三峽電站廠用電與機(jī)組輔助電源系統(tǒng)優(yōu)化方案

李志祥，黃俊，程永權(quán)

（中國長江三峽集團(tuán)公司，湖北省宜昌市，443002）

0 引言

三峽電站共設(shè)有左岸電站、右岸電站、右岸地下電站、電源電站4組廠房，共安裝有32臺單機(jī)額定容量700MW、2臺單機(jī)額定容量50MW的水輪發(fā)電機(jī)組，投產(chǎn)順序為左岸電站、電源電站、右岸電站、右岸地下電站[1-4]。目前，三峽左岸電站14臺700MW機(jī)組、右岸電站12臺700MW機(jī)組、電源電站2臺50MW機(jī)組已經(jīng)投產(chǎn)發(fā)電，右岸地下廠房6臺700MW機(jī)組將在2011年投產(chǎn)發(fā)電。全部建成后電站總裝機(jī)容量達(dá)到22.5GW，年發(fā)電量約1 000億kW·h[1]。自投運(yùn)以來，三峽電站廠用電系統(tǒng)出現(xiàn)了幾次嚴(yán)重事故，本文分析了事故原因，并提出了三峽電站廠用電系統(tǒng)優(yōu)化措施，運(yùn)行實(shí)踐表明優(yōu)化措施有助于提高廠用電系統(tǒng)的可靠性。

1 三峽電站廠用電與輔助電源系統(tǒng)

投產(chǎn)初期，三峽電站廠用電由系統(tǒng)外來電源和左岸電站機(jī)組電源構(gòu)成，系統(tǒng)外來電源點(diǎn)為葛洲壩二江電站220 kV系統(tǒng)，通過葛陳線（單回220 kV線路）接入三峽壩區(qū)中心變電站（陳家沖變電站），再通過陳壇線（雙回35 kV線路）接入壇子嶺35 kV變電站，在壇子嶺變電站降壓成10 kV，最后通過4條10 kV電纜向三峽左岸電站廠用電10 kV系統(tǒng)供電。左岸電站機(jī)組廠用電電源來自3、5、7、9、11、13號機(jī)組發(fā)電機(jī)端廠用電變壓器（隨著機(jī)組的投產(chǎn)逐步形成）。廠用電系統(tǒng)主要由左岸電站2個供電系統(tǒng)和泄洪壩段供電系統(tǒng)組成，采用10、0.4 kV電壓等級供電；10 kV相鄰母線間設(shè)有聯(lián)絡(luò)開關(guān)，0.4 kV供電系統(tǒng)除檢修供電外都設(shè)有2段母線，并設(shè)有備用電源自動投入裝置，通過母聯(lián)開關(guān)可以實(shí)現(xiàn)分段運(yùn)行和聯(lián)絡(luò)運(yùn)行[2-4]。左岸電站機(jī)組用電取自于Ⅰ～Ⅲ、Ⅵ～Ⅷ段10 kV母線，見圖1。

圖1 三峽左岸電站10kV及以上廠用電網(wǎng)絡(luò)Fig.1 The10 kV and above plantauxiliary powernetworkk of the ThreeGorges left-bank plant

相比一般容量的機(jī)組，三峽巨型機(jī)組的輔助設(shè)備更加復(fù)雜，例如三峽機(jī)組定子線棒采用純水冷卻，機(jī)組配置有純水加壓泵及過濾系統(tǒng)；三峽機(jī)組推導(dǎo)軸承、水導(dǎo)軸承采用外循環(huán)冷卻方式，因而配置有外循環(huán)泵系統(tǒng)；三峽機(jī)組導(dǎo)葉控制力矩大，因而調(diào)速器配置有單臺油泵容量為160 kW的大容量油壓裝置，等等。這些輔助設(shè)備對廠用電的依賴程度很高，供電中斷，或其控制邏輯不能適應(yīng)電源切換、擾動、恢復(fù)送電等工況，輔助設(shè)備將停止運(yùn)行，進(jìn)而引起主機(jī)停機(jī)。

