深溪溝水電站電氣主接線設計

劉榮明

(中國水電顧問集團成都勘測設計研究院，四川 成都 610072)

1 前 言

深溪溝水電站位于四川省大渡河中游漢源縣和甘洛縣接壤部，為大渡河干流規劃的第十八級電站，其上一梯級為瀑布溝水電站，下一級為在建的枕頭壩水電站。電站接瀑布溝水電站尾水，主要任務是發電；配合瀑布溝水電站的運行方式，深溪溝水電站相應承擔腰荷和調峰運行任務。電站所發電能送入四川省電網。

電站為河床式廠房，壩頂高程662.50m，裝設4臺軸流轉槳式水輪發電機組，單機容量為165MW。電站以500kV電壓等級接入電力系統。電站多年平均年發電量32.35億kW·h，年利用小時數4 800h。

工程于2006年3月22日正式開工，首臺機組于2010年6月發電運行，第2臺機組于2010年11月發電運行，計劃于2011年7月全部機組發電運行。

2 可研階段電氣主接線設計

2.1 電站接入系統

深溪溝水電站沒有近區供電負荷，電站與瀑布溝水電站關系密切，根據華中電網有限公司“深溪溝水電站接入系統設計評審意見的通知”，電站接入電力系統方案為深溪溝水電站以500kV一級電壓接入系統，采用1回500kV出線接至瀑布溝水電站，與瀑布溝水電站作為一組電源以4回500kV線路送四川電網主網。

系統對電站有關電氣設備及其參數的要求：500kV出線2回，其中1回接入瀑布溝水電站，備用1回；短路電流水平按50kA考慮；主變電壓抽頭為550-2×2.5% kV；發電機組額定功率因數按0.9考慮，并應具備功率因數-0.9進相運行的能力。

2.2 電氣主接線設計方案

2.2.1 發電機-變壓器組接線

根據電站的裝機容量和臺數以及接入電力系統的要求，發電機-變壓器的組合方式有單元接線、擴大單元接線、聯合單元接線三種方式。同時考慮到本電站在電力系統中主要承擔腰荷并參與部分調峰運行，為適應機組的頻繁開、停機操作，增加電廠運行調度的靈活性，推薦在發電機出口裝設發電機斷路器。

技術經濟比較表明，單元接線方案簡單可靠，運行靈活，但主變壓器數量和500kV側設備數量較多；聯合單元接線方案的可靠性與單元接線接近，運行靈活性比單元接線差，但節省了部分500kV設備；擴大單元接線的可靠性和靈活性比前兩個方案均略差，但僅裝設2臺主變壓器且500kV設備數量最少。根據負荷預測資料和電網的發展情況，發電機-變壓器的組合方式的三種接線方案均能滿足電氣主接線可靠性和靈活性的要求。此外，本電站主變壓器、開關站和副廠房均布置在主廠房下游，場地緊張，采用擴大單元接線能節省變壓器布置場地。

綜合考慮電氣主接線的可靠性、運行靈活性、經濟性、主變布置場地以及節約電站投資等因素，可研階段設計推薦采用擴大單元接線方案作為發電機-變壓器組合方式。

2.2.2 高壓500kV側接線

在可研階段，深溪溝水電站500kV接線方案擬定了橋形接線、單母線接線和四角形接線三個方案進行比較。考慮到備用出線回路將作為枕頭壩水電站的接入點，枕頭壩水電站的發電量經過深溪溝水電站送入系統，因此深溪溝水電站500kV側為三進一出，從技術經濟角度出發采用單母線接線即可滿足可靠性的要求，也便于今后枕頭壩水電站的接入，因此推薦500kV側的接線為單母線接線。根據廠房布置條件500kV電壓選用GIS設備。

2.3 電氣主接線方案審查意見

本電站以500kV一級電壓1回出線通過瀑布溝開關站接入電力系統，另備用1回是可行的。

基本同意發電機-變壓器采用擴大單元接線、發電機出口設斷路器，下階段應考慮變壓器的運輸條件、發電機參數選擇、發電機斷路器性能等因素，進一步優化發電機-變壓器組合方式。同意500kV變壓器高壓側采用單母線接線。

