深溪溝主接線由單母線調(diào)整為四角形接線的利與弊

周 勇

(國電大渡河深溪溝水電有限公司，四川漢源 625304)

1 概述

大渡河深溪溝水電站位于四川省漢源縣和甘洛縣交界處，為大渡河干流規(guī)劃的第十八級電站，工程以發(fā)電為主，裝機(jī)容量為66萬kW，年發(fā)電量為32.4億 kW·h。

電站樞紐由河床式廠房、窯洞式安裝間、泄洪閘、沖沙閘、擋水壩等水工建筑物組成，壩頂高程662.5 m，大壩壩頂長226 m，最大壩高101 m。電站裝設(shè)4臺軸流轉(zhuǎn)槳式水輪發(fā)電機(jī)組，單機(jī)容量為165 MW，額定水頭30 m，最大水頭40 m，最小水頭 20.1 m。

該工程于2006年3月22日經(jīng)國家發(fā)改委核準(zhǔn)，4月12日正式開工，2007年11月6日截流，首臺機(jī)組計(jì)劃于2010年7月1日發(fā)電，后續(xù)間隔5個月、4個月和3個月第二臺、三臺和第四臺機(jī)組陸續(xù)發(fā)電。

2005年3月25日，中國電力工程顧問集團(tuán)公司在北京主持了《四川大渡河深溪溝水電站接入系統(tǒng)設(shè)計(jì)》報(bào)告評審會，根據(jù)西南電力設(shè)計(jì)院2005年3月提供的《四川大渡河深溪溝水電站接入系統(tǒng)設(shè)計(jì)》報(bào)告，會議通過了深溪溝水電站接入系統(tǒng)單母線接線方案(圖1)。

圖1 深溪溝水電站接入系統(tǒng)單母線主接線方案圖

該主接線方案是在枕頭壩、沙坪梯級電站沒有明確建設(shè)主體背景下設(shè)計(jì)規(guī)劃的，根據(jù)當(dāng)時(shí)的情況，擬將下游的枕頭壩電站(負(fù)荷為72萬kW)接入深溪溝備用回路，并經(jīng)深溪溝和瀑布溝水電站接入系統(tǒng)(圖2)。

圖2 大渡河中游電站群接入系統(tǒng)示意圖

隨著枕頭壩、沙坪水電站建設(shè)主體明確由大渡河流域開發(fā)公司組織開發(fā)，西南電力設(shè)計(jì)院于2008年對深溪溝下游的梯級電站接入系統(tǒng)進(jìn)行了調(diào)整設(shè)計(jì)。根據(jù)新的接入系統(tǒng)，要求深溪溝水電站的電氣主接線要考慮下游枕頭壩電站和沙坪水電站的接入。據(jù)最新資料，枕頭壩、沙坪各按兩級設(shè)計(jì)，枕頭壩一級、二級和沙坪一級、二級水電站裝機(jī)容量分別為72萬 kW、24萬 kW、44萬kW、35萬kW，容量合計(jì)為175萬kW，電站裝機(jī)容量較最初的設(shè)計(jì)有大幅提高。

上述接入深溪溝水電站的電站數(shù)量和裝機(jī)容量發(fā)生了巨大變化，對深溪溝水電站升壓站的可靠性和運(yùn)行靈活性提出了更高的要求。為此，2008年12月4日，水電水利規(guī)劃設(shè)計(jì)總院在北京主持召開了《大渡河深溪溝水電站電氣主接線調(diào)整設(shè)計(jì)報(bào)告》審查會議，會議認(rèn)為:四角形接線其可靠性高，運(yùn)行靈活，檢修方便，可減少電站棄水，適合本電站，同意深溪溝水電站升壓站500 kV側(cè)接線采用四角形接線方案(圖3)。

圖3 四角形主接線圖

2 主接線方案綜合比較

2.1 安全可靠性

水電站主接線的選擇應(yīng)滿足電力系統(tǒng)對電廠穩(wěn)定、可靠性的要求，以及對電廠機(jī)組運(yùn)行方式的要求，且不致造成水庫大量棄水、進(jìn)而嚴(yán)重影響到電廠效益和安全運(yùn)行。

