深溪溝水電站電氣主接線設(shè)計(jì)

劉榮明

(中國水電顧問集團(tuán)成都勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，四川 成都 610072)

1 前 言

深溪溝水電站位于四川省大渡河中游漢源縣和甘洛縣接壤部，為大渡河干流規(guī)劃的第十八級(jí)電站，其上一梯級(jí)為瀑布溝水電站，下一級(jí)為在建的枕頭壩水電站。電站接瀑布溝水電站尾水，主要任務(wù)是發(fā)電；配合瀑布溝水電站的運(yùn)行方式，深溪溝水電站相應(yīng)承擔(dān)腰荷和調(diào)峰運(yùn)行任務(wù)。電站所發(fā)電能送入四川省電網(wǎng)。

電站為河床式廠房，壩頂高程662.50m，裝設(shè)4臺(tái)軸流轉(zhuǎn)槳式水輪發(fā)電機(jī)組，單機(jī)容量為165MW。電站以500kV電壓等級(jí)接入電力系統(tǒng)。電站多年平均年發(fā)電量32.35億kW·h，年利用小時(shí)數(shù)4 800h。

工程于2006年3月22日正式開工，首臺(tái)機(jī)組于2010年6月發(fā)電運(yùn)行，第2臺(tái)機(jī)組于2010年11月發(fā)電運(yùn)行，計(jì)劃于2011年7月全部機(jī)組發(fā)電運(yùn)行。

2 可研階段電氣主接線設(shè)計(jì)

2.1 電站接入系統(tǒng)

深溪溝水電站沒有近區(qū)供電負(fù)荷，電站與瀑布溝水電站關(guān)系密切，根據(jù)華中電網(wǎng)有限公司“深溪溝水電站接入系統(tǒng)設(shè)計(jì)評(píng)審意見的通知”，電站接入電力系統(tǒng)方案為深溪溝水電站以500kV一級(jí)電壓接入系統(tǒng)，采用1回500kV出線接至瀑布溝水電站，與瀑布溝水電站作為一組電源以4回500kV線路送四川電網(wǎng)主網(wǎng)。

系統(tǒng)對(duì)電站有關(guān)電氣設(shè)備及其參數(shù)的要求：500kV出線2回，其中1回接入瀑布溝水電站，備用1回；短路電流水平按50kA考慮；主變電壓抽頭為550-2×2.5% kV；發(fā)電機(jī)組額定功率因數(shù)按0.9考慮，并應(yīng)具備功率因數(shù)-0.9進(jìn)相運(yùn)行的能力。

2.2 電氣主接線設(shè)計(jì)方案

2.2.1 發(fā)電機(jī)-變壓器組接線

根據(jù)電站的裝機(jī)容量和臺(tái)數(shù)以及接入電力系統(tǒng)的要求，發(fā)電機(jī)-變壓器的組合方式有單元接線、擴(kuò)大單元接線、聯(lián)合單元接線三種方式。同時(shí)考慮到本電站在電力系統(tǒng)中主要承擔(dān)腰荷并參與部分調(diào)峰運(yùn)行，為適應(yīng)機(jī)組的頻繁開、停機(jī)操作，增加電廠運(yùn)行調(diào)度的靈活性，推薦在發(fā)電機(jī)出口裝設(shè)發(fā)電機(jī)斷路器。

技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較表明，單元接線方案簡單可靠，運(yùn)行靈活，但主變壓器數(shù)量和500kV側(cè)設(shè)備數(shù)量較多；聯(lián)合單元接線方案的可靠性與單元接線接近，運(yùn)行靈活性比單元接線差，但節(jié)省了部分500kV設(shè)備；擴(kuò)大單元接線的可靠性和靈活性比前兩個(gè)方案均略差，但僅裝設(shè)2臺(tái)主變壓器且500kV設(shè)備數(shù)量最少。根據(jù)負(fù)荷預(yù)測(cè)資料和電網(wǎng)的發(fā)展情況，發(fā)電機(jī)-變壓器的組合方式的三種接線方案均能滿足電氣主接線可靠性和靈活性的要求。此外，本電站主變壓器、開關(guān)站和副廠房均布置在主廠房下游，場(chǎng)地緊張，采用擴(kuò)大單元接線能節(jié)省變壓器布置場(chǎng)地。

