深溪溝主接線由單母線調整為四角形接線的利與弊

周 勇

(國電大渡河深溪溝水電有限公司，四川漢源 625304)

1 概述

大渡河深溪溝水電站位于四川省漢源縣和甘洛縣交界處，為大渡河干流規劃的第十八級電站，工程以發電為主，裝機容量為66萬kW，年發電量為32.4億 kW·h。

電站樞紐由河床式廠房、窯洞式安裝間、泄洪閘、沖沙閘、擋水壩等水工建筑物組成，壩頂高程662.5 m，大壩壩頂長226 m，最大壩高101 m。電站裝設4臺軸流轉槳式水輪發電機組，單機容量為165 MW，額定水頭30 m，最大水頭40 m，最小水頭 20.1 m。

該工程于2006年3月22日經國家發改委核準，4月12日正式開工，2007年11月6日截流，首臺機組計劃于2010年7月1日發電，后續間隔5個月、4個月和3個月第二臺、三臺和第四臺機組陸續發電。

2005年3月25日，中國電力工程顧問集團公司在北京主持了《四川大渡河深溪溝水電站接入系統設計》報告評審會，根據西南電力設計院2005年3月提供的《四川大渡河深溪溝水電站接入系統設計》報告，會議通過了深溪溝水電站接入系統單母線接線方案(圖1)。

圖1 深溪溝水電站接入系統單母線主接線方案圖

該主接線方案是在枕頭壩、沙坪梯級電站沒有明確建設主體背景下設計規劃的，根據當時的情況，擬將下游的枕頭壩電站(負荷為72萬kW)接入深溪溝備用回路，并經深溪溝和瀑布溝水電站接入系統(圖2)。

圖2 大渡河中游電站群接入系統示意圖

隨著枕頭壩、沙坪水電站建設主體明確由大渡河流域開發公司組織開發，西南電力設計院于2008年對深溪溝下游的梯級電站接入系統進行了調整設計。根據新的接入系統，要求深溪溝水電站的電氣主接線要考慮下游枕頭壩電站和沙坪水電站的接入。據最新資料，枕頭壩、沙坪各按兩級設計，枕頭壩一級、二級和沙坪一級、二級水電站裝機容量分別為72萬 kW、24萬 kW、44萬kW、35萬kW，容量合計為175萬kW，電站裝機容量較最初的設計有大幅提高。

上述接入深溪溝水電站的電站數量和裝機容量發生了巨大變化，對深溪溝水電站升壓站的可靠性和運行靈活性提出了更高的要求。為此，2008年12月4日，水電水利規劃設計總院在北京主持召開了《大渡河深溪溝水電站電氣主接線調整設計報告》審查會議，會議認為:四角形接線其可靠性高，運行靈活，檢修方便，可減少電站棄水，適合本電站，同意深溪溝水電站升壓站500 kV側接線采用四角形接線方案(圖3)。

圖3 四角形主接線圖

2 主接線方案綜合比較

2.1 安全可靠性

水電站主接線的選擇應滿足電力系統對電廠穩定、可靠性的要求，以及對電廠機組運行方式的要求，且不致造成水庫大量棄水、進而嚴重影響到電廠效益和安全運行。

2008年，根據調整后的初步輸電方案，深溪溝水電站的電氣主接線要滿足深溪溝、枕頭壩和沙坪(175萬kW左右)等電站的電力通過瀑布溝水電站送入系統，或深溪溝水電站(極端情況下包括瀑布溝水電站180萬kW)的電力通過枕頭壩(沙坪)電站送入系統的兩種運行方式。這樣的運行方式使深溪溝水電站500 kV側存在較大的交換功率，成為大渡河中下游電站群川電東送和華中電網西電東送的區域樞紐站，因此而對深溪溝電氣主接線的安全可靠性和運行靈活性提出了更高的要求。

國家電網公司、電監會以及國電集團公司對樞紐站全停、電網及設備事故定義如下:

(1)《國家電網公司十八項電網重大反事故措施》第5條 防止樞紐變電站全停事故要求如下:

第5.1.1條:樞紐變電站在站內部分母線或一條輸電通道檢修情況下，發生N－1、N－2故障時不應出現變電站全停的情況。

注釋:N－1原則是判定電力系統安全性的一種準則，又稱單一故障安全準則。按照這一準則，深溪溝水電站的N個元件中的任一獨立元件(發電機、輸電線路、變壓器等)發生故障而被切除后，應不造成因其他線路過負荷跳閘而導致用戶停電;不破壞系統的穩定性，不出現電壓崩潰等事故。

