巴基斯坦N-J水電站機(jī)電設(shè)計(jì)關(guān)鍵技術(shù)研究與應(yīng)用

田 子 勤，鄒 海 青，王 樹(shù) 清，崔 磊

(長(zhǎng)江勘測(cè)規(guī)劃設(shè)計(jì)研究有限責(zé)任公司 機(jī)電工程設(shè)計(jì)研究院，湖北 武漢 430010)

Neelum-Jhelum水電站(以下簡(jiǎn)稱N-J水電站)位于巴基斯坦克什米爾，是巴基斯坦目前最大的水電工程項(xiàng)目，也是中國(guó)企業(yè)迄今為止在境外承建的最大的水電工程。水電站最高水頭為420 m，裝設(shè)4臺(tái)單機(jī)容量為243 MW的混流式水輪發(fā)電機(jī)組。N-J水電站水頭高、泥沙含量大、引水系統(tǒng)超長(zhǎng)、尾水系統(tǒng)長(zhǎng)，機(jī)電工程設(shè)計(jì)具有顯著特點(diǎn)和難點(diǎn)。本文介紹了該水電站機(jī)電總體設(shè)計(jì)、設(shè)備制造與檢修、過(guò)渡過(guò)程計(jì)算、超長(zhǎng)隧洞輸水安全與檢修排水、525 kV高壓電纜敷設(shè)安裝以及接地網(wǎng)計(jì)算等關(guān)鍵技術(shù)的研究和應(yīng)用情況。

1 工程概況

N-J水電站主要由混凝土重力大壩、大型沉沙池、28.6 km引水隧洞、上下游調(diào)壓室、地下廠房和尾水隧洞以及525 kV戶外開(kāi)關(guān)站等建筑物組成。該項(xiàng)目的業(yè)主是巴基斯坦水電能源署(WAPDA)，EPC總承包為中國(guó)葛洲壩集團(tuán)股份有限公司和中國(guó)機(jī)械設(shè)備工程有限公司組成的聯(lián)合體(CGGC-CMEC)，長(zhǎng)江勘測(cè)規(guī)劃設(shè)計(jì)研究有限責(zé)任公司承擔(dān)項(xiàng)目的機(jī)電與金屬結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)工作。工程于2008年1月30日正式開(kāi)工，歷經(jīng)10 a多時(shí)間，首臺(tái)機(jī)組于2018年4月13日投產(chǎn)發(fā)電；同年8月13日，4臺(tái)機(jī)組全部投產(chǎn)運(yùn)行，至2019年9月18日，完成了全部4臺(tái)機(jī)組的移交工作。水電站年發(fā)電量約為51.5億kW·h，占巴基斯坦水電發(fā)電量的12%，水電站的投運(yùn)，解決了巴基斯坦全國(guó)15%人口的用電緊缺問(wèn)題，經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益顯著。N-J工程總體布置如圖1所示。

圖1 N-J工程總體布置Fig.1 General layout of N-J hydropower plant

N-J水電站主要設(shè)計(jì)參數(shù)如下：

正常蓄水位 1 012.5 m

最低水位 1 006.0 m(雨季水位)

死水位 1 000.5 m(僅靠河流徑流)

最低尾水位 591.0 m

最高尾水位 598.0 m

最高/額定/最低水頭 420 m/370 m/350 m

裝機(jī)容量 969 MW

裝機(jī)臺(tái)數(shù) 4臺(tái)

地震烈度 Ⅷ級(jí)

2 機(jī)電設(shè)計(jì)主要特點(diǎn)及難點(diǎn)

N-J機(jī)電工程設(shè)計(jì)具有以下顯著特點(diǎn)和難點(diǎn)。

(1) 機(jī)組采用高水頭、大容量混流式機(jī)型。該水電站水頭運(yùn)行范圍為350～420 m，額定水頭為370 m，屬于典型的大容量高水頭水電站。水輪機(jī)最大出力為270 MW，是目前國(guó)內(nèi)外在該水頭段已投運(yùn)的最大容量的混流式水輪機(jī)。