綜合考慮電氣主接線的可靠性、運(yùn)行靈活性、經(jīng)濟(jì)性、主變布置場(chǎng)地以及節(jié)約電站投資等因素，可研階段設(shè)計(jì)推薦采用擴(kuò)大單元接線方案作為發(fā)電機(jī)-變壓器組合方式。

2.2.2 高壓500kV側(cè)接線

在可研階段，深溪溝水電站500kV接線方案擬定了橋形接線、單母線接線和四角形接線三個(gè)方案進(jìn)行比較?？紤]到備用出線回路將作為枕頭壩水電站的接入點(diǎn)，枕頭壩水電站的發(fā)電量經(jīng)過深溪溝水電站送入系統(tǒng)，因此深溪溝水電站500kV側(cè)為三進(jìn)一出，從技術(shù)經(jīng)濟(jì)角度出發(fā)采用單母線接線即可滿足可靠性的要求，也便于今后枕頭壩水電站的接入，因此推薦500kV側(cè)的接線為單母線接線。根據(jù)廠房布置條件500kV電壓選用GIS設(shè)備。

2.3 電氣主接線方案審查意見

本電站以500kV一級(jí)電壓1回出線通過瀑布溝開關(guān)站接入電力系統(tǒng)，另備用1回是可行的。

基本同意發(fā)電機(jī)-變壓器采用擴(kuò)大單元接線、發(fā)電機(jī)出口設(shè)斷路器，下階段應(yīng)考慮變壓器的運(yùn)輸條件、發(fā)電機(jī)參數(shù)選擇、發(fā)電機(jī)斷路器性能等因素，進(jìn)一步優(yōu)化發(fā)電機(jī)-變壓器組合方式。同意500kV變壓器高壓側(cè)采用單母線接線。

同意500kV高壓配電裝置選用GIS布置在主廠房下游側(cè)主變壓器室上層的方案，同意主變器結(jié)構(gòu)型式采用三相組合式。

3 技施階段電氣主接線設(shè)計(jì)

3.1 電站接入系統(tǒng)方式

3.1.1 接入系統(tǒng)調(diào)整變化情況

根據(jù)2008年6月26日西南電力設(shè)計(jì)院系統(tǒng)規(guī)劃中心提供的“枕頭壩、沙坪梯級(jí)電站初步輸電方案及其與瀑布溝、深溪溝電站關(guān)系資料”的內(nèi)容，電站近區(qū)供電及供電范圍沒有發(fā)生變化。因深溪溝下游梯級(jí)電站規(guī)劃調(diào)整，枕頭壩、沙坪水電站開發(fā)方式和裝機(jī)容量均有較大的變化，故對(duì)深溪溝、枕頭壩、沙坪等梯級(jí)電站的送出方式進(jìn)行了相應(yīng)的調(diào)整。

根據(jù)深溪溝水電站可研設(shè)計(jì)階段的接入系統(tǒng)審查意見，該電站留有一個(gè)進(jìn)線間隔，主要預(yù)留給下游銜接梯級(jí)(枕頭壩電站、沙坪電站)的送出。根據(jù)下游梯級(jí)電站規(guī)劃的最新情況，枕頭壩、沙坪電站各按兩級(jí)電站設(shè)計(jì)，各級(jí)電站裝機(jī)容量有較大的提高。確定枕頭壩一級(jí)、二級(jí)和沙坪一級(jí)、二級(jí)電站裝機(jī)容量分別為720MW、240MW、440MW、350MW，容量合計(jì)達(dá)1 750MW。

按西南電力設(shè)計(jì)院對(duì)枕頭壩、沙坪梯級(jí)電站輸電系統(tǒng)規(guī)劃設(shè)計(jì)工作，結(jié)合系統(tǒng)需要、接入落點(diǎn)條件、輸電走廊限制等因素，考慮枕頭壩、沙坪梯級(jí)電站均以500kV電壓等級(jí)出線，深溪溝電站接入系統(tǒng)為500kV出線2回，其中一回接入瀑布溝水電站，另一回接入下游的枕頭壩一級(jí)水電站。

