灯泡贯流式机组水力发电厂接入系统与电气主接线的选择研究

卫 鹏

青海西部水电有限公司，青海西宁 810000

0 引言

近年来，灯泡贯流式机组水电厂的快速发展吸引了很多眼球，是我国水电建设项目领域内杀出的一匹黑马。随着灯泡贯流式机组水力发电厂内的机组台数不断增多，机组容量逐渐增大，在综合考虑安全性和经济性的前提下，研究大型灯泡贯流式机组水力发电厂的电气主接线的选择和接入系统方案早已是水电建设领域内机电设计方面的一个热门课题。与以往的立式轴流机组相比较，灯泡贯流式机组，尤其是卧式布置的贯流式水轮发电机组，在系统中运行稳定，每年提高发电效能约4%，还可以大幅度地节约电厂建设费用，达一成到两成的水平，所以，该项目的经济效益优势非常突出。

1 水电站原电气主接线设计方案

1.1 S 水力发电厂的建设背景

大型灯泡贯流式机组S 水力发电厂地处M 河的下游河段，归属L 市S 县管辖。整个水力水电厂采用低坝河床式开发方式，初拟正常蓄水水位335m，利用落差17m，装机容量240MW，装机年利用小时数4360h，具备日调节能力。电厂内安装有4 台单机容量为56MW 的灯泡贯流式水轮发电机组，该发电厂总装机容量240MW。

1.2 发电机与变压器的组合方式

在目前的灯泡贯流式机组水力发电厂中主要有三种接线方式，分别是单元接线、联合单元接线和扩大单元接线。其中，根据断路器安装不同，又可将联合单元接线方式分为两类：在主变高压侧装高压断路器的方式和在主变低压侧(发电机出口)装发电机断路器的方式。下面就各种组合接线方式的优势和劣势进行分析评比。

采用联合单元接线方式，可以减少高压进线回路，能够降低成本，具有更好的经济性，高压侧还可以自由选择合适的接线方式。就大型灯泡贯流式机组S 水力发电厂而言，装有4 台灯泡贯流式水轮发电机组，出线的回路为3 回(含1 回备用)，选择联合单元接线，进线回路只需要2 回，采用双母线接线。相比单元接线时的4 回进线减少2 回，但单元接线方式除了允许双母线接线外，还可以采用1.5 倍断路器接线方式。而且，现在高压断路器也越来越便宜，与发电机断路器的差别将会越来越小，联合单元接线方式的价格优势逐渐消失。所以，针对大型灯泡贯流式机组S 水力发电厂的情况分析，采用单元接线要比联合单元接线方式更合适一些。

单元接线要通过主变高压侧装设断路器来进行操作开停机，扩大单元接线要通过发电机断路器进行控制操作，两种接线方式都能实现电厂的调频调峰。两者对比分析而言，单元接线的优势在于它不仅接线方式清晰简单，而且可以将变压器的空载损耗降低，从而节约了电厂的运行成本，这是因为电厂全面停机时单元接线中变压器可以随着发电机的启动和关闭而开停。另外，因为单元接线方式中一台机组用一台变压器，而扩大单元接线中两台共用一台变压器，对变压器的依赖较严重，所以单元接线方式的可靠性高于扩大单元接线。扩大单元接线对发电机断路器的高开断容量要求很高，，为了提高变压器的阻抗电压来限制短路容量，往往变压器的结构非常复杂，造价很高，不符合电厂的经济利益。所以，在S 水电站接入系统的原设计方案中，通过分析S 水力发电厂的特点和接入系统，比较分析几种接线方式，最后确定单元接线方式为最合理方案。

1.3 500kV 侧接线

当S 水力发电厂采用单元接线发电机与变压器接入500 kV 主网时，500kV 侧即变为4 回进线，3 回出线。下面分析比较了一倍半断路器接线、出线双断路器双母线接线和双母线接线三种设计方案的优势和不足，选择最合适的主接入方式。

1） 一倍半断路器接线的优势在于可靠性较高，相互依赖程度小，断路器和母线的故障影响不到正常供电。它的不足在于不能满足电站调峰运行要求，除非另外增设发电机断路器，接线设备较多；

2）双母线接线方式的可靠性更高一些，因为高压断路器的发生故障的概率很低，而且检修复杂，所以出线双断路器的作用并不显著。同时，还增加了增设设备的成本，布置上也不太简单清晰；

3）双母线接线的优势很明显，布置清晰、简单，具有很灵活的运行方式。所以该接线方式很适合电站调峰运行，设备少，所以成本不高。综合分析后，推荐S 水力发电厂采用双母线接线方式。

2 优化方案拟定

优化方案是在原设计方案基础上进行，主要针对电气主接线进行。原设计中是采用的双母线接线，500kV 侧为4 进3 出，并且使用了并联电抗器。目前为4 进2 出，并设计了四种方案如下：

1）双母线接线。在原设计方案的基础上，取消备用回路，去除线路并联电抗器设备，这样可以使设备有更好的灵活性；

2）单母线分段接线。它是双母线接线的简化版，与双母线接线相比，其运行灵活性较差；

3）桥联接线。在设计方案二的基础上取消了进、出线断路器。

4）联合单元接线。在方案三的基础上去除了桥联回路断路器，将电站设置成为两个相互独立的联合单元，每一个联合单元都接一回500kV 线路进系统侧开关站。

3 设计方案的综合比较

通过将四种接线方式进行分析，并结合实际情况，综合比较如下：

1）从供电连续性和充裕性方面来比较，四种方案都比较合适，属于都可以接受的范围之内，但从综合安全性能分析，第一种双母线接线稍微逊色一些，选择使用后三种接线方式比较合理；

2）由于S 水力发电厂2 回出线同送系统侧开关站，因此在运行中并不会体现出比较灵活；

3）由于电站系统内线路较短，因此线路和变压器出现故障的概率较低，所以，在第二种单母线分段接线和第三种桥联接线中，选择桥联接线更为合理；

4）在对桥联接线和联合单元接线方式进行比较，由于桥联接线中使用联络断路器，可能会因为其故障而导致机组停机，增加故障产生概率，所以，采用联合单元接线方式更为安全合理。

4 电气主接线确定

对电气主接线系统将优化前要充分考虑到电站的运行方式及电站中接入系统自身特点，依据实际情况再进行下一步具体改进。改进方案如下：

1）由于发电机与变压器的组合方式为单元接线，所以在变压器高压侧增加安装断路器，并在发电机出口处安装隔离开关；

2）在两组联合单元接线的母线之间设置两组串联隔离开关的联接跨条，这样可以避免因发生出线故障而造成部分机组被迫停机。这样，改进后的设备，通过道闸操作后，可以起到2 回出线之间的事故备用作用。

3）在2 号机和3 号机端口处增设发电机断路器。

5 结论

在经过优化设计论证之后，最终确定方案如下：在2 号机和3 号机端安装发电机断路器，将变压器和发电机组合为单元接线，并安装断路器；2 组联合单元之间设置，统一将单元接线组合为单元接线，并在500kV 出线接入系统侧开关站。

[1]魏守平.水轮机控制工程[M].武汉：华中科技大学出版社，2005.

[2]田树棠.贯流式水轮发电机组及其选择方法[M].北京：中国电力出版社，2000.

[3]沈祖诒主编.水轮机调节[M].北京：中国水利水电出版社，1998.