黃 凱　向 敏 　李先華　四川省清源工程咨詢有限公司 　成都 610072

　　摘要：本文較詳細(xì)地介紹了四川省阿壩藏族羌族自治州巴拉水電站的電氣主接線

　　方案的選擇，對(duì)發(fā)電機(jī)與變壓器的組合方式、以及 500kV 側(cè)接線方式兩方面分別進(jìn)行 了方案比較，可為其它類似水電站工程的設(shè)計(jì)提供借鑒和參考。

　　關(guān)鍵詞：水電站、電氣主接線、500kV

1、概述

　　巴拉水電站位于四川省阿壩藏族羌族自治州馬爾康縣日部鄉(xiāng)境內(nèi)，系大渡河干流 水電規(guī)劃“3 庫(kù) 22 級(jí)”中的主源--腳木足河河段自上而下的第 2 梯級(jí)水電站，上接下 爾呷“龍頭”水庫(kù)電站，下銜達(dá)維梯級(jí)水電站。電站采用混合式開(kāi)發(fā)，具日調(diào)節(jié)能力。 電站裝機(jī)容量 720MW，多年平均發(fā)電量 25.884/30.277/24.957 億 kW·h(單獨(dú)/聯(lián)合/考慮 聯(lián)合調(diào)水)。開(kāi)發(fā)任務(wù)為水力發(fā)電并兼顧生態(tài)用水需要，電站建成后供電四川電網(wǎng)。

　　本工程樞紐建筑物由混凝土面板堆石壩、溢洪洞、泄洪放空洞和引水發(fā)電系統(tǒng)等 建筑物組成。工程地處高山峽谷，地形復(fù)雜，地下廠房系統(tǒng)位于右岸花崗巖山體內(nèi)， 采用主副廠房、主變洞、尾水調(diào)壓室三列洞室平行布置方式。

2、電站接入系統(tǒng)方案

　　根據(jù)電站接入系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)報(bào)告(注 1)，巴拉電站接入系統(tǒng)方案為：巴拉電站出線電 壓等級(jí)為 500kV，出線 2 回： 1 回接入阿壩特高壓變，1 回接入下?tīng)栠入娬?，通過(guò)下 爾呷～達(dá)維～卜寺溝通道并入阿壩特高壓變。另外為配合巴拉生態(tài)機(jī)組、木郎河及木 爾甲溝等電站電力的送出，巴拉電站需預(yù)留 1 臺(tái) 110kV/500kV 聯(lián)絡(luò)升壓變的位置， 供其接入。

　　本階段電站接入系統(tǒng)方案將以此為依據(jù)開(kāi)展電站設(shè)計(jì)工作。

3、電氣主接線選擇

3.1、發(fā)電機(jī)與變壓器的組合方式選擇

　　巴拉電站裝機(jī)三臺(tái)，單機(jī)容量為 240MW，發(fā)電機(jī)-變壓器組合方式初擬方案如下

（方案接線簡(jiǎn)圖見(jiàn)圖 1）：

　　方案 1： 單元接線，三臺(tái)主變?nèi)萘?270MVA；

　　方案 2： 單元+擴(kuò)大單元接線，兩臺(tái)主變?nèi)萘糠謩e為 270MVA 及 540MVA；

　　方案 3： 單元+聯(lián)合單元接線，三臺(tái)主變?nèi)萘?270MVA。 為提高電站運(yùn)行安全性、可靠性和靈活性，以上方案在發(fā)電機(jī)出口均裝設(shè)發(fā)電機(jī)斷路器。

　　(1) 可靠性比較

　　根據(jù)目前收集到的電氣主接線各電氣元件可靠性原始參數(shù)(見(jiàn)表 1)可得知，500kV 輸電線路的故障率遠(yuǎn)高于其它主要電氣元件，因此，即使發(fā)電機(jī)-主變壓器組合方式采 用供電可靠性較高的單元接線方式，電站接線的可靠性指標(biāo)也主要由線路可靠性制 約，上述三種發(fā)電機(jī)-變壓器組合方案的可靠性指標(biāo)差異不大。

　　電氣主接線元件可靠性原始參數(shù)

表 1

注： l ：短路故障率；g ：故障修復(fù)時(shí)間； l'' ,g'' 分別為計(jì)劃檢修率和計(jì)劃檢修時(shí)間；L 為

線路長(zhǎng)度(單位：km)

