黑龙江荒沟抽水蓄能电站电缆出线布置方式设计研究

宋立民 ，苏奕康 ，王 哲 ，张子奇 ，张 腾

（1.中水东北勘测设计研究有限责任公司，吉林省长春市 130021；2.水利部寒区工程技术研究中心，吉林省长春市 130021）

1 工程概况

黑龙江荒沟抽水蓄能电站，位于黑龙江省牡丹江市海林市三道河子镇，下水库为已建的莲花水电站水库，上水库为牡丹江支流三道河子右岸的山间洼地。站址距牡丹江市145km（公路里程），距哈尔滨市（直线距离）约235km，距莲花坝址43km（公路里程）。电站为Ⅰ等工程，工程规模为大（1）型，枢纽中主要建筑物（如主坝、副坝、输水系统、地下厂房及500kV地面开关站等）为1级建筑物；次要建筑物为3级建筑物。

工程以发电为主，总装机容量为1200MW，单机容量为300MW，按一洞二机、共两洞四机方案设计，厂内装有四台可逆式水泵水轮发电机组。电站建成后在黑龙江省电网担任调峰、调频和事故备用。

黑龙江荒沟抽水蓄能电站地下厂房洞室系统是一组空间立体交叉的地下洞室群，主要包括：主厂房洞、主变压器洞、尾闸洞、母线洞、电缆兼排风竖井、电缆出线平洞、交通洞、通风洞、排水廊道洞及其他附属洞室等。

2 电缆出线方式比选设计

抽水蓄能电站工程高压电缆出线方式的选择是工程设计的一项重要工作，一般情况高压电缆出线方式是根据地下主变压器洞和地面开关站的相对位置关系，可采用平洞、竖井、斜井或其组合的方式布置，经过布置设计、方案比选、论证分析最后确定[1]。黑龙江荒沟抽水蓄能电站主变压器布置在地下主变压器洞内，在地面布置500kV开关站场，荒沟工程在招标设计阶段，根据实际地形条件，在选定厂房交通洞、通风洞洞线及中控楼位置的基础上，结合机电、通风及施工道路等因素的布置，对地面开关站位置及高压电缆出线方式及地下厂房排风布置进行了深入的论证研究，设计了多个方案进行必选[1-5]。

2.1 电缆出线比选方案设计

黑龙江荒沟抽水蓄能电站高压电缆出线方式比选方案的设计，在考虑高压出线方式的相关因素的同时，将地下厂房洞室的排风系统设计内容一并考虑，进行统筹设计方案，综合对比，以达到选择一个最优的布置方式。

本次设计比选共有六个方案，各方案地面开关站采用同一布置形式，占地面积均按照100m×73m（长×宽）。

方案一：斜井出线＋单独设置厂房排风竖井方案，开关站布置在厂房东南侧460.00m高程，厂房排风竖井位于厂房右端部附近，地面出口高程位于510.00m高程山顶上。

本方案高压电缆采用斜井出线方式，斜井坡度约30°（i=57.7%），斜井长度约600m，断面开挖尺寸为6.60m×5.30m （宽×高），净尺寸为5.80m×4.50m （宽×高）；电缆斜井一侧布置高压电缆，另一侧为低压电缆及交通通道，高压电缆与低压电缆之间布置纵墙将其完全分开，为便于运行管理，在交通通道内设置一部索道式缆车；地下厂房排风竖井单独布置，底部与厂房各排风支洞相连，顶部出露在地面高程510.00m以上，排风竖井长度为338m，喷护段开挖直径为6.2m，衬砌段开挖直径为7m，结构内径为6m，竖井只作为地下排风的通道；需设置永久进场（开关站）公路，改建由上下水库联系路至4号施工支洞临时道路为永久路，以及修建临时路至排风竖井。出线斜井断面示意见图1。

方案二：两段式竖井出线＋单独设置厂房排风竖井方案，开关站布置在主变洞上部山顶475.00m高程，厂房排风竖井布置同方案一。

本方案高压电缆采用竖井出线方式，出线竖井共分成两段，分别为200m和108m，中部加设10m长出线平段，竖井开挖直径9m，结构内径尺寸为8m，两段竖井间平洞段的断面净尺寸4.8m×4.5m（宽×高）；竖井内布置有两个高压出线道（两回电缆分开布置）、控制电缆道、电梯井、楼梯井，通信及通风排烟设施等；厂房排风竖井布置同方案一；需在上下水库联系路引出永久进场（开关站）路和临时施工路，改建由上下水库联系路至4号施工支洞临时道路为永久路，之后设Y形路口，一路通往开关站的永久公路，在开关站的永久路路段内再设Y形路口，设置通往厂房排风竖井的临时路，另一路为通往电缆竖井施工支洞的临时路，由于出渣强度不大，施工支洞洞径确定为5m×5.5m，长约487m。出线竖井断面示意见图3。