(2)電監會《電力生產事故調查暫行規定》對重大電網事故的定義和級別規定如下:

第九條:電網發生有下列情形之一的大面積停電，為重大電網事故:

①電網負荷為20 000 MW以上的，減供負荷8%;

②電網負荷為10 000 MW以上、不滿20 000 MW的，減供負荷10%或1 600 MW;

③電網負荷為5 000 MW以上、不滿10 000 MW的，減供負荷15%或1 000 MW;

④電網負荷為1 000 MW以上、不滿5 000 MW的，減供負荷20%或750 MW;

⑤電網負荷為不滿1 000 MW的，減供負荷40%或200 MW。

(3)集團公司《中國國電集團公司事故調查規程》對重大設備事故定義如下:

裝機容量400 MW以上的發電廠，一次事故造成2臺及以上機組非計劃停運并造成全廠對外停電的，為重大設備事故。

由此可見，深溪溝500 kV升壓站如果因母線失電造成全站停電和區域電網解列，會造成設備重大故障和電網重大事故。北京電網草橋變電站因GIS氣室內部故障引發的全站失電和太原第一電廠因GIS設備故障造成全廠停電造成的后果都十分嚴重、影響惡劣。因此，深溪溝主接線的安全可靠性顯得尤為重要。

單母線接線方式最大的缺陷是母線停運(母線檢修、故障，線路故障后線路保護或斷路器拒運)將使全部支路停運，即停電范圍為該母線段的100%，且停電時間長;若為母線自身損壞，須待母線修復之后才能恢復各支路運行。

四角形接線實質上是一種單環形接線，每個回路用2臺斷路器進行操作。該接線形式充分利用了每一回路的斷路器，任一組斷路器檢修(故障)不影響回路的連續運行，即任何一組斷路器故障時均能確保全廠1/2以上容量正常運行，系統可靠性高，操作方便、靈活，且我國水電系統對角形接線積累了較豐富的運行經驗，在已投運發電的大型水電站500 kV電氣主接線設計中，采用雙母線接線的數量最多，占48%;其次為采用一倍半接線和角形接線電站，占40%;單母線接線的電站占2%。

2.2 技術可靠性

2.2.1 全廠失電幾率比較

大渡河中下游電站群包括瀑布溝、深溪溝、枕頭壩、沙坪水電站，合計裝機容量達600萬kW，是川電外送和西電東送的主力電源，在華中電網占據十分重要的地位，該電站群的穩定運行和所創造的經濟效益是電網安全的重要考核指標。

深溪溝水電站作為該電站群的樞紐電站，其運行可靠性、安全性對供區的能源平衡起著非常重要的作用，能在上、下游事故情況下迅速反應，起著互為備用的作用，能縮小事故范圍、減少停電時間、降低經濟損失，故電站應選擇具有較高可靠性和運行靈活性的電氣主接線方案，應更好的滿足電力系統穩定和可靠性要求，以及對電廠機組運行方式的要求。

深溪溝主接線的單母線方案在前期枕頭壩線路未投入運行時，下列故障可能造成全廠失電的重大事故:

(1)至瀑布溝水電站輸出線路故障;

(2)至瀑布溝水電站輸出線路側斷路器故障;

(3)單母線本體故障;

(4)單母線YH故障。

下列故障可能造成主變壓器停電事故:

(1)主變側斷路器故障;

(2)至主變側分支母線故障。

深溪溝主接線的角形方案，在前期枕頭壩線路未投入運行時，只有瀑布溝水電站輸出線路發生故障，才可能造成全廠失電的重大事故;只有主變側分支母線發生故障，才可能造成主變壓器停電、兩臺機組停機事故。

由上述比較可以看出:角形接線造成全廠失電的幾率比單母線下降了300%，可靠性提高了3倍;造成主變壓器停電、兩臺機組停機的幾率下降了100%，可靠性提高了1倍。主接線由單母線改為角形接線，其任何一條進/出線均由原來的一臺斷路器連接改為兩臺斷路器連接，任何一臺斷路器的檢修或故障都不影響線路的持續運行。

