三河口電站（泵站）電氣主接線設計

毛 敏，張 蕾

正在建設中的陜西省引漢濟渭工程三河口水利樞紐是以供水為主的既抽水又發(fā)電的水利樞紐工程，其電氣主接線的設置對工程造價、設備選型、工程布置、后期運行等具有極其重要的意義。工程中采用變頻調速裝置既實現(xiàn)低頻抽水又實現(xiàn)低頻發(fā)電的應用尚屬國內(nèi)首次，其對電氣主接線的確定有著十分重要的影響。

1 工程概況

陜西省引漢濟渭工程由三大部分組成，即黃金峽水利樞紐、三河口水利樞紐和秦嶺輸水洞（黃三段和越嶺段）工程。根據(jù)工程任務，三河口水庫有供水和補水兩種運行方式；結合工程運行特點，三河口水利樞紐壩后設置地面廠房，廠房內(nèi)裝有2臺可逆式水泵水輪機組和2臺常規(guī)水輪發(fā)電機組；可逆式水泵水輪機組單機容量為12.5 MVA，用以滿足供水（發(fā)電工況）和抽水（水泵工況）兩種工況運行方式，額定電壓為10.5 kV，抽水工況下機組額定功率因數(shù)0.95，發(fā)電工況下機組額定功率因數(shù)0.85。常規(guī)水輪發(fā)電機組單機額定功率為20 MW，額定電壓為10.5 kV，額定功率因數(shù)0.85[1]。

2 電站（泵站）接入系統(tǒng)設計

電站接入系統(tǒng)設計不僅關系到電力系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運行，而且保證電站運行的可靠性和經(jīng)濟性。三河口水利樞紐接入系統(tǒng)在抽水和發(fā)電兩種工況下接入電力系統(tǒng)有不同的要求，并需考慮抽水工況下電動機的啟動對電力系統(tǒng)的影響。

引漢濟渭工程主要任務是從漢江向關中地區(qū)的工業(yè)及城市調水，工程等別屬于Ⅰ等大（1）型，可靠性要求高，中斷供電將影響供水的正常運行。該工程用電負荷等級屬于二級，根據(jù)供配電系統(tǒng)設計規(guī)范要求，二級負荷的供電系統(tǒng)，宜由兩回線路供電，同時供電的兩回線路中，當有一回路中斷供電時，其余線路應能滿足全部一級負荷及二級負荷[2]。

三河口水利樞紐電站（泵站）接入系統(tǒng)設計要求電站（泵站）出線采用2回，1回110 kV線路接入大河壩110 kV變電站，導線采用LGJ-240，供電距離約6.5 km；1回接入黃金峽變110 kV母線，導線LGJ-240，線路亙長21 km。

為了保證電網(wǎng)運行安全，三河口電站（泵站）電動機不允許全壓啟動，主變壓器采用有載調壓變壓器；供電系統(tǒng)的設計按水利部門統(tǒng)一管理運行設計；三河口樞紐電站容量不大，在系統(tǒng)中不具備削峰填谷的能力。

3 電氣主接線設計

三河口水利樞紐的主要運行方式為結合供水發(fā)電，工程建成后機組既要向電力系統(tǒng)輸送電能，也需要由電力系統(tǒng)供給電能；作為水泵工況運行時電動機容量相對較大，這些因素都對電氣設備選擇、主接線方案擬定、電氣設備布置等方面影響較大。因此除了滿足常規(guī)水電站主接線簡單清晰、可靠、運行靈活等原則外，還要滿足水泵水輪機在發(fā)電工況及電動工況不同容量、不同運行方式的要求。機組發(fā)電和電動工況不同時運行，發(fā)電工況下，4臺機組有同時運行的可能，總裝機容量為60 MW；水泵運行工況時，2臺水泵水輪機有同時運行的工況，抽水總裝機容量24 MW。

3.1 電站（泵站）的運行方式

三河口樞紐水庫的水位變差較大，造成機組的揚程（水頭）變幅很大，相關專業(yè)提出采用變速調速裝置滿足可逆式機組電動工況的啟動，實現(xiàn)機組在抽水及發(fā)電工況下的變速運行；并實現(xiàn)常規(guī)水輪發(fā)電機組在低水頭下發(fā)電運行，滿足不同流量放水需要，擴大機組運行水頭范圍，增強流量的調節(jié)能力，提高供水保證率，使三河口水利樞紐的“調節(jié)中樞”更好地發(fā)揮作用，經(jīng)過低水頭的變頻發(fā)電，電站年發(fā)電量也可增加1091萬kWh。

