水電站與提水泵站結(jié)合布置條件下電氣主接線創(chuàng)新研究

楊志芳，崔 磊，范 鍇

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

1 研究背景

黃金峽水利樞紐工程位于漢江干流上游峽谷段，地處陜西南部漢中盆地以東的洋縣境內(nèi)。黃金峽水庫為引漢濟(jì)渭工程的第一水源地，黃金峽水利樞紐工程是漢江上游干流河段規(guī)劃中的第一個(gè)開發(fā)梯級(jí)，工程以供水為主，兼顧發(fā)電、航運(yùn)。樞紐工程建設(shè)內(nèi)容包括大壩、泵站、水電站、升船機(jī)、魚道等建筑物，其中泵站安裝7 臺(tái)（6用1備）離心式水泵機(jī)組，單機(jī)容量1.8 萬kW，總裝機(jī)12.6 萬kW；水電站安裝3臺(tái)水輪發(fā)電機(jī)組，單機(jī)容量4.5萬kW，總裝機(jī)13.5萬kW［1］。

根據(jù)2012 年引漢濟(jì)渭工程可行性研究推薦方案，黃金峽水利樞紐泵站及電站采用2 回110 kV 線路接入洋縣變電所110 kV 母線，泵站及電站變電站110 kV側(cè)采用單母線分段接線，電站發(fā)電機(jī)側(cè)擬為單元+擴(kuò)大單元接線（1 臺(tái)63MVA 主變+1 臺(tái)120MVA主變），泵站電動(dòng)機(jī)側(cè)擬為單母線分段接線（兩臺(tái)120MVA主變）的電氣主接線方案［2］。經(jīng)過可研審查后將對(duì)該方案進(jìn)行優(yōu)化。

2013年，引漢濟(jì)渭工程泵站及電站接入電力系統(tǒng)方案重新獲批，明確了黃金峽水利樞紐引出3 回110kV 線路，其中2 回接入洋縣變電所，另1 回接入三河口水利樞紐［3］。

2015年，根據(jù)重新批復(fù)的接入系統(tǒng)方案以及可研審查意見，在原可研推薦方案的基礎(chǔ)上，對(duì)黃金峽水利樞紐電氣主接線方案進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)研究。

2 設(shè)計(jì)原則

黃金峽水利樞紐在引漢濟(jì)渭工程、漢江上游梯級(jí)開發(fā)工程中具有重要作用，其電氣主接線應(yīng)滿足簡單清晰、安全可靠、靈活方便、經(jīng)濟(jì)合理等要求。電氣主接線設(shè)計(jì)與工程規(guī)模、動(dòng)能參數(shù)、電力系統(tǒng)、設(shè)備選型、總體布置等因素相關(guān)，設(shè)計(jì)方案應(yīng)在全面技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較的基礎(chǔ)上確定［4-6］。

2.1 方案選擇

按照水利水電工程等級(jí)劃分規(guī)定，黃金峽水電站的工程等別為水利水電Ⅲ等工程、工程規(guī)模為中型，黃金峽泵站的工程等別為水利水電Ⅰ等工程、工程規(guī)模為大（一）型［7-8］。電站、泵站可以按常規(guī)方式，分別進(jìn)行電氣主接線設(shè)計(jì)。

黃金峽水利樞紐的特點(diǎn)在于水電站和調(diào)水泵站的結(jié)合設(shè)置，泵站在完成調(diào)水任務(wù)前提下，電站利用剩余水能進(jìn)行發(fā)電。在實(shí)際工程總體布置中，電站和泵站建筑物布置位置非常緊密，其中電站進(jìn)水口和泵站進(jìn)水口位于相同壩段，從左至右相互間隔、平行布置。電站廠房和泵站廠房也同樣位于相同壩段，從上游至下游依次布置泵站主廠房、泵站副廠房、電站副廠房、電站主廠房。這樣的工程規(guī)模和總體布置，具備了泵站與電站聯(lián)合進(jìn)行電氣主接線優(yōu)化設(shè)計(jì)的條件，但目前水利水電工程中尚無大型泵站與水電站聯(lián)合進(jìn)行電氣主接線設(shè)計(jì)的先例，沒有成熟的經(jīng)驗(yàn)供工程設(shè)計(jì)借鑒。因此，需要將優(yōu)化設(shè)計(jì)研究與常規(guī)的獨(dú)立接線方式進(jìn)行深入分析比選。