2 三峽電站投產(chǎn)初期典型事故

2.1 外供電源消失引起全廠停機(jī)事故

2003年8月24日，三峽電站廠用電全停，導(dǎo)致2、5、6號機(jī)解列停機(jī)，全廠停電事故。事故前，三峽電站2、5號機(jī)運(yùn)行，6號機(jī)在進(jìn)行機(jī)組調(diào)試，電站出力1 610MW，壇子嶺變電站4回線路供三峽電站廠用電。21：13：00，因220 kV葛陳線遭雷擊跳閘，壇子嶺、三峽電站廠用電全部消失，2、5、6號機(jī)減負(fù)荷、解列、停機(jī)。21：17：00，陳家沖恢復(fù)對三峽電廠供電，5、3、2號機(jī)組依次開啟并網(wǎng)運(yùn)行。

經(jīng)檢查，事故原因為：投產(chǎn)機(jī)組中僅有1臺機(jī)組（5F）帶有廠用變壓器，且沒有調(diào)試投入運(yùn)行，機(jī)組雙電源供電的網(wǎng)絡(luò)未真正形成。因葛陳線跳閘，陳家沖變電站、壇子嶺變電站全站失電，三峽電站廠用電消失，機(jī)組自用電消失，機(jī)組通過“油壓裝置機(jī)械大故障”啟動“二類機(jī)械事故停機(jī)”，運(yùn)行中的2、5、6號機(jī)啟動事故停機(jī)流程，跳閘停機(jī)。

2.2 廠用電倒換引起6號機(jī)水導(dǎo)瓦燒損事故

2003年9月9日，廠用電倒換操作過程中，水導(dǎo)外循環(huán)控制回路進(jìn)線開關(guān)跳閘、水導(dǎo)油泵停運(yùn)，水導(dǎo)瓦溫過高停機(jī)，水導(dǎo)瓦燒損。事故前，三峽電廠2、3、6號機(jī)并網(wǎng)運(yùn)行，全廠總出力1 595MW，壇子嶺變電站3回線路送三峽電站廠用電。因壇子嶺G4K8開關(guān)修改保護(hù)定值，運(yùn)行值班人員需進(jìn)行倒閘操作，11：33：00斷開G8K4開關(guān)，合上G8K7開關(guān)，10 kV母線Ⅶ、Ⅷ聯(lián)絡(luò)運(yùn)行。11：48：00，6號機(jī)水導(dǎo)瓦溫過高啟動事故停機(jī)流程停機(jī)，甩負(fù)荷520MW，造成水導(dǎo)瓦燒損，且現(xiàn)場無法手動啟動循環(huán)油泵，原因為控制柜內(nèi)220/48V變壓器進(jìn)線開關(guān)5Q3開關(guān)跳閘。

經(jīng)檢查，事故原因為：（1）在廠用電倒換操作過程中10 kV母線Ⅷ電源短時中斷約3 s，水導(dǎo)外循環(huán)泵控制回路220／48 V電源變壓器的進(jìn)線開關(guān)5Q3跳閘，導(dǎo)致2臺水導(dǎo)外循環(huán)泵停運(yùn)，使水導(dǎo)上油槽的油位快速下降（油漏至下油槽），水導(dǎo)瓦瓦溫迅速升高，水機(jī)事故動作停機(jī)，在停機(jī)過程中瓦溫仍在迅速升高，導(dǎo)致水導(dǎo)瓦燒損；（2）水導(dǎo)外循環(huán)泵控制回路220/48 V電源采用單電源設(shè)計，48 V無電源監(jiān)視，進(jìn)線開關(guān)5Q3額定容量偏?。?A），該開關(guān)跳閘是此次事故的直接原因；（3）水導(dǎo)上油槽油位低動作停機(jī)的保護(hù)功能未投入，因該油位傳感器穩(wěn)定性差、經(jīng)常誤動報警，故外方要求將水導(dǎo)上油槽油位低投信號、不停機(jī)，這是造成水導(dǎo)瓦燒損的重要原因。