本工程建成后受引漢濟渭調水控制中心調度，機組沒有調相及備用等功能要求。常規(guī)水輪發(fā)電機組有額定轉速發(fā)電、降轉速發(fā)電、靜止3種基本運行工況。兩臺常規(guī)水輪發(fā)電機組在額定轉速375 r/min下的發(fā)電容量20 MW，低水頭時采用變頻調速裝置運行，機組控制最大出力小于10 MW，此時機組的最低轉速為225 r/min，單機放水流量小于20 m3/s，低水頭下兩臺機最大放水流量約40 m3/s。

可逆式水泵水輪機組有額定轉速抽水、降轉速抽水、額定轉速發(fā)電、降轉速發(fā)電、靜止5種基本運行工況，送出功率大小根據(jù)調度要求的供水流量確定。兩臺水泵水輪機在額定轉速500 r/min下運行時發(fā)電容量10 MW，機組在低水頭（揚程）時采用變頻調速裝置運行，機組的最低轉速為300 r/min，單機放水流量約5 m3/s,兩臺機最大放水流量約 10 m3/s。

3.2 發(fā)電機與變壓器的組合方式

根據(jù)電站（泵站）裝機容量、臺數(shù)、工程建設的主要任務、電動工況及發(fā)電工況兩種不同運行方式下的不同容量，可選用一臺主或和兩臺主變的接線方案。從保證工程的可靠性、靈活性和工程投資的經(jīng)濟性對兩種接線方案進行技術經(jīng)濟比較。

3.2.1 一臺變壓器和兩臺變壓器接線的技術比較

一臺主變接線簡單、清晰、運行維護方便，發(fā)電、電動機用電均通過一臺主變，110 kV進出線回路數(shù)較少；經(jīng)計算10 kV母線短路電流為50.29 kA，母線及主變故障或檢修，影響全部機組。

兩臺變壓器的接線方案由于增加了一臺主變壓器，副廠地占地面積較大、設備投資較大；但10 kV母線短路電流為28.3 kA，有利于10 kV電氣設備的選擇，且一臺主變或一段母線故障只影響兩臺機組運行，接線簡單、清晰，運行可靠、靈活。

若電站內(nèi)2臺常規(guī)水輪發(fā)電機組和2臺水泵水輪機組各接一臺主變壓器，主變壓器需選用不同容量，設備選擇、管理運行維護復雜，因此，考慮兩臺主變壓器各帶一臺常規(guī)水輪發(fā)電機組和一臺水泵水輪機組，見圖1。

圖1 一臺變壓器和兩臺變壓器主接線方式比較

表1 方案投資比較表 單位：萬元

3.2.2 一臺變壓器和兩臺變壓器接線的經(jīng)濟比較

方案投資比較見表1。

3.2.3 方案選擇

經(jīng)過對發(fā)電機變壓器組合方式的經(jīng)濟、技術比較，兩種方案的造價相差不大，兩臺變壓器的接線使機組運行更靈活，能滿足兩種工況下機組不同運行方案，因此選用兩臺40 MVA的三相雙繞組有載調壓電力變壓器各帶一臺常規(guī)發(fā)電機組和一臺水泵水輪機組接線，10 kV側母線形成單母線分段接線。

3.3 換相開關的設置

作為既發(fā)電又抽水的電站（泵站），其必不可少的特殊設備之一為換相開關，它的主要作用是通過轉換電源的相序以實現(xiàn)發(fā)電工況或抽水工況時發(fā)電電動機的不同方向旋轉。換相開關需滿足發(fā)電、抽水及開停機等工況的頻繁切換，可選用斷路器，也可選用隔離開關，我國大型抽水蓄能電站的換相開關基本采用三相五極式隔離開關，結構較復雜，國內(nèi)無定型產(chǎn)品，價格較高[5]。

圖2 機組發(fā)電工況電氣接線圖

本工程機組容量較小，采用兩臺真空斷路器并聯(lián)即可滿足工程不同工況下的換相要求，圖2中QF23和QF24、QF25和QF26為本工程的換相開關。發(fā)電電動機發(fā)電工況下，QF23、QF31和QF25、QF32接通，兩臺機組進入發(fā)電運行狀態(tài)；發(fā)電電動機電動工況下，QF24、QF26、QF31、QF32 接通，兩臺機組在電動機工況下運行。

3.4 變頻調速裝置接線

三河口水利樞紐最大的特點是采用變頻調速系統(tǒng)使水泵水輪機組在低水頭/低揚程下仍能穩(wěn)定發(fā)電/抽水，并在抽水工況下，作為另一臺水泵水輪機組泵工況運行的備用啟動方式。為了滿足機組低水頭/低揚程的運行工況，機組在低頻發(fā)電（抽水）工況下發(fā)出（接受）低頻、低壓的電力通過變頻調速裝置逆變?yōu)?0 Hz和額定電壓10.5 kV的交流電向電網(wǎng)（電機）輸送。