結(jié)合接入電力系統(tǒng)要求，高壓側(cè)110kV 出線3回，加上泵站和電站的進(jìn)線回路數(shù)較多，110kV側(cè)電氣接線可以選擇單母線分段或雙母線兩種接線方案［5］。兩種方案經(jīng)濟(jì)指標(biāo)相近，雙母線方案的可靠性較高，運(yùn)行方式靈活，因此高壓側(cè)110kV選擇雙母線接線方案［9］。低壓側(cè)（即電站發(fā)電機(jī)端和泵站電動(dòng)機(jī)端）的電氣接線需要對(duì)獨(dú)立接線和聯(lián)合接線方式進(jìn)行比較，因此電氣主接線比選方案分別按這兩種方式擬定。

2.2 獨(dú)立接線方式

獨(dú)立接線方式即電站發(fā)電機(jī)側(cè)、泵站電動(dòng)機(jī)側(cè)分別采用兩站之間相互獨(dú)立的電氣主接線，電站或泵站的機(jī)組分別通過各站獨(dú)立的變壓器與高壓配電裝置相連。電站變壓器高、低壓側(cè)分別連接高壓配電裝置、發(fā)電機(jī)，發(fā)電機(jī)的電能通過電站變壓器送入電力系統(tǒng)。泵站變壓器高、低壓側(cè)分別連接高壓配電裝置、電動(dòng)機(jī)，電力系統(tǒng)外來電源和發(fā)電機(jī)電源均通過泵站變壓器提供給電動(dòng)機(jī)。

（1）電站發(fā)電機(jī)側(cè)接線。發(fā)電機(jī)側(cè)的接線方式有單元接線、擴(kuò)大單元接線、聯(lián)合單元接線3種型式可選。單元接線可靠、靈活，故障影響范圍小，但會(huì)增加設(shè)備投資及場地布置。擴(kuò)大單元接線減少主變壓器和高壓進(jìn)線設(shè)備，節(jié)省了場地布置和設(shè)備投資，但主變壓器故障將影響2 臺(tái)機(jī)組，可靠性稍低。雖然聯(lián)合單元接線減少了高壓側(cè)斷路器，但增加了并聯(lián)母線和隔離開關(guān)及其布置場地，在變壓器故障發(fā)生的情況下通過操作另1 臺(tái)機(jī)組仍可運(yùn)行，但主變壓器仍會(huì)增加空載損耗。綜合考慮可靠性、經(jīng)濟(jì)性和工程規(guī)模，發(fā)電機(jī)側(cè)的接線采用擴(kuò)大單元接線方式。由于電站裝設(shè)3 臺(tái)發(fā)電機(jī)，發(fā)電機(jī)側(cè)采用1個(gè)單元接線、1個(gè)擴(kuò)大單元接線［10-12］。

（2）泵站電動(dòng)機(jī)側(cè)接線。泵站電動(dòng)機(jī)側(cè)的接線方式有單母線接線、單母線分段接線2 種型式可選［8］。從供電可靠性高、運(yùn)行靈活以及裝機(jī)臺(tái)數(shù)多等方面考慮，選擇單母線分段接線方式是合適的。結(jié)合電動(dòng)機(jī)數(shù)量，單母線分段可分為2～3段，各段母線之間均采用分段斷路器連接。正常運(yùn)行方式下，每段母線獨(dú)立運(yùn)行，由各段母線對(duì)應(yīng)的變壓器供電；故障時(shí)，相鄰段變壓器提供備用電源。分為兩段時(shí)，兩段母線分別帶4 臺(tái)、3 臺(tái)電動(dòng)機(jī)；分為3 段時(shí)，3段母線分別帶3臺(tái)、1臺(tái)、3臺(tái)電動(dòng)機(jī)。

（3）接線方案。①方案1：電站3 臺(tái)發(fā)電機(jī)采用1個(gè)單元接線和1個(gè)擴(kuò)大單元接線，泵站7臺(tái)電動(dòng)機(jī)采用單母線分兩段接線，兩段母線分別連接3、4 臺(tái)電動(dòng)機(jī)，電站和泵站各設(shè)2臺(tái)主變壓器，共4臺(tái)主變壓器。主變壓器容量按照所帶發(fā)電機(jī)、電動(dòng)機(jī)的容量進(jìn)行配置，分別為55，110，120 MVA 和120 MVA。110 kV側(cè)電氣接線為雙母線接線。②方案2：電站3臺(tái)發(fā)電機(jī)接線同方案1，采用1個(gè)單元接線和1個(gè)擴(kuò)大單元接線，泵站7 臺(tái)電動(dòng)機(jī)采用單母線分3 段接線，3段母線分別連接3臺(tái)、1臺(tái)、3臺(tái)電動(dòng)機(jī)，電站和泵站各設(shè)2 臺(tái)、3 臺(tái)主變壓器，共設(shè)5 臺(tái)主變壓器。主變壓器容量分別為55，110，63，63 MVA 和63 MVA。110 kV側(cè)電氣接線為雙母線接線。

