某水利枢纽电气优化设计研究

赵学贤

（水发规划设计有限公司，山东 济南 250000）

0 引言

现今时期的水利枢纽大多兼具发电、防洪、疏航、灌溉等功能，肩负着保障人民生命财产安全的重责。此时，在综合性水利枢纽不以电力资源生产、供应为主要职责的情况下，怎样促使发电机组即发挥发电效益，又在已接入的电力系统中发挥功效，就成为水利枢纽工程电气设计人员的主要任务之一。

1 某水利枢纽电气设计基本情况

某水利枢纽是一座以洪水防控、农田灌溉为主，兼顾水资源供应、电力资源生产、航道运输的综合性工程（图1）。该水利枢纽包括岸边式发电厂房、挡水坝、溢流坝、户外GIS开关站、室外升压站等几个主要模块。其中水利枢纽发电厂房布置在右岸山坡下，为岸边式地面厂房，主厂房包括水轮机层、蜗壳层、发电机组三层，所用机组装机容量为430kW，机组台数为2，其中一台单机容量为180kW，另外一台单机容量为250kW。而副厂房则紧密毗邻主厂房上游一侧，包括GIS开关站、地面主变、楼顶出线场三个部分，水利枢纽采用两机一变、一套发变组接线形式，以一回出线接到变电所110kV母线上，联网线路长度为12.5km。

图1 某水利枢纽电气设备总体展示

2 某水利枢纽电气设计准备

水利枢纽电气设计包括电气接线设计、电缆敷设以及桥架、照明、接地、设备布置。当前我国水利枢纽电气设计大多从桥架布置、设备布置两个模块入手，但因专业CATIA软件无电气设计模块定制功能，导致传统水利设计过程中存在诸多问题。因此，水利枢纽电气设计人员可以在CATIA软件内，建立电气设备模型库并对入库零部件进行参数化处理，达到高效复用的目的。具体如下：

2.1 模型数据库构建

完善的电气设备库定制是水利枢纽电气通用性优化设计的前提。设计人员可以根据水利枢纽电气设计特殊需求，事先搜集、积累、规整碎片化材料，避免非标模型出现[1]。

2.2 零部件参数化处理

为避免出现模型重复构建问题，设计人员可以对电气设备库内的每一个设备进行分类别参数化处理。即利用CATIA软件自带的二维草图创建功能，初步创建共箱母线、变压器、10kV开关柜、主变压器、出线场设备、GIS设备、照明系统、火灾报警系统、控制柜等几种设备的草图，再经三维命令构建参数化组。同时通过零件之间的相对关系，利用公式命令在三维空间内进行有序参数化。具体参数化名称如表1所示。

表1 典型参数化名称（局部）

2.3 电气设备模型入库管理

为便于电气通用性设计时统一管理水利枢纽各专业资源文件，可以结合水利枢纽电气设计需求，进行入库管理规范程序的设置。具体包括搭建基本的电气库文件结构、搭建各专业字典文件结构及命名规则、构建映射关系、读取字典文件并建立各专业目录树结构、定义修改设计标准及规范、创建并定义模型类型、模型入库并调用、形成三维布置。

3 某水利枢纽电气优化设计方案

3.1 系统接入方式设计

电气接入作为水利枢纽电气设计的基础件，是电缆敷设、电力资源顺利供应的前提，也与水利枢纽厂房布局美观性、恰当性具有紧密的联系。设计人员可以基于CAITA机电环境，依据接线清晰、灵活、便捷、安全、经济等原则，对电气接入模块进行整体开发、对比。

常用的水利枢纽电气接入方式为单母线接线、单母线分段接线。前者主要是选择一台500kVA主变压器，在其高压侧（10kV）、低压侧（发电机母线电压0.4kV）均选择单母线接线，而在枢纽用电负荷接线时，则选择0.4kV发电机母线直接引接方式，经一台主变压器升压至10kV后由其他回送电线路送出；后者主要是选择两台分别为250kVA、315kVA的主变压器，在其高压侧（10kV侧）、低压侧（发电机母线电压侧）分别采用单母线接线、0.4kV单母线分段接线，对于水利枢纽用电负荷则可以直接引接0.4kV发电机母线[2]。

通过在CAITA软件内对上述两个电气接入方案进行对比分析可知，前一个方案具有操作便捷、工作量小、运行灵活、继电保护简单明了的优良特点，但在母线故障或规模检修阶段需要停止整个区域电力资源供应，缺乏灵活度、可靠性；后一个方案则可以在母线故障、规模检修阶段合上分段断路器，保证对应段落母线所连接机组通过另外一段供应电力能源，灵活性、可靠性均有所提升，且布置较为紧凑、便捷，但也存在变压器数量过多、一次设备故障率高、投资成本高的缺陷。鉴于该水利枢纽为中小规模，在保证技术可行性的基础上，可以优先选择运行维护便捷、设备成本低的前一个方案。

