烏東德水電站出線場總體設(shè)計方案研究

(長江勘測規(guī)劃設(shè)計研究有限責(zé)任公司，湖北 武漢 430010)

圖1 烏東德左、右岸電站500kV外送線路路徑走向示意Fig.1 Schematic diagram of the path of 500kV external transmission line from Wudongde left and right bank power station

烏東德水電站位于金沙江下游四川省和云南省兩省界河河段，壩址的右岸隸屬于云南省昆明市祿勸縣，左岸隸屬于四川省會東縣。烏東德水電站總裝機容量為10 200 MW，分為左、右岸兩個地下電站，兩個電站均通過500 kV線路接入南方電網(wǎng)。由于電站兩岸地勢險峻、海拔高、地震烈度高、地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜[1]，致使電站高壓出線較為困難。除此之外，出線場總體設(shè)計還面臨著接線復(fù)雜、場地緊張、短路故障電流大等復(fù)雜的客觀條件，若采用常規(guī)的設(shè)計方案，將無法滿足高壓出線、總體布置、降低地電位的要求。為此，本文針對烏東德水電站出線場總體設(shè)計的難點，從電氣接線、規(guī)劃選址、總體布置、設(shè)備選型、接地計算、海拔修正等方面進行了深入的分析和研究，根據(jù)研究結(jié)果，提出了適宜的總體設(shè)計方案。

1 電站接入電力系統(tǒng)情況

烏東德水電站的左、右岸兩個地下電站獨立運行，均以交流500 kV電壓等級接入系統(tǒng)：左岸電站3回500 kV架空線路接入祿勸換流站，右岸電站3回500kV架空線路接入昆北換流站。左、右岸地下電站500 kV外送線路路徑走向如圖1所示。

按照烏東德水電站接入電力系統(tǒng)設(shè)計的要求，為了實現(xiàn)電力系統(tǒng)無功功率平衡，左、右岸電站各需裝設(shè)1組母線高壓并聯(lián)電抗器。為了滿足對架空線路融冰的要求，左、右岸電站均需裝設(shè)融冰開關(guān)和融冰母線[2]。由于地下電站內(nèi)布置場地有限，因此，將母線并聯(lián)電抗器、融冰開關(guān)和融冰母線分別布置在左、右岸出線場內(nèi)。

2 電氣主接線設(shè)計

烏東德左、右岸兩個地下電站均安裝有6臺850 MW的水輪發(fā)電機組，電站主變壓器和500 kV 開關(guān)站(采用GIS設(shè)備)均布置在地下廠房內(nèi)，地面出線場均布置有3回500 kV架空出線回路和1組500kV母線并聯(lián)電抗器回路設(shè)備。左、右兩岸地下開關(guān)站與地面出線場之間，均布置有4回500 kV氣體絕緣金屬封閉輸電線路(GIL設(shè)備)，且分別通過各自的1個出線豎井連接[3]，其中，3回GIL連接電站3回500kV架空出線，1回GIL連接布置在出線場的1組500kV母線并聯(lián)電抗器。烏東德水電站出線場500kV架空出線回路、母線并聯(lián)電抗器回路的電氣主接線如圖2所示。

圖2 500 kV架空出線回路、母線并聯(lián)電抗器回路電氣主接線示意Fig.2 Electrical main wiring diagram of 500 kV overhead outgoing circuit and bus shunt reactor circuit

通常，架空出線的融冰裝置采用三相母線，出線回路的各相導(dǎo)線、地線分別與各相融冰母線連接，導(dǎo)地線回路設(shè)置融冰開關(guān)，融冰母線之間設(shè)置短接開關(guān)和連接導(dǎo)線，融冰裝置的接線較復(fù)雜、設(shè)備布置占地較大。烏東德水電站出線場對融冰裝置的接線進行了優(yōu)化，融冰裝置采用單相母線，出線回路的導(dǎo)線和地線均通過融冰開關(guān)接在單相融冰母線上，減少了融冰母線及其連接設(shè)備，優(yōu)化后的接線簡單、清晰，操作維護方便，同時也節(jié)省了布置場地。出線場主要電氣設(shè)備如表1所示。

烏東德水電站出線場場址地震基本烈度為7度[4]，按照相關(guān)規(guī)范規(guī)定[5]，電氣設(shè)施按設(shè)防烈度均提高1度(即設(shè)防烈度為8度)進行設(shè)計。