3.1.2 系統(tǒng)對(duì)深溪溝水電站有關(guān)電氣參數(shù)的要求

(1)500kV出線2回，其中一回接入瀑布溝水電站，另一回接入下游的枕頭壩一級(jí)水電站。

(2)輸送導(dǎo)線截面：深溪溝至瀑布溝500kV出線建議采用4×400mm2。

(3)發(fā)電機(jī)：

額定功率 4×16.5萬kW

功率因數(shù) 0.90(滯后)

發(fā)額定有功時(shí)進(jìn)相能力 0.95(超前)

次暫態(tài)電抗Xd″ 0.2

慣性時(shí)間常數(shù)Tj≥9.0s

(4)主變壓器：

額定電壓 高壓550-2×2.5%kV

中性點(diǎn)接地方式 直接接地

阻抗電壓 3%～15%

3.2 電氣主接線設(shè)計(jì)

3.2.1 電氣主接線的調(diào)整設(shè)計(jì)原則

由于本電站匯集了下游枕頭壩、沙坪電站合計(jì)1 750MW容量，加上本電站660MW共2 410MW容量，作為川電外送和西電東送的主力電源，對(duì)供區(qū)的電力平衡起著較為重要的作用，所以應(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。

電氣主接線的設(shè)計(jì)應(yīng)滿足電力系統(tǒng)穩(wěn)定和可靠性的要求，以及對(duì)電廠機(jī)組運(yùn)行方式的要求，原則上應(yīng)不造成水庫大量棄水而嚴(yán)重影響電廠效益和安全運(yùn)行；同時(shí)應(yīng)滿足供電可靠、運(yùn)行靈活、檢修方便、接線簡單、便于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化且經(jīng)濟(jì)合理等要求。根據(jù)本電站在系統(tǒng)中的重要地位，按以下具體原則擬定電氣主接線方案：

(1)由于下游枕頭壩、沙坪梯級(jí)電站容量穿越本電站送出，正常情況下包括本電站的容量經(jīng)1回500kV線路通過瀑布溝電站送入系統(tǒng)，本電站電氣主接線應(yīng)考慮盡量保證穿越功率和本電站容量送出的可靠性，并應(yīng)滿足系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行要求。

(2)在任意一臺(tái)高壓斷路器或一段母線檢修時(shí)，不影響連續(xù)供電。發(fā)電機(jī)出口斷路器可以與機(jī)組同時(shí)檢修。

(3)接線簡單，調(diào)度靈活，運(yùn)行維護(hù)方便；滿足電站各種運(yùn)行方式的操作要求。

(4)繼電保護(hù)及控制、信號(hào)回路可靠，保護(hù)裝置維護(hù)不影響正常運(yùn)行。

(5)在滿足系統(tǒng)穩(wěn)定性、運(yùn)行可靠和靈活性要求的條件下，盡量簡化引出線設(shè)備和開關(guān)站的規(guī)模，減少土建工程量和電氣設(shè)備投資以及電能損耗。

3.2.2 發(fā)電機(jī)-變壓器組合方式論證

根據(jù)深溪溝水電站可研設(shè)計(jì)報(bào)告的審查意見，要求本階段結(jié)合主變壓器的運(yùn)輸條件及發(fā)電機(jī)參數(shù)選擇，進(jìn)一步優(yōu)化發(fā)電機(jī)-變壓器的組合方式。

對(duì)于單元接線、聯(lián)合單元接線和擴(kuò)大單元接線，除接線可靠性和運(yùn)行靈活性外，其方案選擇還應(yīng)結(jié)合主變壓器的參數(shù)和型式選擇進(jìn)行論證。根據(jù)本電站裝機(jī)容量，單元接線和聯(lián)合單元接線方案中主變壓器共4臺(tái)，單臺(tái)容量為185MVA；擴(kuò)大單元接線主變壓器共2臺(tái)，單臺(tái)容量為375MVA。

