乌东德水电站出线场总体设计方案研究

(长江勘测规划设计研究有限责任公司，湖北 武汉 430010)

图1 乌东德左、右岸电站500kV外送线路路径走向示意Fig.1 Schematic diagram of the path of 500kV external transmission line from Wudongde left and right bank power station

乌东德水电站位于金沙江下游四川省和云南省两省界河河段，坝址的右岸隶属于云南省昆明市禄劝县，左岸隶属于四川省会东县。乌东德水电站总装机容量为10 200 MW，分为左、右岸两个地下电站，两个电站均通过500 kV线路接入南方电网。由于电站两岸地势险峻、海拔高、地震烈度高、地质构造复杂[1]，致使电站高压出线较为困难。除此之外，出线场总体设计还面临着接线复杂、场地紧张、短路故障电流大等复杂的客观条件，若采用常规的设计方案，将无法满足高压出线、总体布置、降低地电位的要求。为此，本文针对乌东德水电站出线场总体设计的难点，从电气接线、规划选址、总体布置、设备选型、接地计算、海拔修正等方面进行了深入的分析和研究，根据研究结果，提出了适宜的总体设计方案。

1 电站接入电力系统情况

乌东德水电站的左、右岸两个地下电站独立运行，均以交流500 kV电压等级接入系统：左岸电站3回500 kV架空线路接入禄劝换流站，右岸电站3回500kV架空线路接入昆北换流站。左、右岸地下电站500 kV外送线路路径走向如图1所示。

按照乌东德水电站接入电力系统设计的要求，为了实现电力系统无功功率平衡，左、右岸电站各需装设1组母线高压并联电抗器。为了满足对架空线路融冰的要求，左、右岸电站均需装设融冰开关和融冰母线[2]。由于地下电站内布置场地有限，因此，将母线并联电抗器、融冰开关和融冰母线分别布置在左、右岸出线场内。

2 电气主接线设计

乌东德左、右岸两个地下电站均安装有6台850 MW的水轮发电机组，电站主变压器和500 kV 开关站(采用GIS设备)均布置在地下厂房内，地面出线场均布置有3回500 kV架空出线回路和1组500kV母线并联电抗器回路设备。左、右两岸地下开关站与地面出线场之间，均布置有4回500 kV气体绝缘金属封闭输电线路(GIL设备)，且分别通过各自的1个出线竖井连接[3]，其中，3回GIL连接电站3回500kV架空出线，1回GIL连接布置在出线场的1组500kV母线并联电抗器。乌东德水电站出线场500kV架空出线回路、母线并联电抗器回路的电气主接线如图2所示。

图2 500 kV架空出线回路、母线并联电抗器回路电气主接线示意Fig.2 Electrical main wiring diagram of 500 kV overhead outgoing circuit and bus shunt reactor circuit

通常，架空出线的融冰装置采用三相母线，出线回路的各相导线、地线分别与各相融冰母线连接，导地线回路设置融冰开关，融冰母线之间设置短接开关和连接导线，融冰装置的接线较复杂、设备布置占地较大。乌东德水电站出线场对融冰装置的接线进行了优化，融冰装置采用单相母线，出线回路的导线和地线均通过融冰开关接在单相融冰母线上，减少了融冰母线及其连接设备，优化后的接线简单、清晰，操作维护方便，同时也节省了布置场地。出线场主要电气设备如表1所示。

乌东德水电站出线场场址地震基本烈度为7度[4]，按照相关规范规定[5]，电气设施按设防烈度均提高1度(即设防烈度为8度)进行设计。

3 规划选址

水电站出线场选址应符合电站接入电力系统规划，满足架空出线的要求，预留出线走廊，避免或减少架空线路相互交叉跨越；同时，在场址选址规划时应统一考虑架空线路终端塔的位置，并注意控制使用档距和相应的高差[6-7]。乌东德水电站出线场内，按照接入电力系统的要求，布置了较多的电气设备及构(建)筑物，总体布置原则是应安全、可靠、合理以及便于维护[8-10]。根据上述要求，出线场的选址应便于出线，而出线场的占地面积应不小于180 m×40 m(长×宽)。

表1 主要电气设备一览表Tab.1 Main electrical equipment

乌东德水电站坝址两岸山峰连绵、陡峭，海拔高程1 600 m以下岸坡坡角一般为60°～75°，局部近似直立，难以布置出线场；海拔高程1 600 m以上地势逐渐放缓，可以布置出线场，但距离地下厂房较远，且又超出工程红线范围。因此，户外出线场选址难度很大。在经过多次现场查勘，两岸出线场分别确定在1 600 m以下地势稍缓的半山腰上进行开挖。