(2) 水中泥沙含量大、硬度大。Neelum河中進(jìn)入沉沙池的泥沙總量為3.3×106t/a，通過(guò)每臺(tái)水輪機(jī)的懸移質(zhì)總量為7.3×105t/a。預(yù)計(jì)通過(guò)水輪機(jī)最大含沙量為5.0 kg/m3，一般出現(xiàn)在5～8月，最大值出現(xiàn)在6月。55%～70%泥沙的莫式硬度大于等于5。約 40%～55%的泥沙由石英組成，剩余成分主要是長(zhǎng)石和角閃石。軟礦物主要是白云母和黑云母。水輪機(jī)過(guò)流部件的泥沙磨損問(wèn)題十分突出，且轉(zhuǎn)輪等部件需要頻繁吊出進(jìn)行檢修。

(3) 樞紐布置復(fù)雜，為一洞四機(jī)超長(zhǎng)引水隧洞，且?guī)舷掠畏浅Ｒ?guī)斜坡式調(diào)壓隧洞(室)。該電站為地下電站，引水系統(tǒng)長(zhǎng)約28.6 km，采用一洞四機(jī)帶上游調(diào)壓室布置的形式，受地質(zhì)條件的影響，其中約19.6 km采用雙管布置；尾水系統(tǒng)長(zhǎng)約3.5 km，采用一洞四機(jī)帶下游調(diào)壓室布置的方式，并且上、下游調(diào)壓室均由一個(gè)非常規(guī)的斜坡式隧洞構(gòu)成。設(shè)計(jì)過(guò)程中，在調(diào)節(jié)保證計(jì)算、引水隧洞排水減壓、尾水隧洞檢修排水、壓力鋼管安全可靠性等諸多方面均有著較多的難題需要解決。

(4) 電站配置的4臺(tái)525 kV主變壓器布置在地下電站主廠房下游側(cè)水平距離30 m的主變洞室內(nèi)，電站525 kV開(kāi)關(guān)站采用敞開(kāi)式、布置在地面，主變壓器高壓側(cè)至地面525 kV開(kāi)關(guān)站的進(jìn)線，采用4回525 kV高壓電纜，經(jīng)過(guò)路徑長(zhǎng)度1 000多m的電纜通道連接。在工程設(shè)計(jì)中，需適應(yīng)長(zhǎng)路徑高壓電纜敷設(shè)的苛刻條件的需求，并對(duì)大型開(kāi)關(guān)站的安裝均提出了較高的要求。

(5) N-J水電站的開(kāi)發(fā)任務(wù)為發(fā)電，以促進(jìn)地區(qū)經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展，電站的運(yùn)行方式主要是基荷運(yùn)行，并承擔(dān)調(diào)峰作用。電網(wǎng)薄弱、斷電頻繁，因局部故障擴(kuò)大而導(dǎo)致整個(gè)電網(wǎng)出現(xiàn)運(yùn)行故障或大范圍停電的可能性較高。該電站在電網(wǎng)中具有舉足輕重的作用，年發(fā)電量約為51.5億kW·h，占巴基斯坦水電發(fā)電量的12%。設(shè)計(jì)中要求具有黑啟動(dòng)功能。

鑒于上述特點(diǎn)和難點(diǎn)，N-J水電站的機(jī)電設(shè)計(jì)具有較大的挑戰(zhàn)性，特別是水電站運(yùn)行后水輪機(jī)的泥沙磨損、超長(zhǎng)隧洞的輸水安全及其檢修問(wèn)題引起了參建各方的廣泛關(guān)注。

3 關(guān)鍵技術(shù)研究及主要成果

3.1 高水頭含沙水流條件下水輪機(jī)抗磨措施及檢修方案

N-J水電站屬于高泥沙含量電站，由于水頭很高，水流流速大，水中的泥沙會(huì)對(duì)水輪機(jī)過(guò)流部件造成比較嚴(yán)重的磨損破壞，需要采用措施提高水輪機(jī)的抗泥沙磨損能力，同時(shí)還需考慮到部件磨損后相應(yīng)的檢修拆卸方案。因此，從以下方面進(jìn)行了研究。