采用角形接線方式，任何一組斷路器故障時均能確保全廠1/2以上容量正常運行;而單母線運行時，任何一臺斷路器的檢修或故障都將造成其相應的設備停電。

2.2.2 線路輸出負荷能力比較

隨著枕頭壩、沙坪水電站的投入運行，在大渡河中下游形成電站群以后，對各電站交換功率的能力又提出了更高的要求。

由主接線比較可知，單母線接線其任何一臺斷路器的檢修或故障都將造成其相應的設備停電，而深溪溝作為枕頭壩、沙坪水電站一個重要的輸出通道，設備的不可靠性將造成負荷送出通道阻塞或中斷，會造成枕頭壩及沙坪機組窩電乃至停機等事故發生;若瀑布溝四回送出線因冰凍等自然災害需要通過深溪溝承擔部分功率送出到沙坪至系統時，深溪溝的交換輸出能力就顯得更加重要。

根據目前的規劃，枕頭壩二級、沙坪一級水電站的負荷經過沙坪二級水電站往樂山輸出，而沙坪二級水電站預可研報告中擬采用的單母線接線方案也增加了運行的不可靠性，若出現深溪溝、沙坪二級出線回路同時故障的極端情況，將造成241萬kW電量無法送出，其經濟損失不可估量。

采用角形接線后，就電站本身設備而言，除增加區域電網的靈活性和可靠性外，還具有以下優點:

(1)對深溪溝而言，不會因至瀑深線側斷路器故障造成四臺機組或主變壓器側斷路器故障而導致兩臺機組無法送電的情況出現。

(2)枕頭壩、沙坪四級電站在沙坪二級負荷送出通道中斷或阻塞的情況下，其負荷可通過深溪溝升壓站至瀑布溝升壓站送出。

(3)增加深溪溝、枕頭壩、沙坪等下游水電站機組運行方式的可靠性。

(4)增加深溪溝、枕頭壩、沙坪等下游電網調度方式的靈活性。

(5)可為系統提供更多、可調度的備用機組，便于流域機組電量統一調度從而實現經濟效益最大化。

2.3 經濟比較

主接線采用角形接線方案將增加部分設備。根據合同價格，約增加1 000萬元左右的投資。按照10年回收期計算，每年分攤100萬元。深溪溝水電站裝機66萬kW，按上網電費0.3元計算，每年四臺機組只需滿負荷運行5 h，就能收回投資。

而當設備本身故障、造成全廠停電或2臺機組停電，如果在5 h或者10 h之內能夠恢復運行，則將與增加的投資持平;超過5 h或者10 h，將造成更大的經濟損失。

國內已投運的GIS設備由于氣體泄露或微量水分超標、斷路器本體及主母線設備內部發生故障，要在短時間內恢復設備的正常運行幾乎是不可能的，其造成相應設備停電的時間將遠遠大于5 h或10 h。三峽電廠、二灘電廠都發生過GIS氣隔漏氣;龍灘電廠GIS自投運以來，已停電更換了80多個密度繼電器，這些故障在GIS設備運行過程中時常發生，故障處理時間均較長。因此，采用角形接線，減小因設備故障停運造成的經濟損失是非常有利的，也有利于大渡河中下游電站群負荷的靈活分配，增大其輸送電量的能力。

2.4 實際應用中的優勢

2011年1月5日，瀑布溝至東坡變電站550 kV輸電線路布坡一、二、三、四線均因冰雪雨凍災害先后倒塔，送出線路全部中斷，導致瀑布溝、深溪溝全廠停電。1月6日，經省電力公司全力搶修，瀑坡三、四線相繼投入運行。深溪溝電站隨即開機發電并網，在合斷路器進行環網操作時，一臺斷路器瞬間跳閘并伴有弧光產生，現場對懷疑出現故障的設備的SF6氣體做成份分析時發現2B主變側電磁式電壓互感器因鐵磁諧振過電壓擊穿燒毀，需返廠重新制作更換，估計耗時30余天。此時，四角形接線方式較單母線接線方式的經濟效益優勢凸顯。因采用四角形接線方案，只需斷開與2B主變電壓互感器相關的斷路器，實行開環方式運行，在不影響機組正常發電的情況下等候更換該組電壓互感器。

由此可見，在本次事故中，因采用四角形接線方式，留下了足夠的時間搶修該組電壓互感器，同時又不影響機組的正常發電運行，從而避免了大量的經濟利益的損失。

3 結語

根據發電機-變壓器組合方式和500 kV側接線的技術和經濟比較，并綜合運行安全性、可靠性分析以及對枕頭壩、沙坪梯級水電站運行方式和負荷調度的靈活性、經濟型的闡述，采用角形接線，無論從深溪溝水電站的運行安全性、可靠性、經濟性，以及對枕頭壩、沙坪梯級水電站運行和調度的靈活性、安全性都十分有利，且更有利于區域電網的統一調度。