水电站与提水泵站结合布置条件下电气主接线创新研究

杨志芳，崔 磊，范 锴

（长江勘测规划设计研究有限责任公司，湖北武汉430010）

1 研究背景

黄金峡水利枢纽工程位于汉江干流上游峡谷段，地处陕西南部汉中盆地以东的洋县境内。黄金峡水库为引汉济渭工程的第一水源地，黄金峡水利枢纽工程是汉江上游干流河段规划中的第一个开发梯级，工程以供水为主，兼顾发电、航运。枢纽工程建设内容包括大坝、泵站、水电站、升船机、鱼道等建筑物，其中泵站安装7 台（6用1备）离心式水泵机组，单机容量1.8 万kW，总装机12.6 万kW；水电站安装3台水轮发电机组，单机容量4.5万kW，总装机13.5万kW［1］。

根据2012 年引汉济渭工程可行性研究推荐方案，黄金峡水利枢纽泵站及电站采用2 回110 kV 线路接入洋县变电所110 kV 母线，泵站及电站变电站110 kV侧采用单母线分段接线，电站发电机侧拟为单元+扩大单元接线（1 台63MVA 主变+1 台120MVA主变），泵站电动机侧拟为单母线分段接线（两台120MVA主变）的电气主接线方案［2］。经过可研审查后将对该方案进行优化。

2013年，引汉济渭工程泵站及电站接入电力系统方案重新获批，明确了黄金峡水利枢纽引出3 回110kV 线路，其中2 回接入洋县变电所，另1 回接入三河口水利枢纽［3］。

2015年，根据重新批复的接入系统方案以及可研审查意见，在原可研推荐方案的基础上，对黄金峡水利枢纽电气主接线方案进行优化设计研究。

2 设计原则

黄金峡水利枢纽在引汉济渭工程、汉江上游梯级开发工程中具有重要作用，其电气主接线应满足简单清晰、安全可靠、灵活方便、经济合理等要求。电气主接线设计与工程规模、动能参数、电力系统、设备选型、总体布置等因素相关，设计方案应在全面技术经济比较的基础上确定［4-6］。

2.1 方案选择

按照水利水电工程等级划分规定，黄金峡水电站的工程等别为水利水电Ⅲ等工程、工程规模为中型，黄金峡泵站的工程等别为水利水电Ⅰ等工程、工程规模为大（一）型［7-8］。电站、泵站可以按常规方式，分别进行电气主接线设计。

黄金峡水利枢纽的特点在于水电站和调水泵站的结合设置，泵站在完成调水任务前提下，电站利用剩余水能进行发电。在实际工程总体布置中，电站和泵站建筑物布置位置非常紧密，其中电站进水口和泵站进水口位于相同坝段，从左至右相互间隔、平行布置。电站厂房和泵站厂房也同样位于相同坝段，从上游至下游依次布置泵站主厂房、泵站副厂房、电站副厂房、电站主厂房。这样的工程规模和总体布置，具备了泵站与电站联合进行电气主接线优化设计的条件，但目前水利水电工程中尚无大型泵站与水电站联合进行电气主接线设计的先例，没有成熟的经验供工程设计借鉴。因此，需要将优化设计研究与常规的独立接线方式进行深入分析比选。

结合接入电力系统要求，高压侧110kV 出线3回，加上泵站和电站的进线回路数较多，110kV侧电气接线可以选择单母线分段或双母线两种接线方案［5］。两种方案经济指标相近，双母线方案的可靠性较高，运行方式灵活，因此高压侧110kV选择双母线接线方案［9］。低压侧（即电站发电机端和泵站电动机端）的电气接线需要对独立接线和联合接线方式进行比较，因此电气主接线比选方案分别按这两种方式拟定。

2.2 独立接线方式

独立接线方式即电站发电机侧、泵站电动机侧分别采用两站之间相互独立的电气主接线，电站或泵站的机组分别通过各站独立的变压器与高压配电装置相连。电站变压器高、低压侧分别连接高压配电装置、发电机，发电机的电能通过电站变压器送入电力系统。泵站变压器高、低压侧分别连接高压配电装置、电动机，电力系统外来电源和发电机电源均通过泵站变压器提供给电动机。