2.3 廠用電自動倒換誘發(fā)多臺機(jī)停機(jī)事故

2006年10月11日，9號機(jī)裂相保護(hù)動作致機(jī)組停機(jī)，在廠用電自動倒換過程中因2、3、8號機(jī)的純水雙泵全停，引起此3臺機(jī)組停機(jī)事件。事故前，左岸電站13臺機(jī)組正常運(yùn)行（7號機(jī)組備用），全廠出力9 050MW，廠用電10 kV母線Ⅰ由3號機(jī)供電，母線Ⅱ、Ⅲ聯(lián)絡(luò)運(yùn)行由5號機(jī)供電，9、11、13號機(jī)分別帶10 kV母線Ⅵ、Ⅶ、Ⅷ運(yùn)行。18：50：25，9號機(jī)“裂相保護(hù)動作”停機(jī)；18：50：27，3號機(jī)“二類機(jī)械事故（純水雙泵全停動作）”停機(jī)；3、9號機(jī)相繼跳閘后，10 kV母線Ⅰ、Ⅵ備自投動作成功；18：50：26，G7K6開關(guān)合閘；18：50：41，390G2K1開關(guān)合閘；18：52：11，8號機(jī)“二類機(jī)械事故（純水雙泵全停動作）”停機(jī)；18：52：11，2號機(jī)“二類機(jī)械事故（純水雙泵全停動作）”停機(jī)。

9號機(jī)故障跳閘停機(jī)的原因為CT4的B相本體繞組發(fā)生故障，保護(hù)正確動作出口。3號機(jī)故障跳閘停機(jī)的原因為：事故前純水2號泵在運(yùn)行，9號機(jī)事故停機(jī)后，3號機(jī)自用電二段失電，純水2號泵失電停止運(yùn)行，2臺純水泵全停且出力達(dá)到700MW，動作停機(jī)。事故時2號機(jī)和8號機(jī)的純水系統(tǒng)均是2號純水泵為工作泵，其電源由9號機(jī)提供，9號機(jī)跳閘后，該泵失去電源而停泵并報“泵故障”信號，啟動切換程序?qū)?號泵作為工作泵，10 s后，2臺機(jī)組的1號泵均啟動成功；隨后，3號機(jī)組跳閘，致使該泵也失去電源而停泵并報“泵故障”信號，2臺機(jī)組動作停機(jī)。

3 三峽電站機(jī)組輔助系統(tǒng)電源和廠用電的主要問題

3.1 機(jī)組輔助系統(tǒng)存在的主要問題

3.1.1 機(jī)組輔助系統(tǒng)控制和運(yùn)行需要電源供電

機(jī)組的定子純水冷卻系統(tǒng)、調(diào)速器系統(tǒng)、上導(dǎo)冷卻系統(tǒng)、高壓油系統(tǒng)、推導(dǎo)循環(huán)系統(tǒng)（VGS機(jī)型）、水導(dǎo)冷卻系統(tǒng)（ALSTOM機(jī)型）等各類系統(tǒng)油泵、水泵都需要電源供電，各類系統(tǒng)和水輪機(jī)、發(fā)電機(jī)的動力柜、控制柜等也需要電源。如此大量的、復(fù)雜的系統(tǒng)供電，對機(jī)組運(yùn)行時的自用電提出了很高的要求，廠用電的停電、部分停電、電源切換過程的短時停電都直接影響到機(jī)組的穩(wěn)定運(yùn)行。

3.1.2 機(jī)組輔助系統(tǒng)的控制回路和電源設(shè)計不合理

機(jī)組輔助系統(tǒng)的控制回路采用單電源、控制回路設(shè)計不合理、雙路電源不能自動切換、繼電器動作后不能自動復(fù)歸和定值不合理，電源恢復(fù)后不能自動恢復(fù)運(yùn)行等；控制回路選用的元器件質(zhì)量不可靠、開關(guān)（保險）容量的不正確等情況。這些控制回路方面的缺陷，是造成投產(chǎn)初期機(jī)組不穩(wěn)定的重要原因。

3.1.3 機(jī)組原設(shè)計的停機(jī)理念不符合國內(nèi)電網(wǎng)要求

電站左岸的機(jī)組全部為進(jìn)口機(jī)組，其中6臺由VGS（福伊特西門子公司和GE公司聯(lián)營體）供貨，8臺由ALSTOM供貨，外方設(shè)備的制造廠家均是電力工業(yè)發(fā)達(dá)的國家，電網(wǎng)結(jié)構(gòu)合理、電網(wǎng)的備用容量大，在機(jī)組停機(jī)方面的設(shè)計理念為：當(dāng)設(shè)備包括輔助設(shè)備故障時（即使是很小的故障），就動作于停機(jī)，然后進(jìn)行處理。而三峽電站投產(chǎn)初期，國內(nèi)嚴(yán)重缺電，電網(wǎng)的整體構(gòu)架在逐步完善中，700MW的機(jī)組跳閘對電網(wǎng)的沖擊較大。所以機(jī)組原設(shè)計的停機(jī)理念不符合國內(nèi)電網(wǎng)的要求。