2.3 聯(lián)合接線方式

在聯(lián)合接線方式中，發(fā)電機(jī)、電動(dòng)機(jī)機(jī)端直接連接，按照發(fā)電機(jī)臺(tái)數(shù)適當(dāng)分段后，再分別通過共用變壓器與高壓配電裝置相連。

發(fā)電機(jī)端采用單元接線型式，在發(fā)電機(jī)和主變壓器之間裝設(shè)發(fā)電機(jī)斷路器，每臺(tái)發(fā)電機(jī)端分別引出一段母線，形成3段發(fā)電機(jī)機(jī)端電壓母線，每段發(fā)電機(jī)母線上直接連接數(shù)臺(tái)水泵電動(dòng)機(jī)，3 段母線之間均采用分段斷路器連接。正常運(yùn)行時(shí)，每段母線獨(dú)立運(yùn)行；發(fā)生故障時(shí)，相鄰段母線提供備用電源。這種組合方式，發(fā)電機(jī)無需通過變壓器就可直接向電動(dòng)機(jī)提供電源，且在發(fā)電機(jī)電能有剩余或者不足時(shí)，通過變壓器與電力系統(tǒng)交換電能。

根據(jù)每臺(tái)發(fā)電機(jī)母線上連接水泵電動(dòng)機(jī)臺(tái)數(shù)的不同，擬定以下兩個(gè)接線方案：①方案3：發(fā)電機(jī)和變壓器采用單元接線，每臺(tái)發(fā)電機(jī)端分別引出一段母線，形成3 段發(fā)電機(jī)電壓母線，3 段發(fā)電機(jī)電壓母線分別連接3 臺(tái)、1 臺(tái)、3 臺(tái)水泵電動(dòng)機(jī)。電站和泵站共設(shè)3 臺(tái)主變壓器，每臺(tái)主變壓器容量均為63MVA。110 kV 側(cè)電氣接線為雙母線接線。②方案4：主接線與方案3 基本相同，3 段發(fā)電機(jī)電壓母線分別連接2臺(tái)、3臺(tái)、2臺(tái)水泵電動(dòng)機(jī)，電站和泵站共設(shè)3 臺(tái)主變壓器，每臺(tái)主變壓器容量均按帶4 臺(tái)電動(dòng)機(jī)運(yùn)行的容量配置為80MVA。110kV 側(cè)電氣接線為雙母線接線。

各方案接線示意見圖1。

3 技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較

3.1 技術(shù)比較

圖1 各方案接線示意

4 種方案具有接線清晰、可靠、靈活的特點(diǎn)，均能滿足安全穩(wěn)定運(yùn)行的要求。對(duì)于電站，方案3 和方案4 的發(fā)電機(jī)組均統(tǒng)一采用單元接線，相較于方案1 和方案2 的擴(kuò)大單元接線，可靠性和靈活性高。對(duì)于泵站，鑒于該工程以供水為主，泵站的供電可靠性、靈活性更為重要，下面重點(diǎn)對(duì)這2個(gè)方面進(jìn)行比較。

（1）泵站供電可靠性。方案1 和方案2 泵站的外來電源和發(fā)電機(jī)電源均引至變壓器的高壓側(cè)，所有水泵的供電電源均通過變壓器取得，電源的可靠性受變壓器的影響很大。方案3和方案4泵站外來電源引至變壓器的高壓側(cè)，發(fā)電機(jī)電源不通過變壓器就直接供給水泵，即使所有變壓器故障，仍可由發(fā)電機(jī)提供電源，因此，方案3和方案4的供電可靠性更高。

（2）泵站運(yùn)行靈活性。方案1 中，當(dāng)1 臺(tái)主變退出運(yùn)行時(shí)，通過切換不影響水泵運(yùn)行；當(dāng)2臺(tái)主變退出運(yùn)行時(shí)，全部水泵停運(yùn)。方案2中，當(dāng)1臺(tái)主變退出運(yùn)行時(shí)，通過切換不影響水泵運(yùn)行；當(dāng)2臺(tái)或3臺(tái)主變退出運(yùn)行時(shí)，3臺(tái)或全部水泵停運(yùn)。方案3和方案4 中任何1 臺(tái)主變退出運(yùn)行時(shí)，均可通過切換發(fā)電機(jī)電源，不影響水泵運(yùn)行。因此，方案3 和方案4的運(yùn)行靈活性更高。

3.2 經(jīng)濟(jì)比較

（1）工程投資。方案1 和方案2 的110 kV 進(jìn)線回路數(shù)較多、變壓器數(shù)量多且容量大，增加了電氣設(shè)備投資及布置場地費(fèi)用。方案1 與方案2 比較，方案1 發(fā)電機(jī)端短路電流較大，電氣設(shè)備選擇較困難、價(jià)格較高，方案2 電動(dòng)機(jī)母線分段多、變壓器容量較小。綜合投資方案1最高。