同意500kV高壓配電裝置選用GIS布置在主廠房下游側主變壓器室上層的方案，同意主變器結構型式采用三相組合式。

3 技施階段電氣主接線設計

3.1 電站接入系統方式

3.1.1 接入系統調整變化情況

根據2008年6月26日西南電力設計院系統規劃中心提供的“枕頭壩、沙坪梯級電站初步輸電方案及其與瀑布溝、深溪溝電站關系資料”的內容，電站近區供電及供電范圍沒有發生變化。因深溪溝下游梯級電站規劃調整，枕頭壩、沙坪水電站開發方式和裝機容量均有較大的變化，故對深溪溝、枕頭壩、沙坪等梯級電站的送出方式進行了相應的調整。

根據深溪溝水電站可研設計階段的接入系統審查意見，該電站留有一個進線間隔，主要預留給下游銜接梯級(枕頭壩電站、沙坪電站)的送出。根據下游梯級電站規劃的最新情況，枕頭壩、沙坪電站各按兩級電站設計，各級電站裝機容量有較大的提高。確定枕頭壩一級、二級和沙坪一級、二級電站裝機容量分別為720MW、240MW、440MW、350MW，容量合計達1 750MW。

按西南電力設計院對枕頭壩、沙坪梯級電站輸電系統規劃設計工作，結合系統需要、接入落點條件、輸電走廊限制等因素，考慮枕頭壩、沙坪梯級電站均以500kV電壓等級出線，深溪溝電站接入系統為500kV出線2回，其中一回接入瀑布溝水電站，另一回接入下游的枕頭壩一級水電站。

3.1.2 系統對深溪溝水電站有關電氣參數的要求

(1)500kV出線2回，其中一回接入瀑布溝水電站，另一回接入下游的枕頭壩一級水電站。

(2)輸送導線截面：深溪溝至瀑布溝500kV出線建議采用4×400mm2。

(3)發電機：

額定功率 4×16.5萬kW

功率因數 0.90(滯后)

發額定有功時進相能力 0.95(超前)

次暫態電抗Xd″ 0.2

慣性時間常數Tj≥9.0s

(4)主變壓器：

額定電壓 高壓550-2×2.5%kV

中性點接地方式 直接接地

阻抗電壓 3%～15%

3.2 電氣主接線設計

3.2.1 電氣主接線的調整設計原則

由于本電站匯集了下游枕頭壩、沙坪電站合計1 750MW容量，加上本電站660MW共2 410MW容量，作為川電外送和西電東送的主力電源，對供區的電力平衡起著較為重要的作用，所以應選擇具有較高可靠性和運行靈活性的電氣主接線方案。

電氣主接線的設計應滿足電力系統穩定和可靠性的要求，以及對電廠機組運行方式的要求，原則上應不造成水庫大量棄水而嚴重影響電廠效益和安全運行；同時應滿足供電可靠、運行靈活、檢修方便、接線簡單、便于實現自動化且經濟合理等要求。根據本電站在系統中的重要地位，按以下具體原則擬定電氣主接線方案：

(1)由于下游枕頭壩、沙坪梯級電站容量穿越本電站送出，正常情況下包括本電站的容量經1回500kV線路通過瀑布溝電站送入系統，本電站電氣主接線應考慮盡量保證穿越功率和本電站容量送出的可靠性，并應滿足系統穩定運行要求。

(2)在任意一臺高壓斷路器或一段母線檢修時，不影響連續供電。發電機出口斷路器可以與機組同時檢修。

(3)接線簡單，調度靈活，運行維護方便；滿足電站各種運行方式的操作要求。

(4)繼電保護及控制、信號回路可靠，保護裝置維護不影響正常運行。

(5)在滿足系統穩定性、運行可靠和靈活性要求的條件下，盡量簡化引出線設備和開關站的規模，減少土建工程量和電氣設備投資以及電能損耗。

3.2.2 發電機-變壓器組合方式論證

根據深溪溝水電站可研設計報告的審查意見，要求本階段結合主變壓器的運輸條件及發電機參數選擇，進一步優化發電機-變壓器的組合方式。

對于單元接線、聯合單元接線和擴大單元接線，除接線可靠性和運行靈活性外，其方案選擇還應結合主變壓器的參數和型式選擇進行論證。根據本電站裝機容量，單元接線和聯合單元接線方案中主變壓器共4臺，單臺容量為185MVA；擴大單元接線主變壓器共2臺，單臺容量為375MVA。

