深溪沟水电站电气主接线设计

刘荣明

(中国水电顾问集团成都勘测设计研究院，四川 成都 610072)

1 前 言

深溪沟水电站位于四川省大渡河中游汉源县和甘洛县接壤部，为大渡河干流规划的第十八级电站，其上一梯级为瀑布沟水电站，下一级为在建的枕头坝水电站。电站接瀑布沟水电站尾水，主要任务是发电；配合瀑布沟水电站的运行方式，深溪沟水电站相应承担腰荷和调峰运行任务。电站所发电能送入四川省电网。

电站为河床式厂房，坝顶高程662.50m，装设4台轴流转桨式水轮发电机组，单机容量为165MW。电站以500kV电压等级接入电力系统。电站多年平均年发电量32.35亿kW·h，年利用小时数4 800h。

工程于2006年3月22日正式开工，首台机组于2010年6月发电运行，第2台机组于2010年11月发电运行，计划于2011年7月全部机组发电运行。

2 可研阶段电气主接线设计

2.1 电站接入系统

深溪沟水电站没有近区供电负荷，电站与瀑布沟水电站关系密切，根据华中电网有限公司“深溪沟水电站接入系统设计评审意见的通知”，电站接入电力系统方案为深溪沟水电站以500kV一级电压接入系统，采用1回500kV出线接至瀑布沟水电站，与瀑布沟水电站作为一组电源以4回500kV线路送四川电网主网。

系统对电站有关电气设备及其参数的要求：500kV出线2回，其中1回接入瀑布沟水电站，备用1回；短路电流水平按50kA考虑；主变电压抽头为550-2×2.5% kV；发电机组额定功率因数按0.9考虑，并应具备功率因数-0.9进相运行的能力。

2.2 电气主接线设计方案

2.2.1 发电机-变压器组接线

根据电站的装机容量和台数以及接入电力系统的要求，发电机-变压器的组合方式有单元接线、扩大单元接线、联合单元接线三种方式。同时考虑到本电站在电力系统中主要承担腰荷并参与部分调峰运行，为适应机组的频繁开、停机操作，增加电厂运行调度的灵活性，推荐在发电机出口装设发电机断路器。

技术经济比较表明，单元接线方案简单可靠，运行灵活，但主变压器数量和500kV侧设备数量较多；联合单元接线方案的可靠性与单元接线接近，运行灵活性比单元接线差，但节省了部分500kV设备；扩大单元接线的可靠性和灵活性比前两个方案均略差，但仅装设2台主变压器且500kV设备数量最少。根据负荷预测资料和电网的发展情况，发电机-变压器的组合方式的三种接线方案均能满足电气主接线可靠性和灵活性的要求。此外，本电站主变压器、开关站和副厂房均布置在主厂房下游，场地紧张，采用扩大单元接线能节省变压器布置场地。

综合考虑电气主接线的可靠性、运行灵活性、经济性、主变布置场地以及节约电站投资等因素，可研阶段设计推荐采用扩大单元接线方案作为发电机-变压器组合方式。

2.2.2 高压500kV侧接线

在可研阶段，深溪沟水电站500kV接线方案拟定了桥形接线、单母线接线和四角形接线三个方案进行比较。考虑到备用出线回路将作为枕头坝水电站的接入点，枕头坝水电站的发电量经过深溪沟水电站送入系统，因此深溪沟水电站500kV侧为三进一出，从技术经济角度出发采用单母线接线即可满足可靠性的要求，也便于今后枕头坝水电站的接入，因此推荐500kV侧的接线为单母线接线。根据厂房布置条件500kV电压选用GIS设备。

2.3 电气主接线方案审查意见

本电站以500kV一级电压1回出线通过瀑布沟开关站接入电力系统，另备用1回是可行的。

基本同意发电机-变压器采用扩大单元接线、发电机出口设断路器，下阶段应考虑变压器的运输条件、发电机参数选择、发电机断路器性能等因素，进一步优化发电机-变压器组合方式。同意500kV变压器高压侧采用单母线接线。