對(duì)于185MVA、500kV的升壓變壓器，若采用常規(guī)三相變壓器，整體運(yùn)輸重量約145t；若采用組合式三相變壓器或單相變壓器組，單相運(yùn)輸重量約65t。對(duì)于375MVA、500kV的升壓變壓器，若采用常規(guī)三相變壓器，整體運(yùn)輸重量約230t，若采用組合式三相變壓器或單相變壓器組，單相運(yùn)輸重量約110t。

可見，本電站若采用185MVA整體三相變壓器或375MVA整體三相變壓器，其運(yùn)輸重量均將超過水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪而成為電站最重運(yùn)輸件，且因整體三相變壓器尺寸較大、重量較重，無法通過現(xiàn)有公路運(yùn)輸?shù)浆F(xiàn)場(chǎng)，故本電站不宜采用整體三相變壓器。即無論采用單元接線、聯(lián)合單元接線或擴(kuò)大單元接線，變壓器均須采用特殊組合式三相變壓器或單相變壓器組。在考慮了布置場(chǎng)地要求等條件，本電站只能采用特殊組合式三相變壓器。

由于本電站主變壓器只能采用特殊組合式三相變壓器，結(jié)合現(xiàn)有運(yùn)輸條件和廠房布置條件分析，與采用擴(kuò)大單元接線相比，采用單元接線和聯(lián)合單元接線方案存在以下不利因素：

(1)因500kV GIS進(jìn)線間隔較為分散導(dǎo)致GIS設(shè)備母線較長，將增加500kV GIS設(shè)備的投資；

(2)變壓器布置場(chǎng)地較大，尾水四個(gè)機(jī)組段均需用作變壓器布置，需要另找場(chǎng)地布置電站副廠房，并增加額外的開挖量；

(3)增大了主變壓器的運(yùn)行損耗；

(4)采用單元接線或聯(lián)合單元接線，變壓器數(shù)量為4臺(tái)，總投資約為8 000萬元；采用擴(kuò)大單元接線時(shí)變壓器數(shù)量為2臺(tái)，總投資約為6 500萬元，比單元接線和聯(lián)合單元接線節(jié)省投資約1 500萬元。

綜合設(shè)備投資經(jīng)濟(jì)性、主變運(yùn)輸條件和布置場(chǎng)地比較，在不考慮500kV設(shè)備投資的情況下，采用擴(kuò)大單元接線可節(jié)省布置場(chǎng)地和土建工程量，能滿足運(yùn)輸條件限制，并節(jié)省電氣設(shè)備投資?？紤]到三種接線方案均能滿足對(duì)深溪溝水電站電氣主接線可靠性和靈活性的要求，故在技施階段發(fā)電機(jī)-變壓器組合方式仍維持采用擴(kuò)大單元接線方案。

3.2.3 高壓500kV側(cè)接線方案論證

3.2.3.1 高壓500kV側(cè)接線方案擬定

由于本電站已經(jīng)完成土建招標(biāo)，500kV GIS設(shè)備的布置場(chǎng)地已基本確定位置及尺寸，因此電氣主接線的調(diào)整設(shè)計(jì)應(yīng)在維持電站樞紐布置格局不變的基礎(chǔ)上對(duì)500kV側(cè)接線方案進(jìn)行技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較及論證，以確定500kV側(cè)接線方案及500kV GIS設(shè)備的最終設(shè)計(jì)。

本電站500kV側(cè)接線可采用四角形接線、雙母線接線或采用單母線接線。故擬定這三個(gè)方案進(jìn)行技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較。詳見表1和圖1。

3.2.3.2 接線方案技術(shù)比較

在控制保護(hù)系統(tǒng)方面三個(gè)方案的差異為：四角形接線需配置4面線路小區(qū)保護(hù)屏和4面500kV斷路器保護(hù)屏；雙母線接線需要配置2面母線保護(hù)屏；單母線接線需要配置2面母線保護(hù)屏。四角形接線的控制保護(hù)接線相對(duì)較復(fù)雜，設(shè)備數(shù)量略多。