　　(2) 經(jīng)濟(jì)比較

　　單元接線及聯(lián)合單元接線，在發(fā)電機(jī)電壓側(cè)的投資基本一致。 擴(kuò)大單元接線，主變臺(tái)數(shù)由三臺(tái)變?yōu)閮膳_(tái)，可節(jié)約設(shè)備投資，但擴(kuò)大單元主變壓

　　器單相充氮運(yùn)輸重量超過(guò) 110t，根據(jù)電站大件運(yùn)輸條件，現(xiàn)有條件難以滿足，需對(duì)沿 線橋梁進(jìn)行加固處理，增加運(yùn)輸費(fèi)用。

　　(3) 技術(shù)比較

　　1) 短路電流計(jì)算及發(fā)電機(jī)電壓設(shè)備參數(shù)選擇 對(duì)于發(fā)電機(jī)電壓側(cè)的短路電流而言，聯(lián)合單元接線和單元接線是相同的。當(dāng)發(fā)電機(jī)次暫態(tài)電抗(Xd”)取值為 0.20，主變壓器阻抗電壓(Uz%)取值為 0.14 且發(fā)電機(jī)電壓為15.75kV 時(shí)，單元接線和擴(kuò)大單元接線發(fā)電機(jī)電壓母線上的短路電流計(jì)算結(jié)果如下： 擴(kuò)大單元接線和單元接線發(fā)電機(jī)端三相短路電流計(jì)算結(jié)果表

表 2

　　從上表中可以看出，擴(kuò)大單元接線，發(fā)電機(jī)電壓側(cè)的短路容量遠(yuǎn)大于單元或聯(lián)合

單元接線，發(fā)電機(jī)斷路器開(kāi)斷時(shí)(0.06s)的短路電流周期分量略大于 160kA，經(jīng)與阿爾 斯通，ABB 等發(fā)電機(jī)斷路器生產(chǎn)廠家進(jìn)行溝通，超過(guò)現(xiàn)有常規(guī)發(fā)電機(jī)斷路器短路開(kāi)斷 能力，造成發(fā)電機(jī)斷路器選型困難和設(shè)備投資較高。

　　2) 主變壓器選型及重大件運(yùn)輸

　　擴(kuò)大單元主變壓器容量為 540MVA，采用組合式三相變壓器或單相變壓器時(shí)，其 運(yùn)輸重量均超過(guò) 110t；單元接線或聯(lián)合單元接線方式，主變壓器容量為 270MVA，采 用組合式三相變壓器或單相變壓器時(shí)，其運(yùn)輸重量約為 90t。

　　巴拉電站重大件運(yùn)輸采用公路運(yùn)輸，從成都沿國(guó)道 G317 線經(jīng)都江堰、汶川、馬 爾康至熱腳，再沿?zé)崮_～下?tīng)栠入娬镜难睾庸愤\(yùn)至工地。國(guó)道 G317 都江堰至汶川 長(zhǎng) 75km，二級(jí)公路，橋涵設(shè)計(jì)荷載為汽車-20 級(jí)、掛車-100；其余路段基本達(dá)到山嶺 重丘區(qū)三級(jí)公路標(biāo)準(zhǔn)，路基寬度 7.5m，路面寬度 6.0m，瀝青路面，部分橋梁設(shè)計(jì)荷 載為汽車-15 級(jí)、拖車-80。

　　1)、常規(guī)三相變壓器運(yùn)輸重量較大， 270MVA 三相變壓器運(yùn)輸重量約 200t，難以 滿足運(yùn)輸要求， 3 種方案均不推薦采用。

　　2)、組合式三相變壓器或單相變壓器組型式：

　　單元或聯(lián)合單元：部分橋梁荷載需進(jìn)行加固處理，基本能滿足電站重大件運(yùn)輸要 求；擴(kuò)大單元仍難滿足大重件運(yùn)輸條件；

　　3) 綜合比較

　　單元接線方案雖然比聯(lián)合單元接線多了一回主變進(jìn)線間隔，500kV 配電裝置投資 略大，但其具有接線簡(jiǎn)明清晰，故障影響范圍小，運(yùn)行可靠、靈活；設(shè)備布置方便， 繼電保護(hù)簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)；此接線方案的主變壓器容量為 270MVA，若采用單相或組合式 三相變壓器，運(yùn)輸重量小于 100t，滿足電站公路運(yùn)輸限重要求。