方案三：平洞、竖井出线（利用通风洞作为出线平洞）＋单独设置厂房排风竖井方案，开关站布置在厂房北侧400.00m高程坡地上，厂房排风竖井布置同方案一。

本方案高压电缆采用平洞、竖井的出线方式，出线始于主变压器洞端部进风机室，利用通风洞出线长度约760m，再通过约50m长出线平洞引至出线竖井，竖井高度200m；在考虑通风、低压电缆及施工出渣要求情况下，通风洞断面净尺寸为8.00m×6.50m （宽×高），在增加高压电缆通道后，断面净尺寸为8.00m×7.30m（宽×高），即高度上增加了0.8m；厂房排风竖井布置同方案一；需在上下水库联系路引出永久进场（开关站）路，改建由上下水库联系路至4号施工支洞临时道路为永久路，之后修建通往开关站的永久公路，以及修建临时路至排风竖井。出线平洞断面示意见图2，出线竖井断面示意见图3。

方案四：平洞出线（利用通风洞作为出线平洞）＋单独设置厂房排风竖井方案，开关站布置在下水库进（出）水口北侧，位于交通洞与通风洞进口之间，地面高程226.50m，厂房排风竖井布置同方案一。

本方案高压电缆采用平洞出线方式，出线始于主变压器洞端部进风机室，利用通风洞作为出线平洞，长度约1266m；厂房排风竖井布置同方案一；开关站进场路无需另外设置临时及永久公路，仅需设置临时路至排风竖井。出线平洞断面示意见图2。

方案五：一段式竖井出线＋单独设置厂房排风竖井方案，开关站布置在主变压器洞上部山顶475.00m高程，厂房排风竖井布置同方案一。

本方案高压电缆采用竖井出线方式，竖井出口地面高程475.0m，底部高程172.90m，竖井高差308m，在竖井中部设置支洞，将出线分成两段，支洞下竖井深度为200m，支洞以上108m；竖井内布置有高压出线道、控制电缆道、电梯、楼梯，通信及通风排烟设施等，竖井的内径尺寸为8m，竖井开挖直径9.0m；竖井中间部位设置支洞，主要解决竖井过高，带来的高压电缆垂直拉力过大，避免电缆安装及运行等造成的不安全因素；支洞分上、下两层，上、下层高度分别为4m、6m，支洞的总宽度为5.7m，支洞长度定为15m；厂房排风竖井布置同方案一；需改建由上下水库联系路至4号施工支洞临时道路为永久路，之后设通往开关站永久公路，在开关站的永久路的路段内设Y形路口，设置通往厂房排风竖井的临时路。出线竖井断面示意见图3。

方案六：出线竖井兼排风竖井的一个大井方案（电缆出线竖井、厂房排风竖井合并方案）[6]，开关站布置在厂房右端顶部山顶510.00m高程，大井位于厂房右端部附近，地面出口高程位于510.00m高程山顶上。

本方案高压电缆出线与地下厂房系统排风合并共用一个竖井，井内采用结构分隔，竖井内布置有高压出线井、控制电缆井、电梯、楼梯、排风井等；竖井的内径尺寸为9.5m，开挖直径10.5m；竖井底部设置一联络洞与厂房交通洞相通，既可作为施工期竖井出渣交通联络洞，也可作为电站永久运行交通通道，联络洞为城门洞形，开挖尺寸4.8m×5.9m，洞长18.38m；出线竖井高338m，为满足电缆敷设要求，在出线竖井中部设置支洞，支洞下竖井高度约为168m，支洞以上竖井高度为170m，竖井顶部地面出口在开关站场地内；竖井支洞分上、下两层，上、下层高度分别为4m、6m，支洞的总宽度为5.7m，支洞长度定为15m；需设置永久进场（开关站）公路，改建由上下水库联系路至4号施工支洞临时道路为永久路，之后设通往开关站永久公路。电缆兼排风竖井断面示意见图4。