(1) 優(yōu)化水力設(shè)計(jì)。首先，通過(guò)合理選擇水輪機(jī)參數(shù)水平并正確確定水輪機(jī)的安裝高程，減小發(fā)生空化的概率，避免產(chǎn)生空蝕與泥沙磨損聯(lián)合破壞[1]。另外，良好的水力設(shè)計(jì)可以保證水輪機(jī)流道中壓力和流速分布均勻，有利于避免脫流與旋渦的產(chǎn)生、避免發(fā)生壓力和流速的急劇變化、減少過(guò)流損失，以及防止或減緩過(guò)流部件的泥沙磨損，因此，借助于水力優(yōu)化設(shè)計(jì)軟件CFD，對(duì)轉(zhuǎn)輪、蝸殼、尾水管等部件進(jìn)行水力優(yōu)化設(shè)計(jì)并對(duì)多方案進(jìn)行比選；選定方案后，再通過(guò)模型試驗(yàn)予以驗(yàn)證，以獲得良好的水力性能。

(2) 表面防護(hù)。材料表面的硬度越高，抗切向沖擊磨損的能力越強(qiáng)。因此，對(duì)于含沙量較多的水電站，為了提高水輪機(jī)主要過(guò)流部件的抗磨能力，除母材采用不銹鋼材料外，還對(duì)其表面采用硬化防護(hù)。目前，針對(duì)水輪機(jī)泥沙磨損效果較好的表面保護(hù)措施是采用高速火焰噴涂碳化鎢技術(shù)(HVOF)進(jìn)行噴焊[2-3]，但成本較高。為此，對(duì)N-J水電站研究提出了應(yīng)根據(jù)不同流速，對(duì)水輪機(jī)過(guò)流部件表面進(jìn)行“硬軟結(jié)合、分區(qū)噴涂”的方案，即：對(duì)水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪、導(dǎo)葉、頂蓋與底環(huán)抗磨板以及尾水錐管進(jìn)口等流速高、且易磨損的表面，進(jìn)行了HVOF硬噴涂；而對(duì)流速相對(duì)低一些的座環(huán)固定導(dǎo)葉表面則進(jìn)行了軟噴涂，噴涂層材料為聚氨酯，這樣，既提高了抗磨能力，又大大節(jié)約了成本。

(3) 檢修拆卸方案?？紤]到水輪機(jī)過(guò)流部件因泥沙磨損導(dǎo)致檢修頻繁，預(yù)計(jì)轉(zhuǎn)輪需要2～3 a進(jìn)行一次吊出修補(bǔ)。為了實(shí)現(xiàn)在不拆卸發(fā)電機(jī)的情況下拆除水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪、導(dǎo)葉、底環(huán)、止漏環(huán)等過(guò)流易磨損部件進(jìn)行檢修，對(duì)水輪機(jī)采用了下拆設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)，也就是不用拆除發(fā)電機(jī)，即可將尾水錐管、底環(huán)、轉(zhuǎn)輪下拆至廊道吊出進(jìn)行檢修，這樣就大大節(jié)省了檢修時(shí)間和拆卸、安裝工作量[4-5]，如圖2所示。

圖2 轉(zhuǎn)輪下拆結(jié)構(gòu)示意Fig.2 Structure of disassembled runner bottom

3.2 超長(zhǎng)有壓引水隧洞輸水安全研究

3.2.1防止壓力鋼管共振研究

N-J水電站為一洞四機(jī)，共用一條長(zhǎng)為28.6 km的引水隧洞，每臺(tái)機(jī)組前均設(shè)置有1臺(tái)DN2000進(jìn)水球閥。對(duì)這種超長(zhǎng)有壓引水隧洞，由于水體的慣性力和摩阻力的作用可能引起水體振蕩，特別是進(jìn)水球閥工作密封由于漏水而密封不牢引起來(lái)回振動(dòng)，球閥上游壓力隨著密封環(huán)的振動(dòng)而不斷波動(dòng)，水壓的波動(dòng)幅值會(huì)越來(lái)越大，并在與下游密封相互作用中產(chǎn)生自激振蕩，極易引起其他機(jī)組的壓力鋼管共振，從而對(duì)機(jī)組及電站的安全穩(wěn)定運(yùn)行造成危害。壓力鋼管的振動(dòng)與機(jī)組甩負(fù)荷時(shí)引起的反水錘激蕩不同，上游側(cè)的調(diào)壓井將無(wú)法起到抑制作用。