（1）电站发电机侧接线。发电机侧的接线方式有单元接线、扩大单元接线、联合单元接线3种型式可选。单元接线可靠、灵活，故障影响范围小，但会增加设备投资及场地布置。扩大单元接线减少主变压器和高压进线设备，节省了场地布置和设备投资，但主变压器故障将影响2 台机组，可靠性稍低。虽然联合单元接线减少了高压侧断路器，但增加了并联母线和隔离开关及其布置场地，在变压器故障发生的情况下通过操作另1 台机组仍可运行，但主变压器仍会增加空载损耗。综合考虑可靠性、经济性和工程规模，发电机侧的接线采用扩大单元接线方式。由于电站装设3 台发电机，发电机侧采用1个单元接线、1个扩大单元接线［10-12］。

（2）泵站电动机侧接线。泵站电动机侧的接线方式有单母线接线、单母线分段接线2 种型式可选［8］。从供电可靠性高、运行灵活以及装机台数多等方面考虑，选择单母线分段接线方式是合适的。结合电动机数量，单母线分段可分为2～3段，各段母线之间均采用分段断路器连接。正常运行方式下，每段母线独立运行，由各段母线对应的变压器供电；故障时，相邻段变压器提供备用电源。分为两段时，两段母线分别带4 台、3 台电动机；分为3 段时，3段母线分别带3台、1台、3台电动机。

（3）接线方案。①方案1：电站3 台发电机采用1个单元接线和1个扩大单元接线，泵站7台电动机采用单母线分两段接线，两段母线分别连接3、4 台电动机，电站和泵站各设2台主变压器，共4台主变压器。主变压器容量按照所带发电机、电动机的容量进行配置，分别为55，110，120 MVA 和120 MVA。110 kV侧电气接线为双母线接线。②方案2：电站3台发电机接线同方案1，采用1个单元接线和1个扩大单元接线，泵站7 台电动机采用单母线分3 段接线，3段母线分别连接3台、1台、3台电动机，电站和泵站各设2 台、3 台主变压器，共设5 台主变压器。主变压器容量分别为55，110，63，63 MVA 和63 MVA。110 kV侧电气接线为双母线接线。

2.3 联合接线方式

在联合接线方式中，发电机、电动机机端直接连接，按照发电机台数适当分段后，再分别通过共用变压器与高压配电装置相连。

发电机端采用单元接线型式，在发电机和主变压器之间装设发电机断路器，每台发电机端分别引出一段母线，形成3段发电机机端电压母线，每段发电机母线上直接连接数台水泵电动机，3 段母线之间均采用分段断路器连接。正常运行时，每段母线独立运行；发生故障时，相邻段母线提供备用电源。这种组合方式，发电机无需通过变压器就可直接向电动机提供电源，且在发电机电能有剩余或者不足时，通过变压器与电力系统交换电能。

根据每台发电机母线上连接水泵电动机台数的不同，拟定以下两个接线方案：①方案3：发电机和变压器采用单元接线，每台发电机端分别引出一段母线，形成3 段发电机电压母线，3 段发电机电压母线分别连接3 台、1 台、3 台水泵电动机。电站和泵站共设3 台主变压器，每台主变压器容量均为63MVA。110 kV 侧电气接线为双母线接线。②方案4：主接线与方案3 基本相同，3 段发电机电压母线分别连接2台、3台、2台水泵电动机，电站和泵站共设3 台主变压器，每台主变压器容量均按带4 台电动机运行的容量配置为80MVA。110kV 侧电气接线为双母线接线。

各方案接线示意见图1。

3 技术经济比较

3.1 技术比较

图1 各方案接线示意

4 种方案具有接线清晰、可靠、灵活的特点，均能满足安全稳定运行的要求。对于电站，方案3 和方案4 的发电机组均统一采用单元接线，相较于方案1 和方案2 的扩大单元接线，可靠性和灵活性高。对于泵站，鉴于该工程以供水为主，泵站的供电可靠性、灵活性更为重要，下面重点对这2个方面进行比较。

