1.4　水电站电气设备安装

水电站电气设备系统是一个庞大而复杂的系统。它既包含了高压配电装置、主变压器、开关装置、出线站设备、厂用电设备、防雷接地及照明设备等一次设备，也包含了为确保水电站所有金属结构和机电设备的安全、正常运行所必需的信号、测量、控制和保护装置。

随着科学技术的进步和电力设备制造业技术的迅速提高，我国一些大中型水电站采用的主要电气设备，如主变压器、高压开关设备、高压电力电缆、GIL、继电保护装置、计算机监控系统等，都达到了世界先进水平。

水电站电气设备安装的基本特点是：

（1）安装质量要求愈来愈高，工艺难度越来越大。随着新技术、新材料、新工艺、新方法在现代电气设备设计、制造中的广泛应用，水电站电气设备制造技术迅速发展，超高压电气主设备、运用微机电子技术的测量、控制、保护设备等得到广泛推广应用。由于水电站现场安装环境比较恶劣，交通不便，对现场安装的环境和工艺质量提出了越来越高的要求。

（2）安装调试技术不断进步。新中国成立60多年来，已成功安装调试了各种电压等级及多种结构型式的电力变压器、110～750kV的GIS开关设备、110～750kV高压电力电缆以及气体绝缘金属封闭线路GIL、发电机出口SF6断路器、微机电液调速器、微机励磁调节器、水电站计算机监控系统、火灾自动报警控制系统、水情自动测报系统、微机继电保护系统等一系列由国内外知名厂家生产的具有国际先进水平的电气设备及装置。通过这些电气设备及装置的安装调试，积累了丰富的安装调试经验，提高了安装调试技术水平。

（3）设备运输距离长、道路条件差，故运输难度大。由于地理位置的原因，通向处于崇山峻岭中的水电站的道路交通相对较差，大型电气设备尤其是主变压器的运输是安装中要解决的一个重大问题。特殊情况时，设计采用了在现场组装的变压器。

1.4.1　高压电气设备安装

高压电气设备安装主要包括高压断路器、高压隔离开关、互感器及高频通道设备、避雷器、一次拉线、SF6气体绝缘金属封闭式组合电器等设备的安装。其中SF6气体绝缘金属封闭式组合电器（GIS）已作为水电站高压电气设备的主要形式，其安装已经成为水电站高压电气设备安装的主要内容。随着电压等级的不断升高，对高压电气设备安装的技术要求也越来越严格。

（1）GIS是将若干独立元件封闭组合在充有高于大气压的SF6气体的接地金属外壳内，而形成的由气体绝缘的金属封闭开关设备。

20世纪60年代末，我国开始研制SF6气体绝缘金属封闭式组合电器GIS，1972年第一套进口110kV GIS设备在丹江口水电站投入运行；1982年第一套220kV电压等级的GIS在江西斗门变电所投运；1990年西安高压开关厂与日本三菱电机公司合作生产了363kV GIS，于同年在安康水电站投入运行；1992年550kV GIS在天生桥二级水电站投运；而由沈阳高压开关厂开发的国产550kV GIS也于1989年在辽宁辽阳变电所投入运行。2008年首批750kV GIS用于拉西瓦水电站。特高压1000kV GIS也在开发研制与示范性运行过程中。GIS体积小，全套装置占地面积少，且运行不受环境条件的影响，维护简单，检修周期长，对于受地形、地理条件限制的水电站设备布置更为有利。行业内普遍认为750kV及以上电压等级高压电气设备将优先采用GIS，而1000kV及以上电压级，GIS将可能是唯一正确的选择。

近30年来，我国水电站已投运的GIS运行情况总的是良好的，但不论是国外公司引进的GIS还是国产GIS，都发生过事故或故障，特别是投运初期。如：套管爆炸、隔离刀闸触头烧坏、对地闪络、SF6年漏气率偏高等。其中因设备制造缺陷引起的事故率约占87%，因安装与运行不当或其他的原因为13%左右。不过我国GIS运行实践表明，GIS配电装置运行可靠性仍较敞开式配电装置高，维护也简单，检修间隔周期长。

（2）高压电气设备安装可参照各制造厂的技术要求和《电气装置安装工程高压电器施工及验收规范》（GB 50147—2010）的规定执行，其安装质量标准可按照《电气装置安装工程质量检验及评定规程 第2部分：高压电器施工质量检验》（DL/T 5161.2—2002）的规定执行。