3 規(guī)劃選址

水電站出線場選址應(yīng)符合電站接入電力系統(tǒng)規(guī)劃，滿足架空出線的要求，預(yù)留出線走廊，避免或減少架空線路相互交叉跨越；同時，在場址選址規(guī)劃時應(yīng)統(tǒng)一考慮架空線路終端塔的位置，并注意控制使用檔距和相應(yīng)的高差[6-7]。烏東德水電站出線場內(nèi)，按照接入電力系統(tǒng)的要求，布置了較多的電氣設(shè)備及構(gòu)(建)筑物，總體布置原則是應(yīng)安全、可靠、合理以及便于維護[8-10]。根據(jù)上述要求，出線場的選址應(yīng)便于出線，而出線場的占地面積應(yīng)不小于180 m×40 m(長×寬)。

表1 主要電氣設(shè)備一覽表Tab.1 Main electrical equipment

烏東德水電站壩址兩岸山峰連綿、陡峭，海拔高程1 600 m以下岸坡坡角一般為60°～75°，局部近似直立，難以布置出線場；海拔高程1 600 m以上地勢逐漸放緩，可以布置出線場，但距離地下廠房較遠(yuǎn)，且又超出工程紅線范圍。因此，戶外出線場選址難度很大。在經(jīng)過多次現(xiàn)場查勘，兩岸出線場分別確定在1 600 m以下地勢稍緩的半山腰上進行開挖。

開挖后形成的場地靠山側(cè)上方是開挖邊坡、靠江側(cè)下方是極高的陡巖。對于這樣的場地，難以同時滿足出線和場地面積的要求，當(dāng)場地寬度滿足了設(shè)備布置要求時，靠山側(cè)的邊坡就高得難以出線；反之，當(dāng)靠山側(cè)的邊坡高度降到滿足出線要求時，場地寬度又難以布置設(shè)備。為此，經(jīng)過綜合分析比選，在最大邊坡高度控制在約70 m左右，在便于出線的情況下，左岸出線場地面高程確定為1 145.0 m，場地占地面積長約166 m、寬24.0～40.0 mm；右岸出線場地面高程確定為1 180.0 m，場地占地面積約為長180.0 m、寬29.5～40.0 m。對于兩岸出線場地存在局部不滿足占地面積要求的情況，需要結(jié)合土建結(jié)構(gòu)、相關(guān)設(shè)備的選型和改進等方面，對出線場總體布置方案進行深入研究。

4 總體布置方案研究

4.1 主要構(gòu)(建)筑物布置

(1) 地面廠房。地面廠房位于GIL出線豎井洞口上方，廠房內(nèi)布置有室內(nèi)GIL、橋機、電梯、風(fēng)機、配電裝置等設(shè)備，廠房占地面積約22.8 m×21.2 m。

在出線場狹長場地內(nèi)，地面廠房位置可以選擇在場地端部或中部2種布置方式。若選擇端部布置方式，

4回500 kV GIL線路到達豎井洞口后，將全部沿同一個方向引出，4回GIL線路需要占用較寬的通道，以致周圍剩余空間較少，且GIL線路的總長度較長；若選擇中部布置方式，則4回500 kV GIL線路到達豎井洞口后，兩兩分組，分別沿兩個相反方向引出，2回GIL線路需要的通道較窄，周圍剩余空間可以布置其他設(shè)備，場地利用率高，且GIL線路的總長度較短。

對這2種方式進行了分析比較，認(rèn)為中部布置方式的場地利用率高，而且4回500kV GIL線路總長度比端部布置方式減少約5%(左右岸基本相同)，設(shè)備投資和運行損耗均相應(yīng)減少。經(jīng)綜合考慮，選擇將地面廠房布置在場地中部的方式。

(2) 出線門構(gòu)。出線場出線門構(gòu)的設(shè)置應(yīng)預(yù)留架空線路的出線走廊。由于場地的最大寬度僅為40.0 m，無法引出3回500 kV架空出線，因此，左、右岸架空出線均在長度方向由靠山側(cè)引出，即在地面廠房的一側(cè)布置2回出線，另一側(cè)布置1回出線和1組電抗器，電抗器布置在場地較寬的一端。地面廠房和出線門構(gòu)布置如圖3所示。

(3) 事故油池、油水處理室。根據(jù)消防及環(huán)保要求，左右岸電抗器需設(shè)事故油池、水噴淋設(shè)施和油水分離設(shè)施[11-12]。為了節(jié)省場地，將事故油池設(shè)計為全地下式，結(jié)合油水分離、雨淋閥等裝置，將上部建成油水處理室，布置在電抗器運輸?shù)缆返膶γ妗?/p>