圖1 500kV側(cè)接線方案

方案四角形接線(方案一)雙母線接線(方案二)單母線接線(方案三)優(yōu)點(diǎn)1.接線清晰;2.500kV側(cè)4組斷路器形成閉合環(huán)形;3. 每一進(jìn)/出線回路接兩臺(tái)斷路器,任意一臺(tái)斷路器故障或檢修均不影響回路連續(xù)供電,可靠性較高1.接線清晰;2.500kV側(cè)斷路器各自對(duì)應(yīng)一個(gè)進(jìn)/出線回路,互不影響;3.一組母線及所連接設(shè)備故障或檢修,不影響另一組母線供電1.接線簡單清晰,繼電保護(hù)簡單;2.500kV側(cè)斷路器各自對(duì)應(yīng)一個(gè)進(jìn)/出線回路,互不影響;3.設(shè)備布置簡單清晰,布置場(chǎng)地省;4.操作方便缺點(diǎn)1.繼電保護(hù)相對(duì)而言比較復(fù)雜,保護(hù)接線復(fù)雜;2.任意一組斷路器故障或檢修,都成開環(huán)運(yùn)行;3.設(shè)備布置場(chǎng)地較方案二和方案三略大1.一段母線故障將造成連接在該段母線上的回路短時(shí)停電,經(jīng)切換操作后才能恢復(fù)供電;2.母聯(lián)斷路器故障將導(dǎo)致全廠停電;3.斷路器檢修或故障將導(dǎo)致對(duì)應(yīng)回路停電;4.高壓斷路器及隔離開關(guān)數(shù)量多1. 母線故障將造成全廠停電;2.斷路器檢修或故障將導(dǎo)致對(duì)應(yīng)回路停電,可靠性較低

表2 各電氣主接線方案經(jīng)濟(jì)比較 萬元

根據(jù)以上技術(shù)比較，選擇方案一的四角形接線可靠性和供電連續(xù)性較好，但高壓電器元件數(shù)量略多，高壓設(shè)備布置較復(fù)雜，控制保護(hù)設(shè)備數(shù)量增加、接線復(fù)雜。單母線接線設(shè)備數(shù)量略少，布置方便，但供電可靠性和連續(xù)性略差。

3.2.3.3 接線方案經(jīng)濟(jì)比較(見表2)

表2表明，從設(shè)備投資估算看，方案二雙母線接線的設(shè)備投資費(fèi)、設(shè)備折舊和維修費(fèi)用是幾個(gè)方案中最高的，方案三單母線接線的各項(xiàng)費(fèi)用最低，方案一的四角形接線設(shè)備投資費(fèi)、設(shè)備折舊和維修費(fèi)用略高于方案三，但低于方案二。而方案一供電可靠性高，操作方便、運(yùn)行靈活，選擇方案一的四角形接線較為合理。

3.2.3.4 接線方案可靠性分析

(1)可靠性計(jì)算成果

①各接線方案最大運(yùn)行方式下供電連續(xù)性和供電充裕度指標(biāo)見表3。

②各接線方案計(jì)及水能情況下供電連續(xù)性和供電充裕度指標(biāo)見表4。

(2)可靠性分析

綜合以上的分類列表比較可以得出以下結(jié)論：

①供電連續(xù)性：在發(fā)電機(jī)-變壓器組合方式相同的情況下，各方案的差異不大。相比較而言，方案一(四角形接線)的供電連續(xù)性較好，方案三(單母線接線)的供電連續(xù)性略差。

②供電充裕度(綜合可靠性指標(biāo))：在發(fā)電機(jī)-變壓器組合方式相同的情況下，方案一(四角形接線)的供電充裕度比方案二(雙母線接線)、方案三(單母線接線)的供電充裕度略好。

表3 各接線方案最大運(yùn)行方式下供電連續(xù)性和充裕度指標(biāo)

表4 各接線方案計(jì)及水能情況下供電連續(xù)性和充裕度指標(biāo)