1.4.2　变压器（电抗器）安装

变压器按使用要求可分为升压、降压、配电、联络和厂用变压器等；按绕组形式分有双绕组、三绕组、多绕组和自耦变压器；按相数分有单相和三相变压器；按铁芯结构分有芯式和壳式变压器。目前，我国生产的变压器采用的冷却方式有油循环和强迫油循环自然冷却、强迫油循环风冷却、强迫油循环水冷却及强迫油循环导向冷却、强迫油循环集中冷却几种形式。

（1）水电站用大型变压器即主变压器有：常规三相变压器、三相组合式变压器、单相变压器组和现场组装三相变压器四种型式。

由于变压器容量的增大和受山区交通运输条件的限制，常规整体三相变压器运输尺寸和重量很难满足要求，如三峡水利枢纽左岸水电站安装的500kV、840MVA整体三相变压器尺寸重量均超大。目前，大型水电站的主变压器多采用“三相组合式变压器”或“单相变压器组”的型式。对于单相变压器组，三台单相变压器必须分别布置在三个彼此分隔的变压器室内。因此，整体占用布置场地较大。由于低压侧大电流离相封闭母线需要在变压器外部进行三角形连接，导致离相封闭母线布置复杂，安装工作量大。对于三相组合式变压器，由三台特殊单相变压器组合成一台三相变压器，这种形式变压器是为满足运输条件受限制，而现场布置条件又紧张的发电厂或变电站而设计的。三个特殊单相变压器运输到现场后仅用上部母线连接箱（或共用箱盖）将三台单相变压器连成一体。低压侧三角形连接和高压中性点在母线连接箱（或共用箱盖）内完成。安装完成后可视为一台三相变压器而整体布置在一个变压器室内。这种变压器的难点在于三相组合安装时的结构和工艺保证。另外由于低压电流大，低压侧引线的三角形接线其设计、制造具有一定难度。

近年来，结合工程需要，我国引进了“壳式变压器”（天生桥二级水电站首次采用日本三菱电机公司的壳式结构主变及联络变压器），研制了“现场组装式三相变压器”（漫湾水电站220kV主变采用现场组装技术）。现场组装三相变压器又称为解体变压器，它在工厂分解成尽可能减少现场工作量的各个运输单元运至现场，在现场具备一定防尘、防潮条件的组装厂房内进行器身装配、引线连接并抽真空注氮气。然后运到安装位置进行套管安装、外部设备连接、真空注油、试验等，最后投入运行。这种变压器对现场组装条件要求高，工艺复杂，技术风险较大。变压器传统结构为芯式，对大容量超高压电力变压器，壳式结构更具优越性。1993年我国天生桥二级水电站采用了日本三菱电机公司制造的500kV、500MVA的大型组合壳式变压器，变压器低压为双分裂绕组，出厂时分为三个单相变压器和一个上节油箱，充氮运输至工地，在现场再组合成一个三相变压器，上、下节油箱采用带油焊接，内部各相引线的连接在上节油箱内完成，总重351t。

（2）我国水电站主变压器高、低压侧的连接方式：低压侧与各种类型的母线（矩形、槽形、菱形及各类型的封闭母线）采用直接连接，大容量机组与变压器通常采用离相封闭母线连接。高压侧的连接方式：20世纪70年代以前，绝大多数是采用钢芯铝绞线连接；70年代以后，采用高压充油电缆（110kV、220kV、330kV）和主变高压侧连接，连接的方式有间接式和直接式两种。目前，有地下厂房的水电站普遍采用高压挤包绝缘电力电缆（110～550kV）将高压电气设备与主变高压侧连接，或主变高压侧与GIS直接连接再由高压电缆引出与户外配电装置连接，但电缆头制作工艺较复杂。自90年代以来，随着SF6全封闭组合电器在大、中型水电站开关站的广泛应用，主变压器与SF6全封闭组合电器的连接一般采用特殊的油/SF6套管直接连接或通过SF6气体绝缘金属封闭管母线GIB的连接方式；但若高压配电装置选用户外式时，变压器高压侧则通过XLPE电缆或架空导线与高压配电装置连接。

（3）电力变压器的安装可按照制造厂的要求和《电气装置安装工程 电力变压器、油浸电抗器、互感器施工及验收规范》（GB 50148—2010）的规定执行，其安装质量标准可按照《电气装置安装工程质量检验及评定规程 第3部分：电力变压器、油浸电抗器、互感器施工质量检验》（DL/T 5161.3—2002）的规定执行。