對于185MVA、500kV的升壓變壓器，若采用常規三相變壓器，整體運輸重量約145t；若采用組合式三相變壓器或單相變壓器組，單相運輸重量約65t。對于375MVA、500kV的升壓變壓器，若采用常規三相變壓器，整體運輸重量約230t，若采用組合式三相變壓器或單相變壓器組，單相運輸重量約110t。

可見，本電站若采用185MVA整體三相變壓器或375MVA整體三相變壓器，其運輸重量均將超過水輪機轉輪而成為電站最重運輸件，且因整體三相變壓器尺寸較大、重量較重，無法通過現有公路運輸到現場，故本電站不宜采用整體三相變壓器。即無論采用單元接線、聯合單元接線或擴大單元接線，變壓器均須采用特殊組合式三相變壓器或單相變壓器組。在考慮了布置場地要求等條件，本電站只能采用特殊組合式三相變壓器。

由于本電站主變壓器只能采用特殊組合式三相變壓器，結合現有運輸條件和廠房布置條件分析，與采用擴大單元接線相比，采用單元接線和聯合單元接線方案存在以下不利因素：

(1)因500kV GIS進線間隔較為分散導致GIS設備母線較長，將增加500kV GIS設備的投資；

(2)變壓器布置場地較大，尾水四個機組段均需用作變壓器布置，需要另找場地布置電站副廠房，并增加額外的開挖量；

(3)增大了主變壓器的運行損耗；

(4)采用單元接線或聯合單元接線，變壓器數量為4臺，總投資約為8 000萬元；采用擴大單元接線時變壓器數量為2臺，總投資約為6 500萬元，比單元接線和聯合單元接線節省投資約1 500萬元。

綜合設備投資經濟性、主變運輸條件和布置場地比較，在不考慮500kV設備投資的情況下，采用擴大單元接線可節省布置場地和土建工程量，能滿足運輸條件限制，并節省電氣設備投資。考慮到三種接線方案均能滿足對深溪溝水電站電氣主接線可靠性和靈活性的要求，故在技施階段發電機-變壓器組合方式仍維持采用擴大單元接線方案。

3.2.3 高壓500kV側接線方案論證

3.2.3.1 高壓500kV側接線方案擬定

由于本電站已經完成土建招標，500kV GIS設備的布置場地已基本確定位置及尺寸，因此電氣主接線的調整設計應在維持電站樞紐布置格局不變的基礎上對500kV側接線方案進行技術經濟比較及論證，以確定500kV側接線方案及500kV GIS設備的最終設計。

本電站500kV側接線可采用四角形接線、雙母線接線或采用單母線接線。故擬定這三個方案進行技術經濟比較。詳見表1和圖1。

3.2.3.2 接線方案技術比較

在控制保護系統方面三個方案的差異為：四角形接線需配置4面線路小區保護屏和4面500kV斷路器保護屏；雙母線接線需要配置2面母線保護屏；單母線接線需要配置2面母線保護屏。四角形接線的控制保護接線相對較復雜，設備數量略多。

圖1 500kV側接線方案

方案四角形接線(方案一)雙母線接線(方案二)單母線接線(方案三)優點1.接線清晰;2.500kV側4組斷路器形成閉合環形;3. 每一進/出線回路接兩臺斷路器,任意一臺斷路器故障或檢修均不影響回路連續供電,可靠性較高1.接線清晰;2.500kV側斷路器各自對應一個進/出線回路,互不影響;3.一組母線及所連接設備故障或檢修,不影響另一組母線供電1.接線簡單清晰,繼電保護簡單;2.500kV側斷路器各自對應一個進/出線回路,互不影響;3.設備布置簡單清晰,布置場地省;4.操作方便缺點1.繼電保護相對而言比較復雜,保護接線復雜;2.任意一組斷路器故障或檢修,都成開環運行;3.設備布置場地較方案二和方案三略大1.一段母線故障將造成連接在該段母線上的回路短時停電,經切換操作后才能恢復供電;2.母聯斷路器故障將導致全廠停電;3.斷路器檢修或故障將導致對應回路停電;4.高壓斷路器及隔離開關數量多1. 母線故障將造成全廠停電;2.斷路器檢修或故障將導致對應回路停電,可靠性較低

表2 各電氣主接線方案經濟比較 萬元

根據以上技術比較，選擇方案一的四角形接線可靠性和供電連續性較好，但高壓電器元件數量略多，高壓設備布置較復雜，控制保護設備數量增加、接線復雜。單母線接線設備數量略少，布置方便，但供電可靠性和連續性略差。