2008年，根據(jù)調(diào)整后的初步輸電方案，深溪溝水電站的電氣主接線要滿足深溪溝、枕頭壩和沙坪(175萬kW左右)等電站的電力通過瀑布溝水電站送入系統(tǒng)，或深溪溝水電站(極端情況下包括瀑布溝水電站180萬kW)的電力通過枕頭壩(沙坪)電站送入系統(tǒng)的兩種運(yùn)行方式。這樣的運(yùn)行方式使深溪溝水電站500 kV側(cè)存在較大的交換功率，成為大渡河中下游電站群川電東送和華中電網(wǎng)西電東送的區(qū)域樞紐站，因此而對深溪溝電氣主接線的安全可靠性和運(yùn)行靈活性提出了更高的要求。

國家電網(wǎng)公司、電監(jiān)會以及國電集團(tuán)公司對樞紐站全停、電網(wǎng)及設(shè)備事故定義如下:

(1)《國家電網(wǎng)公司十八項(xiàng)電網(wǎng)重大反事故措施》第5條 防止樞紐變電站全停事故要求如下:

第5.1.1條:樞紐變電站在站內(nèi)部分母線或一條輸電通道檢修情況下，發(fā)生N－1、N－2故障時(shí)不應(yīng)出現(xiàn)變電站全停的情況。

注釋:N－1原則是判定電力系統(tǒng)安全性的一種準(zhǔn)則，又稱單一故障安全準(zhǔn)則。按照這一準(zhǔn)則，深溪溝水電站的N個元件中的任一獨(dú)立元件(發(fā)電機(jī)、輸電線路、變壓器等)發(fā)生故障而被切除后，應(yīng)不造成因其他線路過負(fù)荷跳閘而導(dǎo)致用戶停電;不破壞系統(tǒng)的穩(wěn)定性，不出現(xiàn)電壓崩潰等事故。

(2)電監(jiān)會《電力生產(chǎn)事故調(diào)查暫行規(guī)定》對重大電網(wǎng)事故的定義和級別規(guī)定如下:

第九條:電網(wǎng)發(fā)生有下列情形之一的大面積停電，為重大電網(wǎng)事故:

①電網(wǎng)負(fù)荷為20 000 MW以上的，減供負(fù)荷8%;

②電網(wǎng)負(fù)荷為10 000 MW以上、不滿20 000 MW的，減供負(fù)荷10%或1 600 MW;

③電網(wǎng)負(fù)荷為5 000 MW以上、不滿10 000 MW的，減供負(fù)荷15%或1 000 MW;

④電網(wǎng)負(fù)荷為1 000 MW以上、不滿5 000 MW的，減供負(fù)荷20%或750 MW;

⑤電網(wǎng)負(fù)荷為不滿1 000 MW的，減供負(fù)荷40%或200 MW。

(3)集團(tuán)公司《中國國電集團(tuán)公司事故調(diào)查規(guī)程》對重大設(shè)備事故定義如下:

裝機(jī)容量400 MW以上的發(fā)電廠，一次事故造成2臺及以上機(jī)組非計(jì)劃停運(yùn)并造成全廠對外停電的，為重大設(shè)備事故。

由此可見，深溪溝500 kV升壓站如果因母線失電造成全站停電和區(qū)域電網(wǎng)解列，會造成設(shè)備重大故障和電網(wǎng)重大事故。北京電網(wǎng)草橋變電站因GIS氣室內(nèi)部故障引發(fā)的全站失電和太原第一電廠因GIS設(shè)備故障造成全廠停電造成的后果都十分嚴(yán)重、影響惡劣。因此，深溪溝主接線的安全可靠性顯得尤為重要。

單母線接線方式最大的缺陷是母線停運(yùn)(母線檢修、故障，線路故障后線路保護(hù)或斷路器拒運(yùn))將使全部支路停運(yùn)，即停電范圍為該母線段的100%，且停電時(shí)間長;若為母線自身損壞，須待母線修復(fù)之后才能恢復(fù)各支路運(yùn)行。

四角形接線實(shí)質(zhì)上是一種單環(huán)形接線，每個回路用2臺斷路器進(jìn)行操作。該接線形式充分利用了每一回路的斷路器，任一組斷路器檢修(故障)不影響回路的連續(xù)運(yùn)行，即任何一組斷路器故障時(shí)均能確保全廠1/2以上容量正常運(yùn)行，系統(tǒng)可靠性高，操作方便、靈活，且我國水電系統(tǒng)對角形接線積累了較豐富的運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，在已投運(yùn)發(fā)電的大型水電站500 kV電氣主接線設(shè)計(jì)中，采用雙母線接線的數(shù)量最多，占48%;其次為采用一倍半接線和角形接線電站，占40%;單母線接線的電站占2%。