方案3、方案4的110 kV進(jìn)線回路數(shù)較少、變壓器數(shù)量少且容量較小，電氣設(shè)備及布置場地較少，節(jié)省了工程投資。方案3與方案4比較，方案4變壓器容量較大、機(jī)端短路電流較大，設(shè)備投資高、選型難度大［13］。綜合投資方案3最低。

（2）能耗水平。方案1 和方案2 的獨(dú)立接線方式使得水泵電動(dòng)機(jī)在利用發(fā)電機(jī)電能的時(shí)候，必須通過兩臺(tái)變壓器進(jìn)行傳輸，發(fā)電、用電潮流分布不合理，增加了電能傳輸過程中的損耗。方案3 和方案4的發(fā)電機(jī)、電動(dòng)機(jī)的機(jī)端母線直接相連，使得發(fā)電、用電傳輸過程中的損耗降到最低。

近年來，隨著國家節(jié)能環(huán)保政策和措施的推進(jìn)，水利水電工程也在開展節(jié)能降耗分析和評(píng)估，研究采取各種節(jié)能降耗措施以節(jié)約現(xiàn)有能源消耗量，提高節(jié)能環(huán)保效率，實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展。水電站能耗水平分析計(jì)算顯示，雖然水電站廠用電設(shè)備較少、能耗指標(biāo)低、能源利用效率高，但主變壓器能耗在廠用電能耗指標(biāo)中占比最大，一般為整個(gè)工藝生產(chǎn)系統(tǒng)能耗的60%左右、主要生產(chǎn)性設(shè)備能耗的80%以上［14］。如果變壓器損耗能降低，即使降低1%，每年可節(jié)約的電能也是顯著的。以方案3的變壓器總?cè)萘繛榛鶞?zhǔn)，方案1、方案2 和方案4 的變壓器總?cè)萘糠謩e是方案3的2.14，1.87，1.27倍，變壓器額定損耗均與額定容量成正比，因此方案3 變壓器的損耗最低。

3.3 比選小結(jié)

4種方案的技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較見表1。

綜上所述，4 種方案均滿足電氣主接線設(shè)計(jì)的基本要求，其中方案3 和方案4 采用聯(lián)合接線方式較好地結(jié)合了工程總體布置特點(diǎn)，同時(shí)，電站統(tǒng)一采用單元接線，可靠性較高。發(fā)電機(jī)和電動(dòng)機(jī)端直接連接，發(fā)電機(jī)供給水泵電動(dòng)機(jī)的電源不受變壓器影響，提高了泵站的供電可靠性和潮流分布合理性；系統(tǒng)外來電源和發(fā)電機(jī)電源相互切換，提高了電站和泵站的運(yùn)行靈活性；統(tǒng)一變壓器、發(fā)電機(jī)電壓設(shè)備型式，有利于運(yùn)行維護(hù)；合理減少電氣設(shè)備的數(shù)量、容量，降低了投資、占地以及能耗指標(biāo)，符合節(jié)能環(huán)保、持續(xù)發(fā)展的要求。方案3 和方案4 在技術(shù)方面和經(jīng)濟(jì)方面均明顯優(yōu)于采用獨(dú)立接線方式的方案1和方案2，因此，推薦聯(lián)合接線方式。

表1 電氣主接線設(shè)計(jì)方案

進(jìn)一步比較方案3和方案4，方案4設(shè)備投資較高、選型難度較大，故選擇方案3，即優(yōu)化設(shè)計(jì)方案采用采用聯(lián)合接線方式，3 段發(fā)電機(jī)電壓母線為單母分段接線，分別連接3 臺(tái)、1 臺(tái)、3 臺(tái)水泵電動(dòng)機(jī)，每段母線設(shè)1 臺(tái)電站和泵站共用主變壓器（容量均為63MVA）。110kV 側(cè)為雙母線接線。采用3 回110kV線路接入電力系統(tǒng)。

4 結(jié) 語

在與常規(guī)獨(dú)立接線方案進(jìn)行技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較的基礎(chǔ)上，結(jié)合黃金峽水利樞紐電氣主接線的工程實(shí)際特點(diǎn)，采用電站和泵站聯(lián)合接線方式的優(yōu)化方案，提高了電氣主接線的供電可靠性、運(yùn)行靈活性、經(jīng)濟(jì)合理性和運(yùn)維便利性。優(yōu)化方案新穎獨(dú)特，首次應(yīng)用于水利水電工程，目前已通過了引漢濟(jì)渭工程初步設(shè)計(jì)審查，可為類似水利樞紐工程電氣主接線設(shè)計(jì)提供經(jīng)驗(yàn)。