系统不同，美纳斯水电站在进行地下厂房0.480 kV/22.000 kV升压变的接线组别选择设计时[8]，碰到了一个与系统接地相关联的问题，即按传统方法，0.480 kV/22.000 kV升压变的接线组别应选择为Y0/Δ或Δ/Y0。若选取Y0/Δ，会造成电站22.000 kV电压侧无接地点，在地下厂房向开关站22.000 kV系统供电运行的方式下，就会使开关站22.000 kV来自电网的电源线路处于断开的状态，而电站22.000 kV电气设备的绝缘水平又不满足无接地系统的绝缘要求;若选取Δ/Y0，在电站全厂停机或机组调峰频繁启停、电站厂用电由开关站22.000 kV来自电网的电源线路提供运行的方式下，地下厂房13.800 kV/0.480 kV降压变就会处于断开状态，地下厂房0.480 kV系统无接地点，则不满足电站低压0.480 kV电气设备的运行要求。如果选取Y0/Y0接线组别，由于配电变压器采用心式铁心结构，3次谐波不能沿铁心闭合，只有借道油箱壁闭合，因此会在油箱壁或其他铁构件中产生涡流损耗，从而会降低配电变压器效率，相关电机学文献[9]也提到，配电变压器容量不大于1 600 kVA时才采用这种接线组别。

针对上述问题，对0.480 kV系统和开关站22.000 kV系统的双接地问题进行了专题研究和方案比较。第一个方案，是考虑了在地下厂房0.480 kV或开关站22.000 kV母线上设置人工接地点的方案，这样就需配置2台接地变压器（一段母线一台），而且经估算，接地变压器容量需几百千伏安，体积较大，设备布置较困难，运行也更复杂。

另外一个方案是设置变压器平衡绕组。该方案需将原0.480 kV/22.000 kV雙绕组升压变增设一个平衡绕组，而且需要将变压器改为Y0/Y0/Δ接线组别的三卷式变压器。但是这个方案又增加了配电变压器的制造难度，且在干式变压器中，这种型式的制造经验很少。

经过与设备制造单位进行充分沟通，并查找了2015年版的干式电力变压器国家标准GB/T 10228—2015[10]，认为在采用新的工艺及材料后，0.480 kV/22.000 kV干式变压器Y0/Y0接线组别的制造容量可达2 500 kVA，在该容量下，Y0/Y0接线组别的变压器是安全可靠的。因此，设计中将地下厂房0.480 kV/22.000 kV、2 000 kVA升压变的接线组别设计为Y0/Y0，这样既满足了电站各种运行方式的要求，电气设备布置也无需进行较大调整，从而也解决了地下厂房0.480 kV系统和开关站22.000 kV系统的双接地问题。

6 结 论

南美洲的厄瓜多尔美纳斯水电站首台机组于2018年9月26日一次并网成功，监测显示电站各系统运行正常，主要电气设备运行参数优良。通过对该项目的设计过程进行总结，发现在对南美洲厄瓜多尔美纳斯水电站的厂用电系统设计中，对出现的关键问题给予了很好的解决，可为今后类似工程提供借鉴。

（1） 南美洲国家低压系统的三相电压有0.480 kV和0.220 kV 2种，因此在设计中，需要对各类厂用电负荷的供电电压按用电负荷的性质和特点进行合理规划。

（2） 地下厂房发电机机端电压可直接降压至0.480 kV，供厂房内用电;厂外用电则通过变压器将0.480 kV升压至中压22.000 kV后才能提供用电，为了简化布置，地下厂房内不设置22.000 kV开关装置。

（3） 南美洲国家的中压22.000 kV和低压0.480 kV均为接地系统，在容量不大于2 500 kVA时，可选用接线组别为Y0/Y0的0.480 kV/22.000 kV变压器，这样可以同时解决0.480 kV系统和22.000 kV系统的双接地问题。

参考文献：

[1] 水电水利规划设计总院.水力发电厂厂用电设计规程：NB/T 35044-2014[S].北京：中国电力出版社，2015.

[2] 水電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.

[3] 长江水利委员会.长江三峡水利枢纽单项工程技术设计报告（第五册 机电设计）[R].武汉：长江水利委员会，1995.

[4] 中华人民共和国水利部.水利水电工程三相交流系统短路电流计算导则：SL 585-2012[S].北京：中国水利水电出版社，2012.

[5] 中华人民共和国水利部.水利水电工程接地设计规范SL 587-2012[S].北京：中国水利水电出版社，2012.

[6] 何仰赞，温增银，汪馥英，等.电力系统分析[M].武汉：华中工学院出版社，1984.

[7] 黎明，黄灿灿，朱正.欠发达国家城市配电网自动化改造方案研究[J].人民长江，2020，51（8）：158-161.

[8] 解广润.电力系统接地技术[M].北京：水利电力出版社，1991.

[9] 辜承林，陈乔夫，熊永前.电机学（第2版）[M].武汉：华中科技大学出版社，2005.

[10] 章忠国，刘爽，刘燕，等.干式电力变压器技术参数和要求：GB/T 10228-2015[S].北京：中国标准出版社，2015.

（编辑：赵秋云）

Research on design of auxiliary power system plan for Minas Hydropower Station in Ecuador

YANG Jie，ZHU Zhao，LI Xuan

（Changjiang Survey，Planning，Design and Research Co.，Ltd.，Wuhan 430010，China）

Abstract：

With the implementation of “the Belt and Road”，more and more Chinese companies are building hydropower stations overseas，including South America.The low and medium voltage standard system in South America is completely different with that in China，namely the low voltage of the South American hydropower stations adopts two-stage of the three-phase voltage 480V and 220V，and the medium voltage adopts the auxiliary power system plan with the three-phase voltage 22kV.Taking the Minas Hydropower Station in Ecuador as an example，we made in-depth analysis and demonstration on load statistics and the power voltage for low and medium voltage in auxiliary power system，wiring plan and operation mode，equipment selection and configuration，etc.Combining with the design plan，we compared and analyzed the problem of realizing 480V and 22kV double grounding in the power station，and proposed a solution of designing transformer wiring group as Y0/Y0.The results of design analysis can provide references for new construction or renovation of hydropower stations in South America.

Key words：

auxiliary power system;wiring plan;grounding mode;low and medium voltage standard system;Minas Hydropower Station;Ecuador