开挖后形成的场地靠山侧上方是开挖边坡、靠江侧下方是极高的陡岩。对于这样的场地，难以同时满足出线和场地面积的要求，当场地宽度满足了设备布置要求时，靠山侧的边坡就高得难以出线；反之，当靠山侧的边坡高度降到满足出线要求时，场地宽度又难以布置设备。为此，经过综合分析比选，在最大边坡高度控制在约70 m左右，在便于出线的情况下，左岸出线场地面高程确定为1 145.0 m，场地占地面积长约166 m、宽24.0～40.0 mm；右岸出线场地面高程确定为1 180.0 m，场地占地面积约为长180.0 m、宽29.5～40.0 m。对于两岸出线场地存在局部不满足占地面积要求的情况，需要结合土建结构、相关设备的选型和改进等方面，对出线场总体布置方案进行深入研究。

4 总体布置方案研究

4.1 主要构(建)筑物布置

(1) 地面厂房。地面厂房位于GIL出线竖井洞口上方，厂房内布置有室内GIL、桥机、电梯、风机、配电装置等设备，厂房占地面积约22.8 m×21.2 m。

在出线场狭长场地内，地面厂房位置可以选择在场地端部或中部2种布置方式。若选择端部布置方式，

4回500 kV GIL线路到达竖井洞口后，将全部沿同一个方向引出，4回GIL线路需要占用较宽的通道，以致周围剩余空间较少，且GIL线路的总长度较长；若选择中部布置方式，则4回500 kV GIL线路到达竖井洞口后，两两分组，分别沿两个相反方向引出，2回GIL线路需要的通道较窄，周围剩余空间可以布置其他设备，场地利用率高，且GIL线路的总长度较短。

对这2种方式进行了分析比较，认为中部布置方式的场地利用率高，而且4回500kV GIL线路总长度比端部布置方式减少约5%(左右岸基本相同)，设备投资和运行损耗均相应减少。经综合考虑，选择将地面厂房布置在场地中部的方式。

(2) 出线门构。出线场出线门构的设置应预留架空线路的出线走廊。由于场地的最大宽度仅为40.0 m，无法引出3回500 kV架空出线，因此，左、右岸架空出线均在长度方向由靠山侧引出，即在地面厂房的一侧布置2回出线，另一侧布置1回出线和1组电抗器，电抗器布置在场地较宽的一端。地面厂房和出线门构布置如图3所示。

(3) 事故油池、油水处理室。根据消防及环保要求，左右岸电抗器需设事故油池、水喷淋设施和油水分离设施[11-12]。为了节省场地，将事故油池设计为全地下式，结合油水分离、雨淋阀等装置，将上部建成油水处理室，布置在电抗器运输道路的对面。

4.2 主要设备布置

4.2.1GIL线路布置

室内、外GIL线路布置需兼顾到GIL结构、基础、安装、运输以及试验等方面的要求，并保证安全可靠、维护方便[13-14]。乌东德水电站出线场GIL线路无法按常规布置在开阔的空间里，只能布置在有限的空间，并利用各种构(建)筑物、各个电气设备间的空隙进行布置，因此，需要对GIL线路的每个线段、弯头、支架、基础的位置和尺寸进行精确计算，才能完成室内到室外、跨越道路、穿过门构和设备柱等一系列复杂路径的规划和布置。左、右岸出线场的主要GIL线路布置如图4～5所示。

图3 左、右岸出线场平面布置示意Fig.3 Plane layout of the left and right bank outbound yards

4.2.2架空出线回路设备布置

架空出线回路有出线套管(电流互感器)、隔离开关、融冰装置、避雷器、电容式电压互感器等设备，如果按常规设备选型，出线回路的设备布置宽度需要36 m，而场地最窄处仅为24 m，无法满足布置要求；如果仅靠增加土建结构加宽场地，结构安全风险较大。因此，需要综合考虑改进设备和增加土建结构来研究布置方案。

(1) 融冰开关的改进。常规的融冰开关为独立的垂直伸缩式隔离开关，布置时需与其他设备相隔一定的距离。对于乌东德水电站，将导线融冰开关与主回路双柱水平伸缩式隔离开关结合设计，将导线融冰开关设置在双柱式隔离开关的静触头侧，使融冰开关和静触头侧的设备支架合并，这样改进后即成为组合式开关，导线融冰开关不再作为独立的设备布置，从而可节省布置宽度约9 m。