4.2 主要設(shè)備布置

4.2.1GIL線路布置

室內(nèi)、外GIL線路布置需兼顧到GIL結(jié)構(gòu)、基礎(chǔ)、安裝、運輸以及試驗等方面的要求，并保證安全可靠、維護方便[13-14]。烏東德水電站出線場GIL線路無法按常規(guī)布置在開闊的空間里，只能布置在有限的空間，并利用各種構(gòu)(建)筑物、各個電氣設(shè)備間的空隙進行布置，因此，需要對GIL線路的每個線段、彎頭、支架、基礎(chǔ)的位置和尺寸進行精確計算，才能完成室內(nèi)到室外、跨越道路、穿過門構(gòu)和設(shè)備柱等一系列復(fù)雜路徑的規(guī)劃和布置。左、右岸出線場的主要GIL線路布置如圖4～5所示。

圖3 左、右岸出線場平面布置示意Fig.3 Plane layout of the left and right bank outbound yards

4.2.2架空出線回路設(shè)備布置

架空出線回路有出線套管(電流互感器)、隔離開關(guān)、融冰裝置、避雷器、電容式電壓互感器等設(shè)備，如果按常規(guī)設(shè)備選型，出線回路的設(shè)備布置寬度需要36 m，而場地最窄處僅為24 m，無法滿足布置要求；如果僅靠增加土建結(jié)構(gòu)加寬場地，結(jié)構(gòu)安全風(fēng)險較大。因此，需要綜合考慮改進設(shè)備和增加土建結(jié)構(gòu)來研究布置方案。

(1) 融冰開關(guān)的改進。常規(guī)的融冰開關(guān)為獨立的垂直伸縮式隔離開關(guān)，布置時需與其他設(shè)備相隔一定的距離。對于烏東德水電站，將導(dǎo)線融冰開關(guān)與主回路雙柱水平伸縮式隔離開關(guān)結(jié)合設(shè)計，將導(dǎo)線融冰開關(guān)設(shè)置在雙柱式隔離開關(guān)的靜觸頭側(cè)，使融冰開關(guān)和靜觸頭側(cè)的設(shè)備支架合并，這樣改進后即成為組合式開關(guān)，導(dǎo)線融冰開關(guān)不再作為獨立的設(shè)備布置，從而可節(jié)省布置寬度約9 m。

圖4 左岸出線場GIL線路布置示意Fig.4 GIL line layout of left bank outbound yard

圖5 右岸出線場GIL線路布置示意Fig.5 GIL line layout of right bank outbound yard

(2) 布置方案。在這種情況下，對架空出線回路設(shè)備的布置，分別按單層結(jié)構(gòu)和雙層結(jié)構(gòu)布置方案進行比較，具體布置方案如圖6所示。

圖6 架空出線回路設(shè)備布置方案(單位：m)Fig.6 Overhead outgoing circuit equipment layout plan

從圖6中可以看到，單層結(jié)構(gòu)方案的場地寬度需要約27 m，而實際出線場地面局部寬度達不到這個要求，需要加寬場地，造成少量土建工程量的增加，這種方案設(shè)備布置順暢，維護檢修方便。雙層結(jié)構(gòu)方案場地寬度需要約24 m，而實際出線場地面寬度全部滿足要求，但是雙層結(jié)構(gòu)增加的土建工程量較多，設(shè)備布置存在落差，設(shè)備維護檢修不方便，而且烏東德水電站位于高抗震設(shè)防烈度地區(qū)，因此不推薦采用半高型或高型布置[6]。

經(jīng)綜合比較，單層結(jié)構(gòu)方案土建投資較少、設(shè)備布置合理順暢、維護檢修方便，雙層結(jié)構(gòu)方案土建投資較多、維護檢修不方便，因此，在將導(dǎo)線融冰開關(guān)與隔離開關(guān)改進設(shè)計、并增加少量土建工程量后，對架空出線回路選擇單層結(jié)構(gòu)布置的方案。

4.2.3電抗器回路設(shè)備的布置

電抗器回路設(shè)備有GIL線路、電抗器、隔離開關(guān)、避雷器、電流互感器、電壓互感器，在進行方案設(shè)計時，分別對設(shè)備采用組合電器和敞開式設(shè)備2種型式進行比較，具體布置方案如圖7所示。