國(guó)內(nèi)外很多大型水電站，尤其是高水頭引水系統(tǒng)的電站都發(fā)生過(guò)進(jìn)水球閥自激振蕩或者與壓力鋼管共振事故，比如，加拿大貝斯米電站、廣州抽水蓄能電站等[6-7]。為此，在工程設(shè)計(jì)中采取了壓力動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)與泄壓裝置相結(jié)合的方式，發(fā)明了“動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)、智能釋放”的高水頭水電站壓力鋼管共振消除裝置，如圖3所示。由監(jiān)控系統(tǒng)監(jiān)測(cè)壓力鋼管中的水壓，當(dāng)壓力鋼管中的壓力大于4.7 MPa時(shí)，發(fā)送開(kāi)啟電動(dòng)球閥60 s的命令，實(shí)現(xiàn)壓力鋼管泄壓并改變壓力鋼管的運(yùn)行振動(dòng)頻率，達(dá)到防止進(jìn)水球閥與壓力鋼管共振的目的。

圖3 防止壓力鋼管共振裝置示意Fig.3 Resonance eliminating system for penstock

3.2.2長(zhǎng)引水隧洞消能減壓排水系統(tǒng)設(shè)計(jì)

N-J水電站引水隧洞長(zhǎng)達(dá)28.6 km，在電站首次充水試驗(yàn)后或運(yùn)行多年后，需要對(duì)引水隧洞進(jìn)行檢查和維護(hù)，此時(shí)需要將引水系統(tǒng)內(nèi)的積水排空，以方便檢修維護(hù)。長(zhǎng)引水、高水頭電站引水系統(tǒng)排水量大、排水壓力高，如何有效予以消能，安全快速地排水將對(duì)電站的安全穩(wěn)定經(jīng)濟(jì)運(yùn)行具有重大意義。通過(guò)對(duì)常規(guī)的引水系統(tǒng)排水方案進(jìn)行比選，針對(duì)N-J水電站高水頭、大含沙量的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)采用了高水頭大流量消能減壓排水系統(tǒng)的方案，系統(tǒng)主要包括沿引水隧洞末端布置至下游尾水隧洞的排水管道、液控球閥、液控針閥、偏心旋流裝置、補(bǔ)氣管和液控刀閥，如圖4所示。該系統(tǒng)具有如下優(yōu)點(diǎn)：

(1) 通過(guò)監(jiān)控液控針閥前后壓力差實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)開(kāi)度，實(shí)現(xiàn)流量和壓力的自動(dòng)調(diào)控；

(2) 排水流量大，可達(dá)6～8 m3/s；

(3) 創(chuàng)造性地設(shè)計(jì)了偏心旋流裝置，減壓效果好，出口水流對(duì)尾水隧洞基本無(wú)沖刷。

圖4 消能減壓排水系統(tǒng)Fig.4 Energy dissipation and pressure reducing system

3.3 尾水洞檢修排水設(shè)計(jì)

