水電站與提水泵站結合布置條件下電氣主接線創新研究

楊志芳，崔 磊，范 鍇

（長江勘測規劃設計研究有限責任公司，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。黃金峽水庫為引漢濟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劃中的第一個開發梯級，工程以供水為主，兼顧發電、航運。樞紐工程建設內容包括大壩、泵站、水電站、升船機、魚道等建筑物，其中泵站安裝7 臺（6用1備）離心式水泵機組，單機容量1.8 萬kW，總裝機12.6 萬kW；水電站安裝3臺水輪發電機組，單機容量4.5萬kW，總裝機13.5萬kW［1］。

根據2012 年引漢濟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側采用單母線分段接線，電站發電機側擬為單元+擴大單元接線（1 臺63MVA 主變+1 臺120MVA主變），泵站電動機側擬為單母線分段接線（兩臺120MVA主變）的電氣主接線方案［2］。經過可研審查后將對該方案進行優化。

2013年，引漢濟渭工程泵站及電站接入電力系統方案重新獲批，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，根據重新批復的接入系統方案以及可研審查意見，在原可研推薦方案的基礎上，對黃金峽水利樞紐電氣主接線方案進行優化設計研究。

2 設計原則

黃金峽水利樞紐在引漢濟渭工程、漢江上游梯級開發工程中具有重要作用，其電氣主接線應滿足簡單清晰、安全可靠、靈活方便、經濟合理等要求。電氣主接線設計與工程規模、動能參數、電力系統、設備選型、總體布置等因素相關，設計方案應在全面技術經濟比較的基礎上確定［4-6］。

2.1 方案選擇

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

黃金峽水利樞紐的特點在于水電站和調水泵站的結合設置，泵站在完成調水任務前提下，電站利用剩余水能進行發電。在實際工程總體布置中，電站和泵站建筑物布置位置非常緊密，其中電站進水口和泵站進水口位于相同壩段，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。這樣的工程規模和總體布置，具備了泵站與電站聯合進行電氣主接線優化設計的條件，但目前水利水電工程中尚無大型泵站與水電站聯合進行電氣主接線設計的先例，沒有成熟的經驗供工程設計借鑒。因此，需要將優化設計研究與常規的獨立接線方式進行深入分析比選。

結合接入電力系統要求，高壓側110kV 出線3回，加上泵站和電站的進線回路數較多，110kV側電氣接線可以選擇單母線分段或雙母線兩種接線方案［5］。兩種方案經濟指標相近，雙母線方案的可靠性較高，運行方式靈活，因此高壓側110kV選擇雙母線接線方案［9］。低壓側（即電站發電機端和泵站電動機端）的電氣接線需要對獨立接線和聯合接線方式進行比較，因此電氣主接線比選方案分別按這兩種方式擬定。

2.2 獨立接線方式

獨立接線方式即電站發電機側、泵站電動機側分別采用兩站之間相互獨立的電氣主接線，電站或泵站的機組分別通過各站獨立的變壓器與高壓配電裝置相連。電站變壓器高、低壓側分別連接高壓配電裝置、發電機，發電機的電能通過電站變壓器送入電力系統。泵站變壓器高、低壓側分別連接高壓配電裝置、電動機，電力系統外來電源和發電機電源均通過泵站變壓器提供給電動機。

（1）電站發電機側接線。發電機側的接線方式有單元接線、擴大單元接線、聯合單元接線3種型式可選。單元接線可靠、靈活，故障影響范圍小，但會增加設備投資及場地布置。擴大單元接線減少主變壓器和高壓進線設備，節省了場地布置和設備投資，但主變壓器故障將影響2 臺機組，可靠性稍低。雖然聯合單元接線減少了高壓側斷路器，但增加了并聯母線和隔離開關及其布置場地，在變壓器故障發生的情況下通過操作另1 臺機組仍可運行，但主變壓器仍會增加空載損耗。綜合考慮可靠性、經濟性和工程規模，發電機側的接線采用擴大單元接線方式。由于電站裝設3 臺發電機，發電機側采用1個單元接線、1個擴大單元接線［10-12］。

（2）泵站電動機側接線。泵站電動機側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、運行靈活以及裝機臺數多等方面考慮，選擇單母線分段接線方式是合適的。結合電動機數量，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。正常運行方式下，每段母線獨立運行，由各段母線對應的變壓器供電；故障時，相鄰段變壓器提供備用電源。分為兩段時，兩段母線分別帶4 臺、3 臺電動機；分為3 段時，3段母線分別帶3臺、1臺、3臺電動機。

（3）接線方案。①方案1：電站3 臺發電機采用1個單元接線和1個擴大單元接線，泵站7臺電動機采用單母線分兩段接線，兩段母線分別連接3、4 臺電動機，電站和泵站各設2臺主變壓器，共4臺主變壓器。主變壓器容量按照所帶發電機、電動機的容量進行配置，分別為55，110，120 MVA 和120 MVA。110 kV側電氣接線為雙母線接線。②方案2：電站3臺發電機接線同方案1，采用1個單元接線和1個擴大單元接線，泵站7 臺電動機采用單母線分3 段接線，3段母線分別連接3臺、1臺、3臺電動機，電站和泵站各設2 臺、3 臺主變壓器，共設5 臺主變壓器。主變壓器容量分別為55，110，63，63 MVA 和63 MVA。110 kV側電氣接線為雙母線接線。