同意500kV高压配电装置选用GIS布置在主厂房下游侧主变压器室上层的方案，同意主变器结构型式采用三相组合式。

3 技施阶段电气主接线设计

3.1 电站接入系统方式

3.1.1 接入系统调整变化情况

根据2008年6月26日西南电力设计院系统规划中心提供的“枕头坝、沙坪梯级电站初步输电方案及其与瀑布沟、深溪沟电站关系资料”的内容，电站近区供电及供电范围没有发生变化。因深溪沟下游梯级电站规划调整，枕头坝、沙坪水电站开发方式和装机容量均有较大的变化，故对深溪沟、枕头坝、沙坪等梯级电站的送出方式进行了相应的调整。

根据深溪沟水电站可研设计阶段的接入系统审查意见，该电站留有一个进线间隔，主要预留给下游衔接梯级(枕头坝电站、沙坪电站)的送出。根据下游梯级电站规划的最新情况，枕头坝、沙坪电站各按两级电站设计，各级电站装机容量有较大的提高。确定枕头坝一级、二级和沙坪一级、二级电站装机容量分别为720MW、240MW、440MW、350MW，容量合计达1 750MW。

按西南电力设计院对枕头坝、沙坪梯级电站输电系统规划设计工作，结合系统需要、接入落点条件、输电走廊限制等因素，考虑枕头坝、沙坪梯级电站均以500kV电压等级出线，深溪沟电站接入系统为500kV出线2回，其中一回接入瀑布沟水电站，另一回接入下游的枕头坝一级水电站。

3.1.2 系统对深溪沟水电站有关电气参数的要求

(1)500kV出线2回，其中一回接入瀑布沟水电站，另一回接入下游的枕头坝一级水电站。

(2)输送导线截面：深溪沟至瀑布沟500kV出线建议采用4×400mm2。

(3)发电机：

额定功率 4×16.5万kW

功率因数 0.90(滞后)

发额定有功时进相能力 0.95(超前)

次暂态电抗Xd″ 0.2

惯性时间常数Tj≥9.0s

(4)主变压器：

额定电压 高压550-2×2.5%kV

中性点接地方式 直接接地

阻抗电压 3%～15%

3.2 电气主接线设计

3.2.1 电气主接线的调整设计原则

由于本电站汇集了下游枕头坝、沙坪电站合计1 750MW容量，加上本电站660MW共2 410MW容量，作为川电外送和西电东送的主力电源，对供区的电力平衡起着较为重要的作用，所以应选择具有较高可靠性和运行灵活性的电气主接线方案。

电气主接线的设计应满足电力系统稳定和可靠性的要求，以及对电厂机组运行方式的要求，原则上应不造成水库大量弃水而严重影响电厂效益和安全运行；同时应满足供电可靠、运行灵活、检修方便、接线简单、便于实现自动化且经济合理等要求。根据本电站在系统中的重要地位，按以下具体原则拟定电气主接线方案：

(1)由于下游枕头坝、沙坪梯级电站容量穿越本电站送出，正常情况下包括本电站的容量经1回500kV线路通过瀑布沟电站送入系统，本电站电气主接线应考虑尽量保证穿越功率和本电站容量送出的可靠性，并应满足系统稳定运行要求。

(2)在任意一台高压断路器或一段母线检修时，不影响连续供电。发电机出口断路器可以与机组同时检修。

(3)接线简单，调度灵活，运行维护方便；满足电站各种运行方式的操作要求。

(4)继电保护及控制、信号回路可靠，保护装置维护不影响正常运行。

(5)在满足系统稳定性、运行可靠和灵活性要求的条件下，尽量简化引出线设备和开关站的规模，减少土建工程量和电气设备投资以及电能损耗。

3.2.2 发电机-变压器组合方式论证

根据深溪沟水电站可研设计报告的审查意见，要求本阶段结合主变压器的运输条件及发电机参数选择，进一步优化发电机-变压器的组合方式。

对于单元接线、联合单元接线和扩大单元接线，除接线可靠性和运行灵活性外，其方案选择还应结合主变压器的参数和型式选择进行论证。根据本电站装机容量，单元接线和联合单元接线方案中主变压器共4台，单台容量为185MVA；扩大单元接线主变压器共2台，单台容量为375MVA。