3.2 投產(chǎn)初期廠用電系統(tǒng)薄弱

3.2.1 內(nèi)部供電系統(tǒng)

（1）左岸電站僅有單號機(jī)組設(shè)有廠用變壓器，因設(shè)備選型困難，發(fā)電機(jī)出口未設(shè)置斷路器，無法從系統(tǒng)倒送廠用電。

（2）最開始投產(chǎn)的6臺機(jī)組，僅有3、5號機(jī)組有廠用變壓器，使設(shè)計的6路機(jī)組帶廠用的電源點(diǎn)，在相當(dāng)長時間內(nèi)，僅投運(yùn)2個。

（3）作為國內(nèi)首批700MW的水輪發(fā)電機(jī)組，在許多方面缺乏經(jīng)驗，如水輪發(fā)電機(jī)組的定子純水冷卻系統(tǒng)、無軸領(lǐng)的水導(dǎo)結(jié)構(gòu)和機(jī)組輔助系統(tǒng)存在的各類隱患，造成機(jī)組投產(chǎn)初期的運(yùn)行不穩(wěn)定；三峽送出工程的交流和直流系統(tǒng)在投運(yùn)初期同樣存在運(yùn)行不穩(wěn)定的情況，故障后“切”運(yùn)行中的機(jī)組，也增加了機(jī)組的故障率。帶廠用變壓器機(jī)組的運(yùn)行不穩(wěn)定，直接影響到廠用電系統(tǒng)的穩(wěn)定。

3.2.2 外來電源

（1）外來供電電源的源頭僅1路。左岸電站投產(chǎn)初期，壇子嶺35 kV變電站有4回線路與電站的廠用電系統(tǒng)相連，壇子嶺10 kV分段運(yùn)行，壇子嶺變電站的上級（陳家沖變電站）35 kV也分段運(yùn)行，但陳家沖的220 kV電源僅有葛陳線。雖然110 kV的蓮陳線是陳家沖的備用電源，但未設(shè)計自動投入裝置，需要運(yùn)行人員進(jìn)行倒閘操作。

（2）外來電源隱患多。首先，通道存有隱患，陳家沖的主要電源來源（葛陳線），線路通過雷暴區(qū)，在汛期，三峽地區(qū)年均約40個雷暴日，每年進(jìn)入7、8月經(jīng)常發(fā)生雷擊停電事件；其次，陳家沖到壇子嶺變電站的線路為架空線路，易受雷電、大風(fēng)、高大樹木的影響；另外，開關(guān)、刀閘、互感器、支持瓷瓶等設(shè)備也不同程度存在質(zhì)量隱患。

（3）外來電源的運(yùn)行方式、定值不合理。三峽電站投產(chǎn)初期，陳家沖變電站采用原三峽工程施工時期常用的運(yùn)行方式，220 kV單母線運(yùn)行，110 kV側(cè)冷備用，2條35 kV母線聯(lián)絡(luò)運(yùn)行，有時壇子嶺變電站的35 kV也采用聯(lián)絡(luò)運(yùn)行方式，這樣在陳家沖或壇子嶺發(fā)生故障后，造成送三峽電站廠用電的多路同時失電。

4 機(jī)組輔助系統(tǒng)和廠用電電源系統(tǒng)優(yōu)化

4.1 優(yōu)化輔助系統(tǒng)供電電源、完善控制系統(tǒng)

提高輔助系統(tǒng)的適應(yīng)能力，保證單路電源中斷、雙路電源切換不會導(dǎo)致輔助系統(tǒng)設(shè)備停運(yùn)，雙路電源消失又恢復(fù)供電后輔助系統(tǒng)設(shè)備能自動恢復(fù)運(yùn)行。具體措施有：