2.3 聯合接線方式

在聯合接線方式中，發電機、電動機機端直接連接，按照發電機臺數適當分段后，再分別通過共用變壓器與高壓配電裝置相連。

發電機端采用單元接線型式，在發電機和主變壓器之間裝設發電機斷路器，每臺發電機端分別引出一段母線，形成3段發電機機端電壓母線，每段發電機母線上直接連接數臺水泵電動機，3 段母線之間均采用分段斷路器連接。正常運行時，每段母線獨立運行；發生故障時，相鄰段母線提供備用電源。這種組合方式，發電機無需通過變壓器就可直接向電動機提供電源，且在發電機電能有剩余或者不足時，通過變壓器與電力系統交換電能。

根據每臺發電機母線上連接水泵電動機臺數的不同，擬定以下兩個接線方案：①方案3：發電機和變壓器采用單元接線，每臺發電機端分別引出一段母線，形成3 段發電機電壓母線，3 段發電機電壓母線分別連接3 臺、1 臺、3 臺水泵電動機。電站和泵站共設3 臺主變壓器，每臺主變壓器容量均為63MVA。110 kV 側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 段發電機電壓母線分別連接2臺、3臺、2臺水泵電動機，電站和泵站共設3 臺主變壓器，每臺主變壓器容量均按帶4 臺電動機運行的容量配置為80MVA。110kV 側電氣接線為雙母線接線。

各方案接線示意見圖1。

3 技術經濟比較

3.1 技術比較

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，均能滿足安全穩定運行的要求。對于電站，方案3 和方案4 的發電機組均統一采用單元接線，相較于方案1 和方案2 的擴大單元接線，可靠性和靈活性高。對于泵站，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，下面重點對這2個方面進行比較。

（1）泵站供電可靠性。方案1 和方案2 泵站的外來電源和發電機電源均引至變壓器的高壓側，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，發電機電源不通過變壓器就直接供給水泵，即使所有變壓器故障，仍可由發電機提供電源，因此，方案3和方案4的供電可靠性更高。

（2）泵站運行靈活性。方案1 中，當1 臺主變退出運行時，通過切換不影響水泵運行；當2臺主變退出運行時，全部水泵停運。方案2中，當1臺主變退出運行時，通過切換不影響水泵運行；當2臺或3臺主變退出運行時，3臺或全部水泵停運。方案3和方案4 中任何1 臺主變退出運行時，均可通過切換發電機電源，不影響水泵運行。因此，方案3 和方案4的運行靈活性更高。

3.2 經濟比較

（1）工程投資。方案1 和方案2 的110 kV 進線回路數較多、變壓器數量多且容量大，增加了電氣設備投資及布置場地費用。方案1 與方案2 比較，方案1 發電機端短路電流較大，電氣設備選擇較困難、價格較高，方案2 電動機母線分段多、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進線回路數較少、變壓器數量少且容量較小，電氣設備及布置場地較少，節省了工程投資。方案3與方案4比較，方案4變壓器容量較大、機端短路電流較大，設備投資高、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 的獨立接線方式使得水泵電動機在利用發電機電能的時候，必須通過兩臺變壓器進行傳輸，發電、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的發電機、電動機的機端母線直接相連，使得發電、用電傳輸過程中的損耗降到最低。

近年來，隨著國家節能環保政策和措施的推進，水利水電工程也在開展節能降耗分析和評估，研究采取各種節能降耗措施以節約現有能源消耗量，提高節能環保效率，實現可持續發展。水電站能耗水平分析計算顯示，雖然水電站廠用電設備較少、能耗指標低、能源利用效率高，但主變壓器能耗在廠用電能耗指標中占比最大，一般為整個工藝生產系統能耗的60%左右、主要生產性設備能耗的80%以上［14］。如果變壓器損耗能降低，即使降低1%，每年可節約的電能也是顯著的。以方案3的變壓器總容量為基準，方案1、方案2 和方案4 的變壓器總容量分別是方案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

4種方案的技術經濟比較見表1。

綜上所述，4 種方案均滿足電氣主接線設計的基本要求，其中方案3 和方案4 采用聯合接線方式較好地結合了工程總體布置特點，同時，電站統一采用單元接線，可靠性較高。發電機和電動機端直接連接，發電機供給水泵電動機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；系統外來電源和發電機電源相互切換，提高了電站和泵站的運行靈活性；統一變壓器、發電機電壓設備型式，有利于運行維護；合理減少電氣設備的數量、容量，降低了投資、占地以及能耗指標，符合節能環保、持續發展的要求。方案3 和方案4 在技術方面和經濟方面均明顯優于采用獨立接線方式的方案1和方案2，因此，推薦聯合接線方式。

表1 電氣主接線設計方案

進一步比較方案3和方案4，方案4設備投資較高、選型難度較大，故選擇方案3，即優化設計方案采用采用聯合接線方式，3 段發電機電壓母線為單母分段接線，分別連接3 臺、1 臺、3 臺水泵電動機，每段母線設1 臺電站和泵站共用主變壓器（容量均為63MVA）。110kV 側為雙母線接線。采用3 回110kV線路接入電力系統。

4 結 語

在與常規獨立接線方案進行技術經濟比較的基礎上，結合黃金峽水利樞紐電氣主接線的工程實際特點，采用電站和泵站聯合接線方式的優化方案，提高了電氣主接線的供電可靠性、運行靈活性、經濟合理性和運維便利性。優化方案新穎獨特，首次應用于水利水電工程，目前已通過了引漢濟渭工程初步設計審查，可為類似水利樞紐工程電氣主接線設計提供經驗。