3.4.1 水泵水輪機組泵工況下的運行

兩臺可逆式水泵水輪機進行低頻抽水運行時兩臺機組10 kV母線按單母線分段運行，兩臺機組分別與兩臺主變形成一機一變的接線方式。

發(fā)電電動機作為電動機工頻運行時，由變頻調速裝置通過QF42開關回路拖動使機組轉動接近同步轉速，滿足同步并網(wǎng)條件后，機組切換至工頻回路運行，變頻調速裝置退出運行，啟動結束。

發(fā)電電動機作為電動機變頻運行時，變頻調速裝置直接通過QF42開關拖動機組啟動并按照預先設定的低頻運行。

當一臺變頻調速裝置故障不能運行時，另一臺變頻調速裝置能實現(xiàn)對兩臺機組的變頻啟動并完成對變頻裝置所對應機組的變頻運行功能，此時電動機母線按單母線運行。

3.4.2 低水頭的變頻發(fā)電運行

低水位變頻發(fā)電運行時，要求兩臺變頻調速裝置分別實現(xiàn)其所對應的兩臺機組的變頻發(fā)電，且常規(guī)水輪發(fā)電機組和可逆式水輪發(fā)電機組不同時運行。

常規(guī)水輪發(fā)電機組在變頻運行時控制最大發(fā)電功率為10MW最低運行轉速為225 r/min，對應頻率為30 Hz；可逆式水泵水輪機組最低運行轉速為300 r/min，對應頻率為30 Hz。

低水頭運行時，通過開關QF41、QF46或QF42、QF45回路與變頻調速裝置及電網(wǎng)相連接，機組在變頻調速裝置控制下啟動升速，電機輸出的低頻、低電壓交流電通過變頻調速裝置逆變至工頻及額定電壓的交流電，向電網(wǎng)輸出功率。

3.4.3 10 kV側接線

結合以上各種運行工況，確定三河口電站（泵站）10kV側常規(guī)水輪發(fā)電機組、可逆式水泵水輪機組及變頻調速裝置的接線見圖3。

圖3 10 kV側電氣接線圖

3.5 110 kV側接線

依據(jù)接入系統(tǒng)要求，電站（泵站）采用兩路110 kV一級電壓送出，廠房內(nèi)裝設兩臺額定容量為40 MVA的主變壓器，110 kV高壓側采用單母線接線。

經(jīng)比較，110 kV配電裝置采用戶內(nèi)GIS開關站在技術上有著明顯的優(yōu)勢，后期運行幾乎為免維護設備，運行人員巡視環(huán)境較好，勞動強度低，且布置上可結合主變壓器、副廠房布置統(tǒng)一考慮，運行維護均較為方便。

4 結語

三河口電站（泵站）電氣接線的設置既要滿足機組供水發(fā)電需求，又要滿足水泵抽水需求，既要滿足機組工頻運行要求，又要滿足機組變頻運行要求。

通過經(jīng)濟、技術綜合比較，三河口電站（泵站）110kV高壓側采用單母線接線簡單、經(jīng)濟、安全，并能滿足接入系統(tǒng)要求；10 kV側四臺機組形成單母線分段接線，機組按一臺常規(guī)水輪發(fā)電機組和一臺可逆機組均衡配置，通過兩臺40 MVA的三相雙繞組有載調壓電力變壓器與110 kV高壓側相連接。每段母線上接一臺變頻調速裝置以滿足本段母線所連接機組的變頻運行要求，并作為另一段母線上發(fā)電電動機電動工況時備用啟動裝置；每臺發(fā)電電動機配置兩臺并聯(lián)的真空斷路器實現(xiàn)工頻發(fā)電及工頻電動時的換相要求。

[1]劉斌等.三河口水利樞紐初步設計報告[R].西安:陜西省水利電力勘測設計研究院，2015.

[2]GB50052-2009，供配電系統(tǒng)設計規(guī)范[S].北京:中國機械工業(yè)聯(lián)合會，2010.

[3]水利電力部西北電力設計院.電力工程電氣設計手冊 電氣一次[M].北京:中國電力出版社，1989:P45～72.

[4]阮全榮.大型水電站電氣主接線設計研究 [J].水電電氣，2007,141：P4～9.

[5]姜南.深圳抽水蓄能電站換相開關設置位置的比較[J].水電電氣，2007，140：P42～44.