2.2 技術(shù)可靠性

2.2.1 全廠失電幾率比較

大渡河中下游電站群包括瀑布溝、深溪溝、枕頭壩、沙坪水電站，合計(jì)裝機(jī)容量達(dá)600萬kW，是川電外送和西電東送的主力電源，在華中電網(wǎng)占據(jù)十分重要的地位，該電站群的穩(wěn)定運(yùn)行和所創(chuàng)造的經(jīng)濟(jì)效益是電網(wǎng)安全的重要考核指標(biāo)。

深溪溝水電站作為該電站群的樞紐電站，其運(yùn)行可靠性、安全性對供區(qū)的能源平衡起著非常重要的作用，能在上、下游事故情況下迅速反應(yīng)，起著互為備用的作用，能縮小事故范圍、減少停電時(shí)間、降低經(jīng)濟(jì)損失，故電站應(yīng)選擇具有較高可靠性和運(yùn)行靈活性的電氣主接線方案，應(yīng)更好的滿足電力系統(tǒng)穩(wěn)定和可靠性要求，以及對電廠機(jī)組運(yùn)行方式的要求。

深溪溝主接線的單母線方案在前期枕頭壩線路未投入運(yùn)行時(shí)，下列故障可能造成全廠失電的重大事故:

(1)至瀑布溝水電站輸出線路故障;

(2)至瀑布溝水電站輸出線路側(cè)斷路器故障;

(3)單母線本體故障;

(4)單母線YH故障。

下列故障可能造成主變壓器停電事故:

(1)主變側(cè)斷路器故障;

(2)至主變側(cè)分支母線故障。

深溪溝主接線的角形方案，在前期枕頭壩線路未投入運(yùn)行時(shí)，只有瀑布溝水電站輸出線路發(fā)生故障，才可能造成全廠失電的重大事故;只有主變側(cè)分支母線發(fā)生故障，才可能造成主變壓器停電、兩臺機(jī)組停機(jī)事故。

由上述比較可以看出:角形接線造成全廠失電的幾率比單母線下降了300%，可靠性提高了3倍;造成主變壓器停電、兩臺機(jī)組停機(jī)的幾率下降了100%，可靠性提高了1倍。主接線由單母線改為角形接線，其任何一條進(jìn)/出線均由原來的一臺斷路器連接改為兩臺斷路器連接，任何一臺斷路器的檢修或故障都不影響線路的持續(xù)運(yùn)行。

采用角形接線方式，任何一組斷路器故障時(shí)均能確保全廠1/2以上容量正常運(yùn)行;而單母線運(yùn)行時(shí)，任何一臺斷路器的檢修或故障都將造成其相應(yīng)的設(shè)備停電。

2.2.2 線路輸出負(fù)荷能力比較

隨著枕頭壩、沙坪水電站的投入運(yùn)行，在大渡河中下游形成電站群以后，對各電站交換功率的能力又提出了更高的要求。

由主接線比較可知，單母線接線其任何一臺斷路器的檢修或故障都將造成其相應(yīng)的設(shè)備停電，而深溪溝作為枕頭壩、沙坪水電站一個重要的輸出通道，設(shè)備的不可靠性將造成負(fù)荷送出通道阻塞或中斷，會造成枕頭壩及沙坪機(jī)組窩電乃至停機(jī)等事故發(fā)生;若瀑布溝四回送出線因冰凍等自然災(zāi)害需要通過深溪溝承擔(dān)部分功率送出到沙坪至系統(tǒng)時(shí)，深溪溝的交換輸出能力就顯得更加重要。

根據(jù)目前的規(guī)劃，枕頭壩二級、沙坪一級水電站的負(fù)荷經(jīng)過沙坪二級水電站往樂山輸出，而沙坪二級水電站預(yù)可研報(bào)告中擬采用的單母線接線方案也增加了運(yùn)行的不可靠性，若出現(xiàn)深溪溝、沙坪二級出線回路同時(shí)故障的極端情況，將造成241萬kW電量無法送出，其經(jīng)濟(jì)損失不可估量。

采用角形接線后，就電站本身設(shè)備而言，除增加區(qū)域電網(wǎng)的靈活性和可靠性外，還具有以下優(yōu)點(diǎn):

(1)對深溪溝而言，不會因至瀑深線側(cè)斷路器故障造成四臺機(jī)組或主變壓器側(cè)斷路器故障而導(dǎo)致兩臺機(jī)組無法送電的情況出現(xiàn)。