各方案中出线斜井、平洞、竖井断面示意见图1～图4。

2.2 设计方案比选

（1）技术比较。

方案一：

1）出线斜井施工[7]：斜井坡度为30°，两回500kV电缆沿电缆斜井敷设引出。优点：电缆施工技术上比较成熟，敷设条件较好。缺点：土建开挖难度较大，施工安全性不易保证。

图1 出线斜井断面示意图Figure 1 Diagrammatic sketch of outgoing inclined shaft section

图2 出线平洞断面示意图Figure 2 Schematic diagram of exit plain hole section

图3 出线竖井断面示意图Figure 3 Schematic diagram of outlet shaft section

图4 电缆兼排风竖井断面示意图Figure 4 Diagram of section of cable-cum-exhaust shaft

2）排风竖井施工。

优点：土建开挖施工技术成熟度较好，安全度较高，技术上有可靠的保证。

方案二：

本方案采用两段式竖井出线方案[7-9]，若电缆采用一段竖井垂直敷设，高差为308m，而目前，竖井深度最大的瀑布沟水电站竖井深度为256.9m，荒沟工程如此大的落差，目前在国内外还没有一例工程业绩。所以将308m高的电缆竖井分为两段，一段深200m，另一段深108m，两段竖井间以一条平洞相连。

1）电缆施工。

优点：200m及以内垂直段电缆施工从设备制造和施工方面均有成熟的经验，技术上是可行的。

2）竖井施工。

优点：土建开挖施工技术成熟度较好，安全度较高，技术上有可靠的保证。

方案三：

地面开关站与地下厂房之间的两回路500kV电缆，每回长约1084m，电缆过长，需设置电缆中间接头。

1）电缆施工。

缺点：因电缆中间接头是运行中故障多发处，会给安全运行带来隐患，降低了可靠性，所以该方案与无接头方案相比技术可靠性较差。

2）竖井施工。

优点：土建开挖施工技术成熟度较好，安全度较高，技术上有可靠的保证。

方案四：

地面开关站与地下厂房之间的两回路500kV电缆，每回长约1358m，电缆过长，需设置电缆中间接头。

1）电缆施工。

缺点：本方案和方案三存在同样问题，因电缆中间接头是运行中故障多发处，会给安全运行带来隐患，降低了可靠性，所以该方案与无接头方案相比技术可靠性较差。

2）排风竖井施工。

优点：土建开挖施工技术成熟度较好，安全度较高，技术上有可靠的保证。

方案五：

本方案在竖井中部设置支洞作为高压电缆缓冲平洞，该方案与方案二基本相同，只是以支洞代替两段竖井间平洞。

1）电缆施工。

优点：电缆施工从设备制造和施工方面均有成熟的经验，技术上是可行的。

2）竖井施工。

优点：土建开挖施工技术成熟度较好，安全度较高，技术上有可靠的保证。

方案六：

本方案在竖井中部设置支洞作为高压电缆缓冲平洞，本方案与方案五相同。

1）电缆施工。

优点：电缆施工从设备制造和施工方面均有成熟的经验，技术上是可行的。

2）竖井施工。

优点：土建开挖施工技术成熟度较好，安全度较高，技术上有可靠的保证；由于本方案中竖井底部与厂房交通洞相通，施工出渣、施工交通等相对较为方便。

经过对各方案的技术条件分析，方案一、方案二、方案五及方案六电缆敷设技术上均较为成熟，且斜井敷设及竖井敷设无较大差异，方案三和方案四需设置电缆中间接头，与无接头方案相比技术可靠性较差。方案一中有斜井开挖施工，相对竖井开挖施工难度较大，施工安全不易保证。

（2）安装、运行及维护。

1）方案一为便于地面开关站与地下厂房之间的交通联络和运行维护，在电缆斜洞内设交通用缆车。

2）方案二竖井内设有电梯和楼梯，便于安装、运行和维护，且电梯的安全鉴定等相对成熟且简单，但该方案设置两段竖井，需通过两部电梯才能到达开关站。

3）方案三利用部分通风洞作为出线平洞，通风洞比较平缓，便于电缆的施工和以后的运行维护，该方案竖井段设有电梯，也便于以后的运行和维护。

4）方案四利用通风洞作为出线平洞，通风洞比较平缓，便于电缆的施工和以后的运行维护，且该方案开关站位于通风洞、交通洞进口，距离综合楼较近，其开关站运行管理和维护均是最便利的。