N-J水電站尾水隧洞全長(zhǎng)約3.5 km，尾水直通吉拉姆(Jhelum)河，尾水隧洞出口底板高程為591.0 m，而機(jī)組安裝高程為579.5 m。當(dāng)電站檢修時(shí)，隧洞內(nèi)的積水約41萬(wàn)m3，尾水洞結(jié)構(gòu)如圖5所示，需要在規(guī)定時(shí)間內(nèi)(業(yè)主要求14 d內(nèi))將尾水隧洞的積水排出洞外。如采用固定排水裝置，需在尾水隧洞的最低點(diǎn)旁布置檢修集水井和排水泵房，不僅土建工程量大，且其供電、通風(fēng)、維護(hù)保養(yǎng)等方面均存在較大困難[8-10]。為此，根據(jù)工程實(shí)際情況，采用“分級(jí)移動(dòng)排水車、分段固定排水點(diǎn)”的設(shè)計(jì)方案，創(chuàng)新性地提出了由集成排水車和預(yù)埋管路組成的移動(dòng)排水系統(tǒng)，移動(dòng)排水裝置采用子母車配置，即由一臺(tái)三軸消防車底盤(pán)改裝的母車和橡膠履帶排水車組成，母車配有一臺(tái)加壓泵(固定在母車上運(yùn)行)，子車配有一臺(tái)排水泵(隨子車移動(dòng)運(yùn)行)，隨著積水排出水位降低，排水車前進(jìn)并沿途更換排水節(jié)點(diǎn)，直至將隧洞內(nèi)積水排凈，如圖6所示。相對(duì)于常規(guī)排水方案，這種長(zhǎng)尾水隧洞系統(tǒng)移動(dòng)檢修排水系統(tǒng)方案能顯著提高尾水洞排水系統(tǒng)的可靠性，并能降低土建工程量，節(jié)約投資，解決了長(zhǎng)尾水隧洞排水檢修的難題。

圖5 N-J水電站尾水洞淹沒(méi)示意(單位：km)Fig.5 Tailrace tunnel of N-J hydropower plant

圖6 長(zhǎng)尾水隧洞移動(dòng)排水系統(tǒng)Fig.6 Mobile dewatering system for long tailrace tunnel

3.4 高土壤電阻率水電站接地網(wǎng)計(jì)算和設(shè)計(jì)

N-J水電站地處山區(qū)，整個(gè)接地網(wǎng)設(shè)計(jì)及施工區(qū)域存在如下難點(diǎn)：

(1) N-J水電站作為引水式電站，建筑物多、布置分散。電站主要建筑物由大壩及進(jìn)水口、沉沙池、引水隧洞、調(diào)壓室、地下廠房和尾水隧洞等組成，其中，引水隧洞總長(zhǎng)為28.6 km。地下廠房長(zhǎng)約132 m、寬為20.1 m、高約52.50 m，變壓器洞室長(zhǎng)142 m，高壓電纜隧洞長(zhǎng)約700 m，該隧洞作為到變壓器洞室和GIS及高壓電纜層到地面開(kāi)關(guān)站的連接隧洞，地面525 kV敞開(kāi)式開(kāi)關(guān)站設(shè)置在電纜隧洞的入口處，面積為262 m×121 m(長(zhǎng)×寬)。尾水隧洞長(zhǎng)約3.5 km。

(2) 山區(qū)及地下洞室群土壤電阻率高，電流泄散條件惡劣；較高的土壤電阻率意味著設(shè)計(jì)的地網(wǎng)面積更大，增加施工成本。

(3) 地形條件復(fù)雜，山體的起伏給接地網(wǎng)敷設(shè)的施工帶來(lái)了極大的不便。

為了降低接地電阻，充分利用了大壩、進(jìn)水口、引水隧洞、壓力鋼管、地下廠房和尾水洞等水工建筑物水下部分的鋼筋網(wǎng)或金屬構(gòu)件，即自然接地體作為接地裝置。電站接地網(wǎng)分為兩部分：大壩區(qū)接地網(wǎng)C1以及地下廠房和地面開(kāi)關(guān)站系統(tǒng)接地網(wǎng)C3，兩部分地網(wǎng)相互獨(dú)立。N-J水電站接地網(wǎng)導(dǎo)體全部采用銅導(dǎo)體，主干接地網(wǎng)采用銅絞線，弱電設(shè)備室內(nèi)設(shè)置眀敷環(huán)形接地銅排作為等電位連接，C1區(qū)(大壩及進(jìn)水口)接地導(dǎo)體采用銅絞線TJ-150 mm2、 C3區(qū)(地下電站及525 kV開(kāi)關(guān)站)接地導(dǎo)體采用銅絞線TJ-185 mm2，滿足熱穩(wěn)定的要求。