1.4.3　发电机电压设备安装

发电机电压设备安装包括发电机断路器GCB、消弧线圈、电压互感器、电流互感器和母线等设备的安装。

（1）我国水电站已装备过的发电机断路器有少油断路器、空气断路器、SF6断路器和真空断路器四种。为满足机组较频繁的开、停机操作，在机组单元回路上装设单元断路器是必要的，如装设在发电机出口。大型水电站的水轮发电机出口多装设SF6断路器，而少油断路器因为开断电流小、灭弧性能差、可靠性低、安全隐患大等原因已不再使用。

与高压断路器相比，发电机断路器GCB具有以下特点：

1）额定电压与发电机电压匹配，一般为10～24kV，今后白鹤滩水电站的发电机断路器GCB额定电压将达27kV。

2）额定电流大。

3）开断电流大。

4）由于发电机断路器位置紧靠机端，直流分量衰减慢，短路时短路电流延时过零，增加了开断难度。

5）安装在调峰水电站或抽水蓄能电站发电电动机出口的断路器，需要适应频繁的开断操作和可能的低频开断的要求。

但装设发电机断路器也具有以下优点：

1）发电机断路器的机械寿命较长（可达10000次），大于高压断路器。

2）由于采用三相机械联动，因此操作的同期性好、相间分合闸的不同期时间极小，优于高压断路器。

3）切断反相电流的能力比高压断路器大。

4）可提高发电机—变压器单元设备保护的选择性，满足发电机—变压器单元实现快速短路保护的要求。

5）可提高厂用电运行的可靠性和灵活性，电源引接较灵活。

SF6断路器设备的特点是体积紧凑、维护方便、无火灾危险、检修周期间隔长，但电弧燃烧后SF6会分解出氟化合物，具有毒性，如泄漏，会对人体产生危害。目前国内大型水电站装设的发电机SF6断路器多为瑞士ABB的HEC系列产品，我国在20世纪90年代末也开始研发SF6发电机断路器。2014年由中国西电集团西安高压开关有限责任公司生产的发电机出口断路器在向家坝左岸水电站投入使用，额定电压27kV，开断电流160k A。

各种发电机断路器的安装程序与高压断路器的安装程序基本相同。

（2）20世纪70年代，我国开始研究离相封闭母线，经过几年的努力，产品即应用于发电机出线回路上。80年代以来，陆续开发应用了9000～12500A全连式离相封闭母线的产品。90年代开始开发23000A自冷全连式离相封闭母线。2003年，三峡水利枢纽左岸水电站20kV、26000A自冷式微增压离相封闭母线投入运行。目前全国已有近千套国内制造的封闭母线投入运行。

由于发电机容量的不断增大，系统容量也相应增大，当短路电流达到200～350k A，母线短路就成为最严重的问题，而金属离相封闭母线在上述运行条件下，均可安全工作。除离相封闭母线外，还有封闭共相母线、槽形母线、矩形母线等，主要用于中小型水电站的水轮发电机。

各种发电机出口母线的安装可按照制造厂的要求和《电气装置安装工程 母线装置施工及验收规范》（GB 50149—2010）的规定执行，其安装质量标准可按照《电气装置安装工程质量检验及评定规程 第4部分：母线装置施工质量检验》（DL/T 5161.4—2002）的规定执行。

（3）消弧线圈（接地变压器）安装、TV柜安装、TA安装和试验等比较简单。

1.4.4　水电站二次设备安装

水电站安装配置了各种金属结构设备和机电设备，其在水电站运行中大部分有两种工况，即运行、停止或开断、闭合，而水轮发电机组、蓄能可逆式机组则有多达十几种工况。为了保证水电站安全、经济运行，必须正确、清晰、完整地反映各种设备在不同工况下或工况变化情况下的运行参数，即要求水电站有一套反映这些工况的监测系统，即信号、测量系统；为了上述设备能根据电力系统或电站运行、泄洪、灌溉等要求经常进行工况转换，又必须配备一套完整的控制、操作系统；另除正常运行外，在设备异常或事故工况，还需要配备一套完整、可靠的继电保护系统。这些信号、测量系统、控制、操作系统、继电保护系统都是电气二次所包含的范围，另外，水电站的通信设备、火灾自动报警控制系统、水情自动测报系统、调度通信系统、自动化元件等系统和设备，也属二次系统的范畴。