③安全性指標(biāo)：在發(fā)電機(jī)-變壓器組合方式相同的情況下，方案二(雙母線接線)發(fā)生多臺(tái)機(jī)組解列或出線失去電源的概率或頻率均比方案一(四角形接線)高。這是因?yàn)殡p母線接線中每一進(jìn)/出線只連接一個(gè)斷路器，當(dāng)母線或某一個(gè)斷路器發(fā)生故障時(shí)，將會(huì)跳掉對(duì)應(yīng)母線上的所有斷路器。而四角形接線中一個(gè)進(jìn)/出線對(duì)應(yīng)有2組個(gè)斷路器，當(dāng)一個(gè)斷路器斷開后仍可保證供電。

經(jīng)可靠性計(jì)算分析，方案一(四角形接線)較好，作為推薦方案。

3.3 高壓500kV GIS設(shè)備布置方案選擇

根據(jù)技術(shù)經(jīng)濟(jì)和可靠性計(jì)算比較，四角形接線方案較優(yōu)，即選擇四角形接線進(jìn)行布置。500kV高壓配電裝置均按GIS布置在主廠房下游側(cè)主變壓器室上層，對(duì)已確定的500kV GIS室布置位置及尺寸進(jìn)行3個(gè)方案的布置比較。

方案一：將500kV GIS設(shè)備全部布置在GIS室，將斷路器采用橫向單列布置。該布置方案500kV GIS設(shè)備總體布置排列整齊、清晰，便于操作、維護(hù)運(yùn)行。500kV GIS母線長度約345m。

方案二：將500kV GIS設(shè)備全部布置在GIS室，將斷路器采用橫向2列布置。該布置方案500kV GIS設(shè)備總體布置排列較整齊、清晰，500kV GIS母線長度約為330m。但是因占地較寬導(dǎo)致GIS室內(nèi)設(shè)備布置較擁擠，對(duì)斷路器相間距離有一定限制，不便于操作、維護(hù)運(yùn)行。

方案三：將500kV GIS設(shè)備分2層布置，一層僅布置進(jìn)線與相鄰出線回路斷路器的連接母線，與GIS設(shè)備下層電纜室的電纜混合布置；一層布置500kV GIS斷路器等主要設(shè)備，將斷路器采用縱向單列布置。該方案在GIS層內(nèi)設(shè)備排列較整齊、布置空間比方案一和方案二約寬敞，但500kV GIS母線長度約365m。因500kV GIS設(shè)備分在2層布置，不便于操作、巡視和運(yùn)行維護(hù)，總體布置較分散。

經(jīng)幾個(gè)方案布置比較可見，方案一和方案三的GIS母線長度略長，方案二的母線最短。經(jīng)濟(jì)上三個(gè)方案無大的差別，方案一和方案三比方案二約貴30～60萬元。綜合技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較，方案二布置略差，方案三布置差，但均滿足本工程要求。經(jīng)過分析論證選擇布置方案一，該方案總體布置排列整齊、清晰，便于操作、維護(hù)運(yùn)行，滿足施工進(jìn)度要求。

4 小 結(jié)

深溪溝水電站匯集了幾個(gè)電站的容量，與瀑布溝水電站協(xié)調(diào)運(yùn)行，需參與系統(tǒng)調(diào)峰，機(jī)組起停頻繁，在系統(tǒng)中占據(jù)較重要的地位，因此本電站電氣主接線設(shè)計(jì)方案足應(yīng)著重保證本電站和下游梯級(jí)電站及電力系統(tǒng)的安全可靠、運(yùn)行靈活。隨著500kV GIS設(shè)備國產(chǎn)化進(jìn)程的加快，設(shè)備價(jià)格呈現(xiàn)下降趨勢(shì)，且與可研階段的設(shè)備價(jià)格相比有較大幅度的下降，經(jīng)綜合論證比較，為提高供電可靠性和連續(xù)性，推薦方案一的四角形接線為深溪溝水電站電氣主接線方案。該電站已于2010年6月投運(yùn)，運(yùn)行良好。