(2)枕頭壩、沙坪四級電站在沙坪二級負(fù)荷送出通道中斷或阻塞的情況下，其負(fù)荷可通過深溪溝升壓站至瀑布溝升壓站送出。

(3)增加深溪溝、枕頭壩、沙坪等下游水電站機(jī)組運(yùn)行方式的可靠性。

(4)增加深溪溝、枕頭壩、沙坪等下游電網(wǎng)調(diào)度方式的靈活性。

(5)可為系統(tǒng)提供更多、可調(diào)度的備用機(jī)組，便于流域機(jī)組電量統(tǒng)一調(diào)度從而實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)效益最大化。

2.3 經(jīng)濟(jì)比較

主接線采用角形接線方案將增加部分設(shè)備。根據(jù)合同價(jià)格，約增加1 000萬元左右的投資。按照10年回收期計(jì)算，每年分?jǐn)?00萬元。深溪溝水電站裝機(jī)66萬kW，按上網(wǎng)電費(fèi)0.3元計(jì)算，每年四臺機(jī)組只需滿負(fù)荷運(yùn)行5 h，就能收回投資。

而當(dāng)設(shè)備本身故障、造成全廠停電或2臺機(jī)組停電，如果在5 h或者10 h之內(nèi)能夠恢復(fù)運(yùn)行，則將與增加的投資持平;超過5 h或者10 h，將造成更大的經(jīng)濟(jì)損失。

國內(nèi)已投運(yùn)的GIS設(shè)備由于氣體泄露或微量水分超標(biāo)、斷路器本體及主母線設(shè)備內(nèi)部發(fā)生故障，要在短時(shí)間內(nèi)恢復(fù)設(shè)備的正常運(yùn)行幾乎是不可能的，其造成相應(yīng)設(shè)備停電的時(shí)間將遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于5 h或10 h。三峽電廠、二灘電廠都發(fā)生過GIS氣隔漏氣;龍灘電廠GIS自投運(yùn)以來，已停電更換了80多個密度繼電器，這些故障在GIS設(shè)備運(yùn)行過程中時(shí)常發(fā)生，故障處理時(shí)間均較長。因此，采用角形接線，減小因設(shè)備故障停運(yùn)造成的經(jīng)濟(jì)損失是非常有利的，也有利于大渡河中下游電站群負(fù)荷的靈活分配，增大其輸送電量的能力。

2.4 實(shí)際應(yīng)用中的優(yōu)勢

2011年1月5日，瀑布溝至東坡變電站550 kV輸電線路布坡一、二、三、四線均因冰雪雨凍災(zāi)害先后倒塔，送出線路全部中斷，導(dǎo)致瀑布溝、深溪溝全廠停電。1月6日，經(jīng)省電力公司全力搶修，瀑坡三、四線相繼投入運(yùn)行。深溪溝電站隨即開機(jī)發(fā)電并網(wǎng)，在合斷路器進(jìn)行環(huán)網(wǎng)操作時(shí)，一臺斷路器瞬間跳閘并伴有弧光產(chǎn)生，現(xiàn)場對懷疑出現(xiàn)故障的設(shè)備的SF6氣體做成份分析時(shí)發(fā)現(xiàn)2B主變側(cè)電磁式電壓互感器因鐵磁諧振過電壓擊穿燒毀，需返廠重新制作更換，估計(jì)耗時(shí)30余天。此時(shí)，四角形接線方式較單母線接線方式的經(jīng)濟(jì)效益優(yōu)勢凸顯。因采用四角形接線方案，只需斷開與2B主變電壓互感器相關(guān)的斷路器，實(shí)行開環(huán)方式運(yùn)行，在不影響機(jī)組正常發(fā)電的情況下等候更換該組電壓互感器。

由此可見，在本次事故中，因采用四角形接線方式，留下了足夠的時(shí)間搶修該組電壓互感器，同時(shí)又不影響機(jī)組的正常發(fā)電運(yùn)行，從而避免了大量的經(jīng)濟(jì)利益的損失。

3 結(jié)語

根據(jù)發(fā)電機(jī)-變壓器組合方式和500 kV側(cè)接線的技術(shù)和經(jīng)濟(jì)比較，并綜合運(yùn)行安全性、可靠性分析以及對枕頭壩、沙坪梯級水電站運(yùn)行方式和負(fù)荷調(diào)度的靈活性、經(jīng)濟(jì)型的闡述，采用角形接線，無論從深溪溝水電站的運(yùn)行安全性、可靠性、經(jīng)濟(jì)性，以及對枕頭壩、沙坪梯級水電站運(yùn)行和調(diào)度的靈活性、安全性都十分有利，且更有利于區(qū)域電網(wǎng)的統(tǒng)一調(diào)度。