图4 左岸出线场GIL线路布置示意Fig.4 GIL line layout of left bank outbound yard

图5 右岸出线场GIL线路布置示意Fig.5 GIL line layout of right bank outbound yard

(2) 布置方案。在这种情况下，对架空出线回路设备的布置，分别按单层结构和双层结构布置方案进行比较，具体布置方案如图6所示。

图6 架空出线回路设备布置方案(单位：m)Fig.6 Overhead outgoing circuit equipment layout plan

从图6中可以看到，单层结构方案的场地宽度需要约27 m，而实际出线场地面局部宽度达不到这个要求，需要加宽场地，造成少量土建工程量的增加，这种方案设备布置顺畅，维护检修方便。双层结构方案场地宽度需要约24 m，而实际出线场地面宽度全部满足要求，但是双层结构增加的土建工程量较多，设备布置存在落差，设备维护检修不方便，而且乌东德水电站位于高抗震设防烈度地区，因此不推荐采用半高型或高型布置[6]。

经综合比较，单层结构方案土建投资较少、设备布置合理顺畅、维护检修方便，双层结构方案土建投资较多、维护检修不方便，因此，在将导线融冰开关与隔离开关改进设计、并增加少量土建工程量后，对架空出线回路选择单层结构布置的方案。

4.2.3电抗器回路设备的布置

电抗器回路设备有GIL线路、电抗器、隔离开关、避雷器、电流互感器、电压互感器，在进行方案设计时，分别对设备采用组合电器和敞开式设备2种型式进行比较，具体布置方案如图7所示。

从图7中可以看到，电抗器回路布置在出线场最宽处，2种布置方案的宽度均满足要求。其中，组合电器布置方案的主通道和巡视通道较宽，设备维护检修方便，满足大车运输和回车的要求，而且可以布置油水处理室，但是设备投资略高。敞开式设备布置方案的主通道和巡视通道较窄，设备维护检修不方便，大车运输和场地回车较困难，而且左岸出线场内无法布置油水处理室，但设备投资略低。

经综合比较分析，认为组合电器布置方案投资略高，但能满足运输要求，设备布置合理、维护检修方便；敞开式设备布置方案虽然投资略低，但不能满足运输和布置要求。根据上述比较分析结果，在场地限制、高抗震设防烈度、高海拔环境条件下，确定采用组合电器设备布置方案[6]。

5 接地设计

乌东德水电站短路故障电流大，一旦发生接地故障会使接地网电位升高，危及到人身及设备安全，因此，必须控制接地电阻、降低地电位。但是受地形条件限制，出线场接地网的面积有限，而且所在地区土壤电阻率高[15]，若要将接地电阻做到规定值，技术上有困难，经济上也不合理，因此按照相关规范[16]，将接地网电位放宽到5 000 V，并验算接触电位差和跨步电位差。

图7 电抗器回路设备布置方案(单位：m)Fig.7 Bus parallel reactor circuit equipment layout plan

为了改善地面电位分布，左、右两岸出线场的接地按均压网设计，均压网采用等间距长形网孔，均压带沿接地网长度方向敷设。按照不同间距的均压带(2～10 m)、不同地表层材料，分别计算乌东德水电站两岸出线场均压网的接触电位差(Ej)和跨步电位差(Ek)，计算结果如表2所示。

表2 均压网接触电位差和跨步电位差计算结果Tab.2 Calculation results of contact potential difference and step potential difference in balanced voltage net V

接触电位差和跨步电位差的允许值与表层及下层材料的电阻率和厚度、接地故障持续时间有关；接触电位差和跨步电位差的计算值与均压网的面积、长度、形状、均压带根数等有关[16]。从表2可以看出：减少均压带的间距，接触电位差和跨步电位差计算值会随之减小，其中，接触电位差计算值递减的幅度更大，但是计算值不会无限减少，会趋近稳定值。对比允许值和计算值，表层材料选择湿混凝土时，接触电位差和跨步电位差计算值均不满足要求；选择块石混凝土时，接触电位差的计算值不满足要求；选择碎石、沥青时，计算值均满足要求，所以最终确定对乌东德水电站出线场的设备区表层材料选用碎石，道路区表层材料选用沥青，均压带间距选择适中值为5 m。

6 海拔修正

乌东德水电站左、右岸出线场海拔的高程分别为1 145.0 m和1 180.0 m，超过正常使用条件的海拔高度(1 000 m)，属于高海拔地区。因此为了保证设备运行安全，需要对设备的外绝缘强度、最小安全距离等主要参数进行海拔修正。在考虑设备的布置高度后，左、右两岸设备均按1 130 m海拔高度进行修正。