　　與單元接線相比，聯(lián)合單元接線減少了主變壓器高壓側(cè)的電氣設(shè)備，設(shè)備投資較 省；但主變壓器高壓側(cè)有聯(lián)絡(luò)母線和隔離開(kāi)關(guān)，接線較為復(fù)雜，而且本電站為地下廠 房，變壓器高壓側(cè)布置場(chǎng)地有限，布置較為困難；聯(lián)合單元接線的操作運(yùn)行靈活性較 單元接線差，若聯(lián)合單元的一臺(tái)主變壓器故障或檢修，接在聯(lián)合單元上的兩臺(tái)機(jī)組均 需短時(shí)停機(jī)，通過(guò)隔離開(kāi)關(guān)倒閘操作后，另一臺(tái)機(jī)組才可繼續(xù)投入運(yùn)行。此接線方案 主變壓器運(yùn)輸重量同單元接線。

　　擴(kuò)大單元接線方案雖然減少了主變數(shù)量及投資，并有利于設(shè)備布置，但當(dāng)擴(kuò)大單 元主變壓器或發(fā)電機(jī)電壓設(shè)備檢修或故障時(shí)，會(huì)影響電站兩臺(tái)機(jī)組的電力送出；發(fā)電 機(jī)側(cè)短路容量太大，超過(guò)了常規(guī)發(fā)電機(jī)斷路器開(kāi)斷水平，給下階段設(shè)備招標(biāo)造成一定 的困難；且主變?nèi)萘枯^大，單相充氮運(yùn)輸重量難以滿足電站大重件運(yùn)輸要求，沿線橋 梁加固改造費(fèi)用較大。

　　巴拉電站為日調(diào)節(jié)電站，當(dāng)與上游龍頭水庫(kù)下?tīng)栠入娬韭?lián)合運(yùn)行時(shí)，可使整個(gè)腳 木足河流域梯級(jí)電站達(dá)到季調(diào)節(jié)以上的能力，在系統(tǒng)擔(dān)負(fù)了一定的調(diào)峰任務(wù)。因此， 從電氣主接線的可靠性、運(yùn)行方式靈活性考慮，并能適應(yīng)機(jī)組的頻繁開(kāi)、停機(jī)操作， 本階段發(fā)電機(jī)-變壓器組合方式推薦采用方案 1，即三臺(tái)水輪發(fā)電機(jī)與三臺(tái)主變壓器一 一對(duì)應(yīng)分別組成單元接線方案。

　　3.2、500kV 側(cè)接線方案

　　3.2.1、 500kV 側(cè)接線方案擬定

　　根據(jù)電站接入系統(tǒng)資料和發(fā)電機(jī)-變壓器組合方式，本電站發(fā)-變組采用單元接線 型式，500kV 側(cè)為 4 進(jìn) 2 出共 6 回進(jìn)出線(含聯(lián)絡(luò)變進(jìn)線)，可采用的接線方案有：雙 母線接線、3/2 斷路器接線及角形接線等。

　　由于本電站僅 1 回出線至阿壩特高壓變，且輸電線路的可靠性遠(yuǎn)低于其它主要電

氣元件的可靠性(參見(jiàn)表 1“電氣主接線元件可靠性原始參數(shù)”)，因此電氣主接線的可

靠性將主要取決于輸電線路的故障率。從這一點(diǎn)上看，本電站采用雙母線接線，3/2

斷路器接線和角形接線均是可行的，均可作為本電站電氣主接線的比選方案。 因此，擬訂以下三個(gè)電氣主接線方案進(jìn)行比較。

　　方案 1：發(fā)電機(jī)-變壓器采用單元接線，500kV 側(cè)為雙母線接線；

　　方案 2：發(fā)電機(jī)-變壓器采用單元接線，500kV 側(cè)為 3 串 3/2 斷路器接線；

　　方案 3：發(fā)電機(jī)-變壓器采用單元接線，500kV 側(cè)為六角形接線。

(2) 各接線方案技術(shù)比較

三個(gè)接線方案的優(yōu)缺點(diǎn)比較如表 3。

500kV 側(cè)接線方案技術(shù)比較表

表 3

方案 方案 1(雙母線接線) 方案 2(3/2 斷路器接線) 方案 3(六角形接線)

1.供電可靠性高，每一回路有兩臺(tái)

1. 接線簡(jiǎn)單清晰，繼電保護(hù) 斷路器供電，發(fā)生母線故障或斷

1. 500kV 側(cè) 6 組斷路器形

簡(jiǎn)單，操作檢修方便；

路器故障時(shí)不會(huì)導(dǎo)致出線停電；

成閉合環(huán)形，沒(méi)有母線；

2. 檢修任一組母線可不致

2. 運(yùn)行調(diào)度靈活，正常運(yùn)行時(shí)兩 2. 每一進(jìn)/出線回路接兩臺(tái)