对于185MVA、500kV的升压变压器，若采用常规三相变压器，整体运输重量约145t；若采用组合式三相变压器或单相变压器组，单相运输重量约65t。对于375MVA、500kV的升压变压器，若采用常规三相变压器，整体运输重量约230t，若采用组合式三相变压器或单相变压器组，单相运输重量约110t。

可见，本电站若采用185MVA整体三相变压器或375MVA整体三相变压器，其运输重量均将超过水轮机转轮而成为电站最重运输件，且因整体三相变压器尺寸较大、重量较重，无法通过现有公路运输到现场，故本电站不宜采用整体三相变压器。即无论采用单元接线、联合单元接线或扩大单元接线，变压器均须采用特殊组合式三相变压器或单相变压器组。在考虑了布置场地要求等条件，本电站只能采用特殊组合式三相变压器。

由于本电站主变压器只能采用特殊组合式三相变压器，结合现有运输条件和厂房布置条件分析，与采用扩大单元接线相比，采用单元接线和联合单元接线方案存在以下不利因素：

(1)因500kV GIS进线间隔较为分散导致GIS设备母线较长，将增加500kV GIS设备的投资；

(2)变压器布置场地较大，尾水四个机组段均需用作变压器布置，需要另找场地布置电站副厂房，并增加额外的开挖量；

(3)增大了主变压器的运行损耗；

(4)采用单元接线或联合单元接线，变压器数量为4台，总投资约为8 000万元；采用扩大单元接线时变压器数量为2台，总投资约为6 500万元，比单元接线和联合单元接线节省投资约1 500万元。

综合设备投资经济性、主变运输条件和布置场地比较，在不考虑500kV设备投资的情况下，采用扩大单元接线可节省布置场地和土建工程量，能满足运输条件限制，并节省电气设备投资。考虑到三种接线方案均能满足对深溪沟水电站电气主接线可靠性和灵活性的要求，故在技施阶段发电机-变压器组合方式仍维持采用扩大单元接线方案。

3.2.3 高压500kV侧接线方案论证

3.2.3.1 高压500kV侧接线方案拟定

由于本电站已经完成土建招标，500kV GIS设备的布置场地已基本确定位置及尺寸，因此电气主接线的调整设计应在维持电站枢纽布置格局不变的基础上对500kV侧接线方案进行技术经济比较及论证，以确定500kV侧接线方案及500kV GIS设备的最终设计。

本电站500kV侧接线可采用四角形接线、双母线接线或采用单母线接线。故拟定这三个方案进行技术经济比较。详见表1和图1。

3.2.3.2 接线方案技术比较

在控制保护系统方面三个方案的差异为：四角形接线需配置4面线路小区保护屏和4面500kV断路器保护屏；双母线接线需要配置2面母线保护屏；单母线接线需要配置2面母线保护屏。四角形接线的控制保护接线相对较复杂，设备数量略多。

图1 500kV侧接线方案

方案四角形接线(方案一)双母线接线(方案二)单母线接线(方案三)优点1.接线清晰;2.500kV侧4组断路器形成闭合环形;3. 每一进/出线回路接两台断路器,任意一台断路器故障或检修均不影响回路连续供电,可靠性较高1.接线清晰;2.500kV侧断路器各自对应一个进/出线回路,互不影响;3.一组母线及所连接设备故障或检修,不影响另一组母线供电1.接线简单清晰,继电保护简单;2.500kV侧断路器各自对应一个进/出线回路,互不影响;3.设备布置简单清晰,布置场地省;4.操作方便缺点1.继电保护相对而言比较复杂,保护接线复杂;2.任意一组断路器故障或检修,都成开环运行;3.设备布置场地较方案二和方案三略大1.一段母线故障将造成连接在该段母线上的回路短时停电,经切换操作后才能恢复供电;2.母联断路器故障将导致全厂停电;3.断路器检修或故障将导致对应回路停电;4.高压断路器及隔离开关数量多1. 母线故障将造成全厂停电;2.断路器检修或故障将导致对应回路停电,可靠性较低

表2 各电气主接线方案经济比较 万元

根据以上技术比较，选择方案一的四角形接线可靠性和供电连续性较好，但高压电器元件数量略多，高压设备布置较复杂，控制保护设备数量增加、接线复杂。单母线接线设备数量略少，布置方便，但供电可靠性和连续性略差。