（1）泵站供电可靠性。方案1 和方案2 泵站的外来电源和发电机电源均引至变压器的高压侧，所有水泵的供电电源均通过变压器取得，电源的可靠性受变压器的影响很大。方案3和方案4泵站外来电源引至变压器的高压侧，发电机电源不通过变压器就直接供给水泵，即使所有变压器故障，仍可由发电机提供电源，因此，方案3和方案4的供电可靠性更高。

（2）泵站运行灵活性。方案1 中，当1 台主变退出运行时，通过切换不影响水泵运行；当2台主变退出运行时，全部水泵停运。方案2中，当1台主变退出运行时，通过切换不影响水泵运行；当2台或3台主变退出运行时，3台或全部水泵停运。方案3和方案4 中任何1 台主变退出运行时，均可通过切换发电机电源，不影响水泵运行。因此，方案3 和方案4的运行灵活性更高。

3.2 经济比较

（1）工程投资。方案1 和方案2 的110 kV 进线回路数较多、变压器数量多且容量大，增加了电气设备投资及布置场地费用。方案1 与方案2 比较，方案1 发电机端短路电流较大，电气设备选择较困难、价格较高，方案2 电动机母线分段多、变压器容量较小。综合投资方案1最高。

方案3、方案4的110 kV进线回路数较少、变压器数量少且容量较小，电气设备及布置场地较少，节省了工程投资。方案3与方案4比较，方案4变压器容量较大、机端短路电流较大，设备投资高、选型难度大［13］。综合投资方案3最低。

（2）能耗水平。方案1 和方案2 的独立接线方式使得水泵电动机在利用发电机电能的时候，必须通过两台变压器进行传输，发电、用电潮流分布不合理，增加了电能传输过程中的损耗。方案3 和方案4的发电机、电动机的机端母线直接相连，使得发电、用电传输过程中的损耗降到最低。

近年来，随着国家节能环保政策和措施的推进，水利水电工程也在开展节能降耗分析和评估，研究采取各种节能降耗措施以节约现有能源消耗量，提高节能环保效率，实现可持续发展。水电站能耗水平分析计算显示，虽然水电站厂用电设备较少、能耗指标低、能源利用效率高，但主变压器能耗在厂用电能耗指标中占比最大，一般为整个工艺生产系统能耗的60%左右、主要生产性设备能耗的80%以上［14］。如果变压器损耗能降低，即使降低1%，每年可节约的电能也是显著的。以方案3的变压器总容量为基准，方案1、方案2 和方案4 的变压器总容量分别是方案3的2.14，1.87，1.27倍，变压器额定损耗均与额定容量成正比，因此方案3 变压器的损耗最低。

3.3 比选小结

4种方案的技术经济比较见表1。

综上所述，4 种方案均满足电气主接线设计的基本要求，其中方案3 和方案4 采用联合接线方式较好地结合了工程总体布置特点，同时，电站统一采用单元接线，可靠性较高。发电机和电动机端直接连接，发电机供给水泵电动机的电源不受变压器影响，提高了泵站的供电可靠性和潮流分布合理性；系统外来电源和发电机电源相互切换，提高了电站和泵站的运行灵活性；统一变压器、发电机电压设备型式，有利于运行维护；合理减少电气设备的数量、容量，降低了投资、占地以及能耗指标，符合节能环保、持续发展的要求。方案3 和方案4 在技术方面和经济方面均明显优于采用独立接线方式的方案1和方案2，因此，推荐联合接线方式。

表1 电气主接线设计方案

进一步比较方案3和方案4，方案4设备投资较高、选型难度较大，故选择方案3，即优化设计方案采用采用联合接线方式，3 段发电机电压母线为单母分段接线，分别连接3 台、1 台、3 台水泵电动机，每段母线设1 台电站和泵站共用主变压器（容量均为63MVA）。110kV 侧为双母线接线。采用3 回110kV线路接入电力系统。

4 结 语

在与常规独立接线方案进行技术经济比较的基础上，结合黄金峡水利枢纽电气主接线的工程实际特点，采用电站和泵站联合接线方式的优化方案，提高了电气主接线的供电可靠性、运行灵活性、经济合理性和运维便利性。优化方案新颖独特，首次应用于水利水电工程，目前已通过了引汉济渭工程初步设计审查，可为类似水利枢纽工程电气主接线设计提供经验。