3.2.3.3 接線方案經濟比較(見表2)

表2表明，從設備投資估算看，方案二雙母線接線的設備投資費、設備折舊和維修費用是幾個方案中最高的，方案三單母線接線的各項費用最低，方案一的四角形接線設備投資費、設備折舊和維修費用略高于方案三，但低于方案二。而方案一供電可靠性高，操作方便、運行靈活，選擇方案一的四角形接線較為合理。

3.2.3.4 接線方案可靠性分析

(1)可靠性計算成果

①各接線方案最大運行方式下供電連續性和供電充裕度指標見表3。

②各接線方案計及水能情況下供電連續性和供電充裕度指標見表4。

(2)可靠性分析

綜合以上的分類列表比較可以得出以下結論：

①供電連續性：在發電機-變壓器組合方式相同的情況下，各方案的差異不大。相比較而言，方案一(四角形接線)的供電連續性較好，方案三(單母線接線)的供電連續性略差。

②供電充裕度(綜合可靠性指標)：在發電機-變壓器組合方式相同的情況下，方案一(四角形接線)的供電充裕度比方案二(雙母線接線)、方案三(單母線接線)的供電充裕度略好。

表3 各接線方案最大運行方式下供電連續性和充裕度指標

表4 各接線方案計及水能情況下供電連續性和充裕度指標

③安全性指標：在發電機-變壓器組合方式相同的情況下，方案二(雙母線接線)發生多臺機組解列或出線失去電源的概率或頻率均比方案一(四角形接線)高。這是因為雙母線接線中每一進/出線只連接一個斷路器，當母線或某一個斷路器發生故障時，將會跳掉對應母線上的所有斷路器。而四角形接線中一個進/出線對應有2組個斷路器，當一個斷路器斷開后仍可保證供電。

經可靠性計算分析，方案一(四角形接線)較好，作為推薦方案。

3.3 高壓500kV GIS設備布置方案選擇

根據技術經濟和可靠性計算比較，四角形接線方案較優，即選擇四角形接線進行布置。500kV高壓配電裝置均按GIS布置在主廠房下游側主變壓器室上層，對已確定的500kV GIS室布置位置及尺寸進行3個方案的布置比較。

方案一：將500kV GIS設備全部布置在GIS室，將斷路器采用橫向單列布置。該布置方案500kV GIS設備總體布置排列整齊、清晰，便于操作、維護運行。500kV GIS母線長度約345m。

方案二：將500kV GIS設備全部布置在GIS室，將斷路器采用橫向2列布置。該布置方案500kV GIS設備總體布置排列較整齊、清晰，500kV GIS母線長度約為330m。但是因占地較寬導致GIS室內設備布置較擁擠，對斷路器相間距離有一定限制，不便于操作、維護運行。

方案三：將500kV GIS設備分2層布置，一層僅布置進線與相鄰出線回路斷路器的連接母線，與GIS設備下層電纜室的電纜混合布置；一層布置500kV GIS斷路器等主要設備，將斷路器采用縱向單列布置。該方案在GIS層內設備排列較整齊、布置空間比方案一和方案二約寬敞，但500kV GIS母線長度約365m。因500kV GIS設備分在2層布置，不便于操作、巡視和運行維護，總體布置較分散。

經幾個方案布置比較可見，方案一和方案三的GIS母線長度略長，方案二的母線最短。經濟上三個方案無大的差別，方案一和方案三比方案二約貴30～60萬元。綜合技術經濟比較，方案二布置略差，方案三布置差，但均滿足本工程要求。經過分析論證選擇布置方案一，該方案總體布置排列整齊、清晰，便于操作、維護運行，滿足施工進度要求。

4 小 結

深溪溝水電站匯集了幾個電站的容量，與瀑布溝水電站協調運行，需參與系統調峰，機組起停頻繁，在系統中占據較重要的地位，因此本電站電氣主接線設計方案足應著重保證本電站和下游梯級電站及電力系統的安全可靠、運行靈活。隨著500kV GIS設備國產化進程的加快，設備價格呈現下降趨勢，且與可研階段的設備價格相比有較大幅度的下降，經綜合論證比較，為提高供電可靠性和連續性，推薦方案一的四角形接線為深溪溝水電站電氣主接線方案。該電站已于2010年6月投運，運行良好。