該項(xiàng)目采用全數(shù)值分析技術(shù)，基于EMTP電磁暫態(tài)分析軟件，針對(duì)水電站出線進(jìn)行精準(zhǔn)建模，分析站內(nèi)及站外不同桿塔處的散流特性及接地故障電流大小，精準(zhǔn)計(jì)算入地短路電流。針對(duì)山區(qū)水電站接地網(wǎng)，采用CDEGS構(gòu)建了水電站三維地網(wǎng)模型并進(jìn)行數(shù)值分析計(jì)算。全數(shù)值仿真技術(shù)的應(yīng)用，避免了常規(guī)經(jīng)驗(yàn)公式設(shè)計(jì)裕度偏大、誤差偏大導(dǎo)致的高土壤電阻率水電站工程接地網(wǎng)敷設(shè)面積過(guò)大的問(wèn)題，既降低了接地網(wǎng)施工難度，同時(shí)也有效節(jié)省了工程投資[11-13]。

根據(jù)IEEE標(biāo)準(zhǔn)，水電站接地網(wǎng)的接地電阻值按不大于1 Ω設(shè)計(jì)[14]。通過(guò)計(jì)算，未蓄水時(shí)，C1接地阻抗為0.299∠4.95° Ω；由于C3區(qū)的接地網(wǎng)面積較大，分布廣，短路電流從不同點(diǎn)注入地網(wǎng)時(shí)接地阻抗將差別比較明顯，經(jīng)計(jì)算，當(dāng)短路電流從開(kāi)關(guān)站注入地網(wǎng)時(shí)，C3區(qū)的接地阻抗為0.140∠23.39° Ω，當(dāng)短路電流從主變室注入地網(wǎng)時(shí)，C3區(qū)的接地阻抗為0.117∠17.42° Ω。

N-J水電站高壓電纜廊道、主變室和高壓電纜室的均壓網(wǎng)孔分別采用3.0 m×(5.0～6.0) m、5.1 m×4.8 m和4.6 m×4.8 m的等間距布置；戶外開(kāi)關(guān)站中間主網(wǎng)孔取9 m、邊緣網(wǎng)孔1.0～5.0 m，在地網(wǎng)最外沿一周邊角處布置成圓弧形。在這種布置方案下，高壓區(qū)域最大的接觸電位差為231.54 V，最大跨步電位差為60.93 V，均能滿足IEEE規(guī)定的人身安全的要求。

3.5 525 kV敞開(kāi)式開(kāi)關(guān)站設(shè)計(jì)

N-J水電站工程在地形及地質(zhì)條件、場(chǎng)地面積允許的情況下，考慮到當(dāng)?shù)卦O(shè)備應(yīng)用和檢修習(xí)慣，經(jīng)多方案技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較，推薦選擇AIS(戶外敞開(kāi)式)布置方案。525 kV開(kāi)關(guān)站采用了一倍半斷路器接線方式，該方式具有安全可靠性高、運(yùn)行調(diào)度靈活、操作檢修方便等優(yōu)點(diǎn)，大大提高了N-J電站的運(yùn)行安全可靠性，作為骨干電源，有力支撐了巴基斯坦電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行。

525 kV開(kāi)關(guān)站位于進(jìn)入地下廠房的必經(jīng)之路——進(jìn)廠交通洞的入口處，十分有利于電站和開(kāi)關(guān)站的一體式運(yùn)行和維護(hù)，開(kāi)關(guān)站呈長(zhǎng)方形，占地面積約為262 m×121 m，規(guī)模較大，布置整齊劃一，如圖7所示。

圖7 525 kV敞開(kāi)式開(kāi)關(guān)站布置Fig.7 Layout of outdoor 525 kV switchyard

3.6 長(zhǎng)距離高壓電纜布置適應(yīng)敷設(shè)、安全運(yùn)行和檢修需要的設(shè)計(jì)

N-J水電站4臺(tái)525 kV主變壓器布置在地下電站主廠房下游側(cè)水平距離30 m的主變洞室內(nèi)，電站525 kV開(kāi)關(guān)站采用敞開(kāi)式、布置在地面。主變壓器高壓側(cè)至地面525 kV開(kāi)關(guān)站的進(jìn)線，采用4回525 kV高壓電纜，敷設(shè)路徑大于1 000 m，在工程方案設(shè)計(jì)中需滿足安全性、可靠性、易維護(hù)、滿足預(yù)留長(zhǎng)度的要求。