從圖7中可以看到，電抗器回路布置在出線場最寬處，2種布置方案的寬度均滿足要求。其中，組合電器布置方案的主通道和巡視通道較寬，設(shè)備維護檢修方便，滿足大車運輸和回車的要求，而且可以布置油水處理室，但是設(shè)備投資略高。敞開式設(shè)備布置方案的主通道和巡視通道較窄，設(shè)備維護檢修不方便，大車運輸和場地回車較困難，而且左岸出線場內(nèi)無法布置油水處理室，但設(shè)備投資略低。

經(jīng)綜合比較分析，認(rèn)為組合電器布置方案投資略高，但能滿足運輸要求，設(shè)備布置合理、維護檢修方便；敞開式設(shè)備布置方案雖然投資略低，但不能滿足運輸和布置要求。根據(jù)上述比較分析結(jié)果，在場地限制、高抗震設(shè)防烈度、高海拔環(huán)境條件下，確定采用組合電器設(shè)備布置方案[6]。

5 接地設(shè)計

烏東德水電站短路故障電流大，一旦發(fā)生接地故障會使接地網(wǎng)電位升高，危及到人身及設(shè)備安全，因此，必須控制接地電阻、降低地電位。但是受地形條件限制，出線場接地網(wǎng)的面積有限，而且所在地區(qū)土壤電阻率高[15]，若要將接地電阻做到規(guī)定值，技術(shù)上有困難，經(jīng)濟上也不合理，因此按照相關(guān)規(guī)范[16]，將接地網(wǎng)電位放寬到5 000 V，并驗算接觸電位差和跨步電位差。

圖7 電抗器回路設(shè)備布置方案(單位：m)Fig.7 Bus parallel reactor circuit equipment layout plan

為了改善地面電位分布，左、右兩岸出線場的接地按均壓網(wǎng)設(shè)計，均壓網(wǎng)采用等間距長形網(wǎng)孔，均壓帶沿接地網(wǎng)長度方向敷設(shè)。按照不同間距的均壓帶(2～10 m)、不同地表層材料，分別計算烏東德水電站兩岸出線場均壓網(wǎng)的接觸電位差(Ej)和跨步電位差(Ek)，計算結(jié)果如表2所示。

表2 均壓網(wǎng)接觸電位差和跨步電位差計算結(jié)果Tab.2 Calculation results of contact potential difference and step potential difference in balanced voltage net V

接觸電位差和跨步電位差的允許值與表層及下層材料的電阻率和厚度、接地故障持續(xù)時間有關(guān)；接觸電位差和跨步電位差的計算值與均壓網(wǎng)的面積、長度、形狀、均壓帶根數(shù)等有關(guān)[16]。從表2可以看出：減少均壓帶的間距，接觸電位差和跨步電位差計算值會隨之減小，其中，接觸電位差計算值遞減的幅度更大，但是計算值不會無限減少，會趨近穩(wěn)定值。對比允許值和計算值，表層材料選擇濕混凝土?xí)r，接觸電位差和跨步電位差計算值均不滿足要求；選擇塊石混凝土?xí)r，接觸電位差的計算值不滿足要求；選擇碎石、瀝青時，計算值均滿足要求，所以最終確定對烏東德水電站出線場的設(shè)備區(qū)表層材料選用碎石，道路區(qū)表層材料選用瀝青，均壓帶間距選擇適中值為5 m。

6 海拔修正

烏東德水電站左、右岸出線場海拔的高程分別為1 145.0 m和1 180.0 m，超過正常使用條件的海拔高度(1 000 m)，屬于高海拔地區(qū)。因此為了保證設(shè)備運行安全，需要對設(shè)備的外絕緣強度、最小安全距離等主要參數(shù)進行海拔修正。在考慮設(shè)備的布置高度后，左、右兩岸設(shè)備均按1 130 m海拔高度進行修正。

6.1 外絕緣強度的海拔修正

空氣密度隨著海拔高度的升高而降低，氣壓下降使電氣設(shè)備的外絕緣強度也隨著海拔高度呈指數(shù)下降。因此，對設(shè)備外絕緣強度應(yīng)按照下列公式進行海拔修正：

(1)

式中，Ka為海拔修正系數(shù)；H為海拔高度，m；指數(shù)q按照文獻[17]中指數(shù)q與配合操作沖擊耐受電壓的關(guān)系曲線取值，其中，對于工頻、雷電沖擊、相間操作沖擊耐受電壓取1，對于相對地操作的沖擊耐受電壓則取0.8。

經(jīng)過計算，烏東德水電站左、右岸出線場設(shè)備的外絕緣工頻、雷電沖擊、相間操作沖擊耐受電壓的修正系數(shù)為1.04，相對的操作沖擊耐受電壓的修正系數(shù)則為1.03。