6.1 外绝缘强度的海拔修正

空气密度随着海拔高度的升高而降低，气压下降使电气设备的外绝缘强度也随着海拔高度呈指数下降。因此，对设备外绝缘强度应按照下列公式进行海拔修正：

(1)

式中，Ka为海拔修正系数；H为海拔高度，m；指数q按照文献[17]中指数q与配合操作冲击耐受电压的关系曲线取值，其中，对于工频、雷电冲击、相间操作冲击耐受电压取1，对于相对地操作的冲击耐受电压则取0.8。

经过计算，乌东德水电站左、右岸出线场设备的外绝缘工频、雷电冲击、相间操作冲击耐受电压的修正系数为1.04，相对的操作冲击耐受电压的修正系数则为1.03。

6.2 最小安全净距的海拔修正

高海拔地区空气间隙的击穿电压、绝缘子闪络电压低于平原地区，为了使设备能安全运行，对配电装置的最小安全净距应进行海拔修正。按照文献[18]中配电装置海拔大于1 000 m时A值的修正值表，标称电压为35 kV(融冰设备)、500 kV的出线场电气设备A值增大比例分别为0.41/0.40=1.025，4.0/3.8=1.053，经过计算，出线场配电装置的修正结果如表3所示。

6.3 温升限值的海拔修正

母线电抗器采用自冷式冷却方式，其顶层油温升、绕组平均温升和绕组热点温升限值按出线场海拔高于1 000 m的部分，每增加400 m时降低不少于1K[19]的标准进行修正。因此，电抗器温升限值修正前后的参数如表4所示。

表3 出线场配电装置最小安全净距修正Tab.3 Minimum safety clearance correction of outbound yard distribution equipment

表4 电抗器温升限值修正结果Tab.4 Reactor temperature rise limit correction

7 结 论

(1) 电气主接线。乌东德水电站左、右岸出线场均有3回500 kV架空出线，1回500 kV母线并联电抗器，出线场接线复杂、设备多，经过对融冰装置接线的优化设计，减少了融冰母线及其连接设备，使接线简单清晰，操作维护方便，同时也有利于节省布置的场地。

(2) 规划选址。乌东德水电站坝址两岸山峰陡峭，户外出线场选址难度很大。在经过多次现场查勘和综合比选后，分别确定在两岸地势稍缓的半山腰上，地面高程分别为1 145.0 m和1 180.0 m，占地面积分别约为166 m×24.0～40.0 mm(长×宽)和180 m×(29.5～40.0) m(长×宽)作为左、右岸电站的出线场，经总体布置后，证实规划选址是合理的。

(3) 总体布置方案。出线场主要构(建)筑物的布置结合现有场地情况，地面厂房布置在场地中部，每岸4回500 kV GIL两两分组分别布置在地面厂房两侧，所有500 kV架空出线方向均向靠山侧引出。

室内外GIL线路布置通过对每个线段、弯头、支架、基础的位置和尺寸进行精确计算，完成室内到室外、跨越道路、穿过门构和设备柱等一系列复杂路径的规划和布置。

架空出线回路在将导线融冰开关与主回路隔离开关改进设计后，选择土建投资较少、设备布置合理顺畅、维护检修方便的单层结构布置方案。对于电抗器回路设备的布置，通过比较，选择了布置紧凑、满足布置及运输要求、维护检修方便、投资略高的组合电器设备布置方案。

(4) 接地设计。为了改善地面电位分布，出线场接地按均压网设计，并通过计算分析，确定出线场的设备区表层材料选用碎石，道路区表层材料选用沥青，均压带间距为5 m。

(5) 海拔修正。由于出线场地处海拔超过1 000 m，经过计算，出线场设备外绝缘工频、雷电冲击、相间操作冲击耐受电压的修正系数为1.04，相对地操作冲击耐受电压的修正系数为1.03；500 kV出线场电气设备最小安全净距A值增大比例为1.053；母线电抗器温升限值不少于1 K。

综上所述，针对乌东德水电站出线场出线困难、接线复杂、场地紧张、短路故障电流大等复杂的条件，通过对上述电气接线、规划选址、总体布置、设备选型、接地计算以及海拔修正等方面进行深入研究和计算，较好地解决了工程中存在的问题，提出了该水电站出线场最优总体设计方案，为乌东德水电站的顺利投产发电和今后的安全可靠运行起到了关键作用。