随着现代控制技术和计算机技术的发展，我国水电站自动化水平不断提高。

水电站电气二次设备安装有以下特点：

（1）涉及范围广泛，专业工作门类众多，专业技术要求严格。

（2）施工过程各工序质量必须控制严格，回路错误返工难度大，故要求精细化施工安装。

（3）试验调试工作独立性强，操作失误对主设备的影响极大。

（4）电气二次设备安装对工期要求没有主机设备严格。

水电站二次设备安装及质量验收可按照《电气装置安装工程 电气设备交接试验标准》（GB 50150—2006）、《电气装置安装工程 低压电器施工及验收规范》（GB 50254—2014）、《电气装置安装工程质量检验及评定规程 第12部分：低压电器施工质量检验》（DL/T 5161.12—2002）等国家及电力行业标准以及相关行业、厂家标准要求执行。

1.4.5　电缆敷设和气体绝缘金属封闭线路GIL安装

高压电缆作为地下厂房内主变压器与地面开关站、或地下厂房内的GIS与水电站出线站之间的连接得到普遍采用。20世纪60—80年代，主要采用自容式充油电力电缆。90年代以来，开始广泛采用挤包绝缘电力电缆，充油电力电缆已经被完全取代。挤包绝缘电力电缆主要有两种类型，即低密度聚乙烯绝缘（LDPE）和交联聚乙烯绝缘（XLPE）两种。据不完全统计，到2010年为止，全国有70座大型水电站均使用了110～550kV挤包绝缘高压电力电缆。

近年来气体绝缘金属封闭线路（GIL）在大型地下式水电站中得到应用。气体绝缘金属封闭线路可输送容量大（额定载流量可达3150A）、可靠性高、安装维修方便、寿命长，但价格相对挤包绝缘电力电缆较贵，目前正在国产化以降低价格。作为在地下布置的大输出容量的500kV电压级GIS开关站，进线采用SF6管道（GIB）与主变压器连接，出线采用SF6管道出线即气体绝缘金属封闭线路GIL与电站出线站连接是一种较好的布置方式。我国张河湾抽水蓄能电站500kV GIS开关站一回出线首次采用了GIL出线，总长约390m，一端通过SF6/SF6GIL接头连接500kV GIS地下开关站；另一端通过SF6/空气套管与出线连接。而溪洛渡水电站连接地下GIS开关站和地面出线站的GIL布置落差达480m，是典型的高落差GIL布置。

（1）电力电缆的安装可按照制造厂的要求和《高压充油电缆施工工艺规程》（DL 453）、《电气装置安装工程 电缆线路施工及验收规范》（GB 50168）的规定执行，其安装质量标准可按照《电气装置安装工程质量检验及评定规程 第5部分：电缆线路施工质量检验》（DL/T 5161.5）的规定执行。

（2）气体绝缘金属封闭线路（GIL）安装可参照各制造厂的技术规定和高压电气设备GIS安装中管道母线安装的技术要求执行。

1.4.6　照明、直流系统、厂用电系统安装

发电厂和变电所有工作照明和事故照明的照明装置的工作电压一般为220V或更低，事故照明的独立电源是110V或220V的蓄电池组。

大、中型水电站的操作控制电源一般采用直流蓄电池供电，由蓄电池组、充电装置、直流配电盘及辅助设施等组成。直流电源系统的额定电压一般为220V或110V，信号电源一般为48V或24V。由于密封防爆免维护蓄电池优点较多，大、中型水电站已普遍采用。

水电站的厂用电主要供给机组和水电站本身的负荷用电，接其用途可分为机组自用电、公用厂用电。

（1）电气照明装置的安装可按照制造厂的要求和《电气装置安装工程 电气照明装置施工及验收规范》（GB 50259）的规定执行，其安装质量标准可按照《电气装置安装工程质量检验及评定规程 第17部分：电气照明装置施工质量检验》（DL/T 5161.17）的规定执行。

（2）直流系统设备的安装包括充电设备、直流配电屏、蓄电池安装及初充电及首次放电试验等可按照制造厂的要求和《电气装置安装工程 蓄电池施工及验收规范》（GB 50172）的规定执行，其安装质量标准可按照《电气装置安装工程质量检验及评定规程 第9部分：蓄电池施工质量检验》（DL/T 5161.9）的规定执行。

（3）厂用电系统设备的安装可根据相关国家标准及厂家说明书，比照高、低压电气设备安装、变压器安装、电气盘柜安装的要求进行。其备用厂用电源、事故照明自动投切设备安装与试验应作为重点项目保证安全实施。