N-J水電站工程電纜的最大工作電流為324 A，考慮到工程投資，采用了800 mm2鋁芯電纜，單根電纜長(zhǎng)度最長(zhǎng)達(dá)1 277 m，無(wú)中間接頭。以此提高了電纜運(yùn)行的安全可靠性，節(jié)省了工程投資。為了滿足防火要求，研究提出了525 kV電纜在電纜溝中采用埋沙敷設(shè)方式，這樣可以避免因其中一根電纜起火燃燒而波及其他電纜，較好地滿足了防火要求[15]。

由于N-J水電站在巴基斯坦電網(wǎng)中的特殊重要性，為了縮短電纜故障時(shí)的停電時(shí)間，設(shè)計(jì)方案采用了“故障電纜與備用電纜快速切換”的電纜布置方式，即在每回電纜溝內(nèi)敷設(shè)1根備用電纜，4根電纜單獨(dú)敷設(shè)在一條電纜溝內(nèi)采用正方形排列布置，備用電纜的兩端安裝電纜終端。與通常的4回電纜共用一根備用電纜的方案相比，采用該方案，無(wú)論哪根工作電纜發(fā)生故障，備用電纜均不用挪動(dòng)，直接在電纜終端快速切換連接，大幅縮短了電纜故障時(shí)的停電檢修時(shí)間。

525 kV電纜進(jìn)入戶外敞開(kāi)式開(kāi)關(guān)站前，設(shè)置19 m×15 m的戶外敞開(kāi)式大沙坑，電纜在沙坑中為“S”型敷設(shè)，以實(shí)現(xiàn)電纜預(yù)留，并在電纜連接戶外電纜終端之前，在電纜溝內(nèi)放大電纜的轉(zhuǎn)彎半徑，以增加預(yù)留長(zhǎng)度，如圖8所示。在GIS室，在電纜連接GIS電纜終端之前，采用半圓形敷設(shè)方式設(shè)置預(yù)留段。

圖8 戶外大沙坑“S”型敷設(shè)Fig.8 S-type cable laying in wide outdoor sand pit

4 結(jié) 語(yǔ)

N-J水電站機(jī)電設(shè)計(jì)面臨著復(fù)雜的水能、水質(zhì)和運(yùn)行條件，并且作為EPC項(xiàng)目，既要考慮到技術(shù)可行性，還需要綜合考慮工程的經(jīng)濟(jì)性，這對(duì)設(shè)計(jì)單位是一個(gè)嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。本文結(jié)合項(xiàng)目實(shí)際，針對(duì)項(xiàng)目的特點(diǎn)和難點(diǎn)，通過(guò)深入分析研究，提出了適宜的解決方案。

(1) 研究提出了在高水頭、大泥沙含量、一洞四機(jī)帶上下游非常規(guī)斜坡式調(diào)壓隧洞等多重復(fù)雜條件下，能夠保障超長(zhǎng)輸水系統(tǒng)和機(jī)組安全運(yùn)行及設(shè)備檢修的總體設(shè)計(jì)方案。

(2) 創(chuàng)新了高水頭、超長(zhǎng)引水隧洞排水、排沙、消能及安全保障技術(shù)，以及創(chuàng)新了長(zhǎng)距離高壓電纜布置設(shè)計(jì)適應(yīng)敷設(shè)和檢修需要的關(guān)鍵技術(shù)。

(3) 發(fā)明了“動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)、智能釋放”的高水頭水電站壓力鋼管共振消除裝置，極大地提高了超長(zhǎng)隧洞輸水系統(tǒng)的運(yùn)行安全性。

(4) 提出了一種長(zhǎng)引水電站高水頭大流量自適應(yīng)調(diào)控消能減壓排水排沙系統(tǒng)，解決了超長(zhǎng)隧洞排水排沙難題。

(5) 創(chuàng)新地提出了故障電纜與備用電纜快速切換的電纜布置方式，有效縮短了電纜故障時(shí)的停電檢修時(shí)間。

本文研究成果在N-J水電站得到了成功應(yīng)用，可為同類工程的機(jī)電設(shè)計(jì)提供參考和借鑒。