5）方案五一段式竖井直达开关站，竖井内设有电梯和楼梯，对于安装、运行和维护条件来说，该方案比方案二两部电梯方案在运行、维护上更为便利。

6）方案六一段式竖井直达开关站，与方案五相同，竖井内设有电梯和楼梯，且竖井与厂房交通洞直接相通，地下厂房与地面开关站之间的交通更加便捷，对于安装、运行和维护条件来说，该方案比方案二、方案五，在运行、维护上更为便利。

经过对各方案的安装、运行及维护条件分析，方案四是完全利用平洞出线，其安装、运行及维护条件是最优的，且其开关站运行管理最为便利，但方案三、四技术条件较差，因此不做深入比较；在方案一、二、五、六中，各方案均设置电梯或缆车，安装、运行均较为方便，方案六竖井电梯与厂房交通洞直接相通，致使地下厂房与地面开关站之间交通更为便利，安装、运行及维护条件较优。

（3）交通道路。

为使开关站、电缆井及排风竖井工程具备施工条件及永久运行条件，各方案交通道路统计见表1。

表1 各方案交通交通道路统计表Table 1 Traffic road statistics for each programme

可见，若从交通道路设置及施工占地影响角度分析，方案四最优，方案一次之，方案二相对路线较长、占地较多。

（4） 工期。

六个方案在施工进度上均不对关键线路产生影响，对工期均无大的影响，但方案一、二、五均需经过主变压器洞出渣，对主变压器洞工期有一定影响，方案六直接从厂房交通洞出渣，相对地下洞室工期影响最小。

（5）经济比较。

经济比较主要考虑建筑工程、交通工程及机电设备工程几个方面的直接工程投资估算。

各方案高压电缆长度统计见表2。

表2 高压电缆长度统计表Table 2 High voltage cable length statistics table

各方案投资估算见表3。

由表3可以看出，方案一投资最小，方案五、六次之，方案三、四投资较大。

2.3 比选结论

根据以上各项比选内容，进行综合分析：①方案三与方案四在技术上由于需要设置电缆中间接头，相对无接头方案技术可靠性较差，且经济投资相对其他方案较大，因此首先排除这两个方案。②方案一虽然在经济投资上是最优的，但在斜井开挖施工中，相对竖井开挖施工难度较大，施工出渣及施工排水等均较困难，且施工期安全不易保证，存在一定的安全隐患。③方案二、方案五、方案六均为竖井出线，施工难度基本相同，从运行管理方面，方案六的竖井底部与厂房交通洞直接相通，竖井相当于地下厂房与开关站的一个主要交通通道，地下厂房与地面开关站之间交通最为便利，运行管理条件相对较优；经济投资上，三个方案的投资差值较小；施工方面，方案六出渣直接从交通洞出渣，而方案二和方案五均需经过主变压器洞出渣，对主变压器洞工期有一定影响。

表3 投资估算汇总表Table 3 Summary of investment estimates 万元

综上分析，方案六具有相对施工难度小、施工安全度高、施工出渣及运行管理方便等优势，故推荐方案六为最终方案，即电缆出线竖井兼排风竖井的一个大井方案。

3 结束语

黑龙江荒沟抽水蓄能电站电缆出线方式的选择，是经过技术、经济、工期运行、维护等多方面论证研究，综合分析确定的布置型式，即电缆出线竖井与地下厂房排风竖井结合布置的型式。本方案电缆及竖井施工技术成熟，相对施工难度小、施工安全度高、施工出渣及运行管理方便等优势，同时布置型式还具有一定的特点。

（1）竖井具有电缆出线及地下厂房排风功能，同时兼有交通功能，属于“一洞多用”的布置型式。

（2）竖井布置中，充分利用竖井截面，井内分隔成多个功能空间：电梯及电梯前室、楼梯间、高压电缆井、低压电缆井、地下洞室排风井、电梯泄风、电缆事故排烟井等，充分利用井内空间，减少竖井工程量。

（3）黑龙江荒沟抽水蓄能电站竖井布置新颖、独特，是一种新型电缆出线的布置型式，不仅满足工程功能上的要求，由于电缆竖井与排风竖井合并布置，减少总占地面积，还有利于环境保护和水土保持，符合国家生态建设的宗旨。