3.2.3.3 接线方案经济比较(见表2)

表2表明，从设备投资估算看，方案二双母线接线的设备投资费、设备折旧和维修费用是几个方案中最高的，方案三单母线接线的各项费用最低，方案一的四角形接线设备投资费、设备折旧和维修费用略高于方案三，但低于方案二。而方案一供电可靠性高，操作方便、运行灵活，选择方案一的四角形接线较为合理。

3.2.3.4 接线方案可靠性分析

(1)可靠性计算成果

①各接线方案最大运行方式下供电连续性和供电充裕度指标见表3。

②各接线方案计及水能情况下供电连续性和供电充裕度指标见表4。

(2)可靠性分析

综合以上的分类列表比较可以得出以下结论：

①供电连续性：在发电机-变压器组合方式相同的情况下，各方案的差异不大。相比较而言，方案一(四角形接线)的供电连续性较好，方案三(单母线接线)的供电连续性略差。

②供电充裕度(综合可靠性指标)：在发电机-变压器组合方式相同的情况下，方案一(四角形接线)的供电充裕度比方案二(双母线接线)、方案三(单母线接线)的供电充裕度略好。

表3 各接线方案最大运行方式下供电连续性和充裕度指标

表4 各接线方案计及水能情况下供电连续性和充裕度指标

③安全性指标：在发电机-变压器组合方式相同的情况下，方案二(双母线接线)发生多台机组解列或出线失去电源的概率或频率均比方案一(四角形接线)高。这是因为双母线接线中每一进/出线只连接一个断路器，当母线或某一个断路器发生故障时，将会跳掉对应母线上的所有断路器。而四角形接线中一个进/出线对应有2组个断路器，当一个断路器断开后仍可保证供电。

经可靠性计算分析，方案一(四角形接线)较好，作为推荐方案。

3.3 高压500kV GIS设备布置方案选择

根据技术经济和可靠性计算比较，四角形接线方案较优，即选择四角形接线进行布置。500kV高压配电装置均按GIS布置在主厂房下游侧主变压器室上层，对已确定的500kV GIS室布置位置及尺寸进行3个方案的布置比较。

方案一：将500kV GIS设备全部布置在GIS室，将断路器采用横向单列布置。该布置方案500kV GIS设备总体布置排列整齐、清晰，便于操作、维护运行。500kV GIS母线长度约345m。

方案二：将500kV GIS设备全部布置在GIS室，将断路器采用横向2列布置。该布置方案500kV GIS设备总体布置排列较整齐、清晰，500kV GIS母线长度约为330m。但是因占地较宽导致GIS室内设备布置较拥挤，对断路器相间距离有一定限制，不便于操作、维护运行。

方案三：将500kV GIS设备分2层布置，一层仅布置进线与相邻出线回路断路器的连接母线，与GIS设备下层电缆室的电缆混合布置；一层布置500kV GIS断路器等主要设备，将断路器采用纵向单列布置。该方案在GIS层内设备排列较整齐、布置空间比方案一和方案二约宽敞，但500kV GIS母线长度约365m。因500kV GIS设备分在2层布置，不便于操作、巡视和运行维护，总体布置较分散。

经几个方案布置比较可见，方案一和方案三的GIS母线长度略长，方案二的母线最短。经济上三个方案无大的差别，方案一和方案三比方案二约贵30～60万元。综合技术经济比较，方案二布置略差，方案三布置差，但均满足本工程要求。经过分析论证选择布置方案一，该方案总体布置排列整齐、清晰，便于操作、维护运行，满足施工进度要求。

4 小 结

深溪沟水电站汇集了几个电站的容量，与瀑布沟水电站协调运行，需参与系统调峰，机组起停频繁，在系统中占据较重要的地位，因此本电站电气主接线设计方案足应着重保证本电站和下游梯级电站及电力系统的安全可靠、运行灵活。随着500kV GIS设备国产化进程的加快，设备价格呈现下降趋势，且与可研阶段的设备价格相比有较大幅度的下降，经综合论证比较，为提高供电可靠性和连续性，推荐方案一的四角形接线为深溪沟水电站电气主接线方案。该电站已于2010年6月投运，运行良好。