3.2 枢纽用电系统布置

水利枢纽用电系统主要包括冲沙闸启动闭合机室、电站进口启闭机室、尾水平台电动葫芦等几个部分。鉴于该水利枢纽工程用电负荷、电站之间的距离处于一个较小的水平，基本满足低压电力资源供应要求，可以将电站用电0.4kV母线作为枢纽用电负荷电源线。在该电源线选择完毕后，考虑到主机生产厂家无法准确给予电力系统参数，电气设计人员可以在CATIA软件内，选定发电机的次暂态电抗，并进行短路电流的预先计算。随后依据后期主机生产厂家所提供的数值，进行短路电流的微调[3]。

以电站进口门式启闭机室电气设计为例，其主要包括主起升电动机、运动电动机、卷线器电机三个主要组件。在各组件设计时，可以利用前期在CATIA内构建的组件库，模拟按钮开关+接触器常规控制方式，合理规划各组件控制箱及电源电缆在启闭机室内分布情况。比如，门机电源电缆可以经电缆卷筒引入控制柜隔离开关再进入总断路器。而电源一路接断路器向启动/闭合电气设备供应电力能源，另外一路则接断路器向电缆卷筒卷线器供应电力能源。全部断路器均为就地手动合闸方式，匹配有分励线圈，实现在启闭机室内远方跳闸。

在门机电源电缆布置规划完毕后，将“停止”“上升”“下降”作为门机起升机构控制按钮，配合开度仪、机械上下限位，促使操作者在控制任意一扇闸门时均可以促使设备在指定位置停止运行，实现双重保护。开度仪则具有小开度，可以通过预先设置开启上节门叶高度并进行节间充水，均衡闸门开启前、后压力，降低检修闸门开启风险；而行走机构控制则选择自复型转换开关，设置“向右”“向左”两个控制端，在运行到左、右极限位置时可以自动停止电动机并切断行走机构电力资源供应线路。与此同时，在启闭机室操作台平面上，将信号指示灯、门机行走控制操作器件、门机启升控制操作器件的三维布置；而在启闭机室操作台立面上，则进行风速仪、开度仪、电压表、电流表的合理布置。上述组件的主要控制元件布置在控制柜内，采用现场控制模式。在启闭机室内专门设置一面控制柜，并在柜上布置电流表、电压表、信号灯按钮、开度显示仪、热继电器、电流互感器、断路器等。其中闸门开度测控装置、主令控制器互为备用，可以实现闸门运行位置的精准管控。

此外，为防止启闭机超出负荷运行，设计人员还可以从CATIA自带的参数库中寻找荷重传感器参数件，并分析荷重传感器应用后运行情况。比如，在启闭载荷达到额定载荷的90.00%时，荷重传感器是否会发出声光警报；在启闭机载荷超出额定载荷的100.00%时，荷重传感器是否发出声光警报并自动切断电源等。

3.3 电气主要设备布置

桥架作为水利枢纽电气电缆的支撑工件，直接关系到电气电缆敷设质量。而一个优良的桥架路径规划，也可以提升水利枢纽布局的外在美观度。因此，电气设计人员可以利用CATIA自带的桥架模块——RACEWAY，在设备建模入库程序中进行参数的修改，并将对应的设计表导出对应模型。即通过参数化精简、连接点创建，在生成的设计表中进行入桥架库，配合后期调试，实现桥架工程量的自动汇总。

在桥架布置完毕后，设计人员可以依据技术先进性、经济合理性、安全可靠性、运行灵活性、自然条件相符性原则，利用按正常状态选择（额定电压/额定电流不低于装设地点电网额定电压/最大持续工作电流）、按短路状态校验（热稳定校验时热效应不得超过允许值、动稳定校验时不得因短路电流电动力效应造成变形）两种方法，恰当选择电气设备。并在现场模拟环境中进行电压器、电缆、母线、互感器、照明部分等主要设备的逐一布置。以照明部分为例，鉴于CATIA软件电气分析应用基础薄弱特征，设计人员可以在三维可视化环境内，利用Dialux照明软件，面向水利枢纽与CATIA软件建立数据传输接口，实现精细化建模。最终得出该水利枢纽照明部分包括工作照明、事故照明，前者为厂用低压盘输送的380/220V三相四线制供电系统支持；后者则为交直流电源自动切换的电力资源供应方式。

4 结语

综上所述，在以三维设计为依托的设计方法应用范围不断拓展的进程中，为水利枢纽电气优化设计提供了良好的思路。因此，在通用设计方案制定过程中，设计人员可以依托CATIA软件平台，对水利枢纽单母线接线、单母线分段接线等电气主接线方式以及枢纽用电系统布置进行分析。同时根据短路电流计算结果，选择恰当的电气设备，保证水利枢纽电气系统平稳、安全运转。