1.4.7　接地系统安装

水电站电气设备在运行中将可能承受雷击过电压、暂时过电压、操作过电压。为了保证交流电网正常运行和故障时的人身及设备安全，电气设备及设施应接地。不同用途和不同电压的电气设备，应使用同一个接地系统，接地电阻应符合其中最小值的要求。接地极、接地干线、接地分支线及接地端子总称接地装置。接地和接零按其作用可分为工作接地、保护接地、重复接地、保护接零几种。

（1）接地装置与电气设备安装基础一般均采用预埋方式。由于预埋件是与土建施工同时进行的，土建和安装工作要密切配合，应尽量减少相互干扰。

（2）接地系统设备的安装可按照《电气装置安装工程 接地装置施工及验收规范》（GB 50169）的规定执行，其安装质量标准可按照《电气装置安装工程质量检验及评定规程 第6部分：接地装置施工质量检验》（DL/T 5161.6）的规定执行。

（3）接地电阻的要求与测试一般按照以下规定执行：

1）接地电阻：分为大接地短路电流系统接地电阻、小接地短路电流系统接地电阻和低压系统接地电阻。水电站全站接地系统的接地电阻属大接地短路电流系统接地电阻，当经验算后接触电势和跨步电势值不超过规定值时可放宽至不超过0.5Ω。高压与低压电力设备共用的接地装置的接地电阻和仅用于高压电力设备的接地电阻属于小接地短路电流系统接地电阻，前者不宜超过4Ω，后者不宜超过10Ω。低压系统接地电阻不宜超过4Ω。

若接地装置的接地电阻高于设计要求值，应采取适当工程措施以降低接地电阻，直到满足要求为止。

2）接地电阻测试方法：接地电阻的测试方法，一般有电流—电压表法、补偿法和电桥法几种。大型接地网的接地电阻，应采用独立电源或经隔离变压器供电的电流电压表任意夹角三极法测量，并尽可能加大测量电流，测量电流一般不小于10A。

1.4.8　电气试验

水电站机电安装电气试验负责检验水电站机电设备的电气性能以及其安装质量，检查各部件、电气设备之间的电气配合与接线正确性，并调整其电气参数使之满足相应的规程和运行要求，保证水电站安全可靠地投入运行。

（1）电气试验的主要工作内容。

1）高压试验：发电机、变压器、母线、电力电缆、电压（电流）互感器、GIS断路器等高压电气设备的特性及电气强度试验。

2）自动化元件、自动装置、继电器及仪器仪表的校验和整定。

3）控制、保护、测量系统、计算机监控系统回路接线的正确性检查，电气联动试验。

4）启动调试、系统调试及试运行中的相关试验。

5）配合电力系统、制造厂家、科研单位和电力试验研究单位完成必要的机电设备的性能试验和系统试验。

（2）主要试验设备。试验设备是水电站机电安装电气试验工作必备的手段，与安装的机组型式、试验室组织结构和调试工作量有关，设备的配置以保证施工进度、安装质量和运行安全为原则，并根据企业能力和发展需求来购置。主要包括：发电机电气试验装置、高压设备试验装置、绝缘油试验设备、直流泄漏、耐压试验设备、继电保护校验仪、介损测量装置（包括配套的控制保护器）、继电保护校验仪、多量程仪用电流互感器、仪用电压互感器、交直流稳压电源、各种信号发生器、示波器、压力表、温度计等热工仪表校验仪、各种形式传感器校验率定仪、各种电工仪表、标准电阻箱、电桥、标准电压表以及笔记本电脑等。必要时可配备超高压试验设备以完成高压电气设备的工频（雷电、操作耐压）耐压试验。

电气设备及电工仪表技术及装置更新较快，设备的配置不追求一步到位。

（3）电气试验质量控制依据。电气试验质量控制及验收应以与试验项目相关的国标和行业标准为依据，可按照《电气装置安装工程 电气设备交接试验标准》（GB 50150）、《绝缘配合 第1部分：定义、原则和规则》（GB 311.1）、《现场绝缘试验实施导则》（DL 474.1～5）系列标准等国家及电力行业标准以及相关行业、厂家要求执行。设计、制造厂另有要求的还应符合设计制造的有关要求。每一项试验开始前都应按规定制定好试验措施和方案，编制试验大纲并经审查；试验所用仪器仪表应经过校验在有效期内；试验方法、步骤严格按措施进行；试验人员应具备相关资质。