6.2 最小安全凈距的海拔修正

高海拔地區(qū)空氣間隙的擊穿電壓、絕緣子閃絡(luò)電壓低于平原地區(qū)，為了使設(shè)備能安全運行，對配電裝置的最小安全凈距應(yīng)進行海拔修正。按照文獻[18]中配電裝置海拔大于1 000 m時A值的修正值表，標(biāo)稱電壓為35 kV(融冰設(shè)備)、500 kV的出線場電氣設(shè)備A值增大比例分別為0.41/0.40=1.025，4.0/3.8=1.053，經(jīng)過計算，出線場配電裝置的修正結(jié)果如表3所示。

6.3 溫升限值的海拔修正

母線電抗器采用自冷式冷卻方式，其頂層油溫升、繞組平均溫升和繞組熱點溫升限值按出線場海拔高于1 000 m的部分，每增加400 m時降低不少于1K[19]的標(biāo)準(zhǔn)進行修正。因此，電抗器溫升限值修正前后的參數(shù)如表4所示。

表3 出線場配電裝置最小安全凈距修正Tab.3 Minimum safety clearance correction of outbound yard distribution equipment

表4 電抗器溫升限值修正結(jié)果Tab.4 Reactor temperature rise limit correction

7 結(jié) 論

(1) 電氣主接線。烏東德水電站左、右岸出線場均有3回500 kV架空出線，1回500 kV母線并聯(lián)電抗器，出線場接線復(fù)雜、設(shè)備多，經(jīng)過對融冰裝置接線的優(yōu)化設(shè)計，減少了融冰母線及其連接設(shè)備，使接線簡單清晰，操作維護方便，同時也有利于節(jié)省布置的場地。

(2) 規(guī)劃選址。烏東德水電站壩址兩岸山峰陡峭，戶外出線場選址難度很大。在經(jīng)過多次現(xiàn)場查勘和綜合比選后，分別確定在兩岸地勢稍緩的半山腰上，地面高程分別為1 145.0 m和1 180.0 m，占地面積分別約為166 m×24.0～40.0 mm(長×寬)和180 m×(29.5～40.0) m(長×寬)作為左、右岸電站的出線場，經(jīng)總體布置后，證實規(guī)劃選址是合理的。

(3) 總體布置方案。出線場主要構(gòu)(建)筑物的布置結(jié)合現(xiàn)有場地情況，地面廠房布置在場地中部，每岸4回500 kV GIL兩兩分組分別布置在地面廠房兩側(cè)，所有500 kV架空出線方向均向靠山側(cè)引出。

室內(nèi)外GIL線路布置通過對每個線段、彎頭、支架、基礎(chǔ)的位置和尺寸進行精確計算，完成室內(nèi)到室外、跨越道路、穿過門構(gòu)和設(shè)備柱等一系列復(fù)雜路徑的規(guī)劃和布置。

架空出線回路在將導(dǎo)線融冰開關(guān)與主回路隔離開關(guān)改進設(shè)計后，選擇土建投資較少、設(shè)備布置合理順暢、維護檢修方便的單層結(jié)構(gòu)布置方案。對于電抗器回路設(shè)備的布置，通過比較，選擇了布置緊湊、滿足布置及運輸要求、維護檢修方便、投資略高的組合電器設(shè)備布置方案。

(4) 接地設(shè)計。為了改善地面電位分布，出線場接地按均壓網(wǎng)設(shè)計，并通過計算分析，確定出線場的設(shè)備區(qū)表層材料選用碎石，道路區(qū)表層材料選用瀝青，均壓帶間距為5 m。

(5) 海拔修正。由于出線場地處海拔超過1 000 m，經(jīng)過計算，出線場設(shè)備外絕緣工頻、雷電沖擊、相間操作沖擊耐受電壓的修正系數(shù)為1.04，相對地操作沖擊耐受電壓的修正系數(shù)為1.03；500 kV出線場電氣設(shè)備最小安全凈距A值增大比例為1.053；母線電抗器溫升限值不少于1 K。

綜上所述，針對烏東德水電站出線場出線困難、接線復(fù)雜、場地緊張、短路故障電流大等復(fù)雜的條件，通過對上述電氣接線、規(guī)劃選址、總體布置、設(shè)備選型、接地計算以及海拔修正等方面進行深入研究和計算，較好地解決了工程中存在的問題，提出了該水電站出線場最優(yōu)總體設(shè)計方案，為烏東德水電站的順利投產(chǎn)發(fā)電和今后的安全可靠運行起到了關(guān)鍵作用。