（1）對于原設(shè)計僅1路電源的回路，均新增1路電源，與原控制回路電源形成冗余。

（2）對控制性能要求高的回路，新增220 V直流供電，進(jìn)一步提高電源的可靠性。

（3）對動力柜原設(shè)計為單電源的，改進(jìn)為雙電源，且增設(shè)自動投入功能。

（4）根據(jù)機(jī)組的廠家、分類對各輔助系統(tǒng)的控制回路進(jìn)行梳理，完善、優(yōu)化回路的控制，提高輔助系統(tǒng)的可靠性，確保機(jī)組的安全、穩(wěn)定運(yùn)行。

4.2 完善電站的廠用電系統(tǒng)

4.2.1 自備保安電源

電源電站機(jī)組投入運(yùn)行，形成壩區(qū)35 kV供電網(wǎng)，見圖2。電源電站送陳家沖雙回35 kV線路，送壇子嶺雙回35 kV線路，送右岸電站UG雙回35 kV線路，增加了送左岸電站1、3號高壓配電室雙回10 kV線路，送泄洪壩段雙回10 kV線路。電源電站投運(yùn)促進(jìn)了廠區(qū)10、35 kV系統(tǒng)的形成，電源電站的機(jī)組具有黑啟動功能，各電站供電電源配置如下：

（1）左岸電站。來自3、5、7、9、11、13號機(jī)組的自供電源；從電源電站送來的10 kV電源；從壇子嶺送來的10 kV電源；右岸與左岸之間10 kV互聯(lián)電源。

（2）右岸電站。來自于16、18、22、24號機(jī)組的自供電源；從右岸35 kV變電站送來的10 kV電源（來自于電源電站）；右岸與左岸之間10 kV互連電源；右岸與右岸地下電站之間10 kV互聯(lián)電源。

（3）地下電站。來自于28、30、32號機(jī)組的自供電源；從右岸35 kV變電站送來的10 kV電源（來自于電源電站）；從右岸廠外35 kV變電站送來的10 kV電源；右岸與右岸地下電站之間10 kV互聯(lián)電源。

4.2.2 增設(shè)發(fā)電機(jī)出口開關(guān)

三峽右岸電站4臺帶廠用變壓器的機(jī)組均設(shè)斷路器，地下電站3臺帶廠用變壓器的機(jī)組也設(shè)置發(fā)電機(jī)出口開關(guān)斷路器，保證機(jī)組解列后能從系統(tǒng)到送電至廠用電系統(tǒng)。

4.2.3 提高外來電源的可靠性

2009年，陳家沖和壇子嶺2個變電站完成了設(shè)備升級、改造，大大提高了供電的可靠性，增加小雁溪220 kV通道，確保了陳家沖變電站電源的真正雙重化。

4.2.4 合理安排運(yùn)行方式

三峽電廠與三峽供電局定期會商，確定合理三峽廠用電系統(tǒng)和陳家沖、壇子嶺變電站的運(yùn)行方式。通過運(yùn)行方式的合理安排，優(yōu)化了供電系統(tǒng)，進(jìn)一步提高了供電的可靠性。

4.3 優(yōu)化效果

分別對機(jī)組輔助系統(tǒng)和廠用電供電系統(tǒng)優(yōu)化后，三峽機(jī)組的平均強(qiáng)迫停運(yùn)次數(shù)與等效強(qiáng)迫停運(yùn)率分別如圖3、4所示。由圖3、4可知，經(jīng)優(yōu)化后，三峽機(jī)組的安全穩(wěn)定運(yùn)行水平大大提高。

5 結(jié)語

機(jī)組輔助系統(tǒng)的各項優(yōu)化措施，顯著提高了機(jī)組本身對供電電源的冗余和抗擾動能力；保安電源電站的投產(chǎn)、廠用電網(wǎng)絡(luò)的完善提高了廠用電可靠性。三峽廠用電系統(tǒng)能滿足電站安全運(yùn)行的要求。

[1]趙彪，雷體鈞，劉姜玲，等.三峽電站與輸變電工程建設(shè)時序配合分析[J].電力建設(shè)，2010，31（6）：49-53.

[2]程永權(quán).三峽機(jī)組運(yùn)行可靠性分析[J].水力發(fā)電，2005，31（6）：57-59.

[3]程永權(quán).提高三峽機(jī)組運(yùn)行可靠性的途徑[J].中國三峽建設(shè)，2004（6）：32-33，46.

[4]李志祥.談建三峽工程自備保安電源電站的必要性[J].中國三峽建設(shè)，2003（12）：30-32.