優(yōu)點(diǎn) 使供電中斷；

組母線和所有斷路器都投入工

斷路器，任意一臺(tái)斷路檢修

3. 檢修任一回路的母線隔離 作，從而形成多環(huán)路供電方式； 均不影響回路連續(xù)供電；

開(kāi)關(guān)，只影響該回路的供電；3. 倒閘操作方便，檢修斷路器

3. 500kV 配電裝置數(shù)量少，

4. 適應(yīng)系統(tǒng)變化較好。

時(shí)，檢修母線時(shí)，二次回路不需 投資較省。 要切換。

1. 供電可靠性相對(duì) 3/2 斷路 器接線略低；

1. 相對(duì)其他兩方案而言，每?jī)蓷l回

1. 繼電保護(hù)較為復(fù)雜；

2. 需布置環(huán)形母線，布置 較復(fù)雜；

2. 工作母線故障時(shí)，在切換 缺點(diǎn)

路對(duì)應(yīng) 3 臺(tái)斷路器，設(shè)備投資較大；

3. 任意一組斷路器檢修，

2. 二次接線較為復(fù)雜，特別是 CT

母線的過(guò)程中仍要短時(shí)停電。

配置比較多，在重疊區(qū)故障，保

3. 當(dāng)母線故障時(shí)，隔離開(kāi)關(guān)

護(hù)動(dòng)作繁雜；

倒閘操作較為復(fù)雜。

從上表技術(shù)比較中可以看出：

都成開(kāi)環(huán)運(yùn)行，任意一組斷

路器故障都將造成全廠短 時(shí)停電，降低運(yùn)行可靠性；

　　4. 適應(yīng)系統(tǒng)變化較差。

　　3/2 斷路器接線中每串 3 臺(tái)斷路器對(duì)應(yīng) 2 個(gè)進(jìn)、出線回路，當(dāng)其中一臺(tái)斷路器斷 開(kāi)后仍可保持供電；從接線可靠性的定性分析看，3/2 斷路接線方式可靠性和安全性 略優(yōu)于雙母線接線方案及角形接線方案。但由于本電站 500kV 出線為兩回，考慮到輸 電線路的故障率遠(yuǎn)高于電站內(nèi) 500kV 設(shè)備的故障率，電站的供電可靠性主要將受到輸 電線路可靠性的制約，因此 3/2 斷路器接線的可靠性優(yōu)勢(shì)得不到充分體現(xiàn)。

　　從投資上看，雙母線接線和角形接線斷路器數(shù)量分別為 7 臺(tái)和 6 臺(tái)，較 3/2 斷路 器的 9 臺(tái)少，投資較省，經(jīng)濟(jì)性較好。

　　從繼電保護(hù)配置上看，雙母線接線略簡(jiǎn)單。

　　本電站共有 4 進(jìn) 2 出 6 個(gè)進(jìn)出線回路，進(jìn)出線回路數(shù)越多越不適于采用角形接線， 國(guó)內(nèi)電站一般采用環(huán)形接線時(shí)不超過(guò) 6 角形。

　　從遠(yuǎn)景規(guī)劃上看，雙母線接線相對(duì)其它兩方案可較為方便地隨著系統(tǒng)變化而增加

或減少進(jìn)出線回路，適應(yīng)能力較強(qiáng)。

　　(3) 各接線方案經(jīng)濟(jì)比較

　　本電站為地下廠房布置，500kV 開(kāi)關(guān)站布置于地面，若采用常規(guī)中型設(shè)備布置， 地面開(kāi)關(guān)站面積約 250x150m，所需土建開(kāi)挖邊坡高度將達(dá)到 330m。為節(jié)省設(shè)備布置 空間，減少土建開(kāi)挖工程量及降低邊坡高度，500kV 開(kāi)關(guān)站推薦采用 GIS 配電裝置。 基于此前提，各電氣主接線方案經(jīng)濟(jì)比較見(jiàn)表 4。

電氣主接線方案經(jīng)濟(jì)比較表

表 4 單位：萬(wàn)元

注：a) 表中年折舊費(fèi)計(jì)算用折舊維修率取 12%；

　　b) 計(jì)算費(fèi)用計(jì)算公式為 J=F+Xb·Z。式中：J 為計(jì)算費(fèi)用；F 為年折舊維修費(fèi)用；Z 為設(shè)備 投資；Xb 為經(jīng)濟(jì)效果系數(shù)，取 0.15。

　　分析上表可以看出：相比雙母線接線與六角形接線，3/2 斷路器接線方案的投資 及計(jì)算費(fèi)用有較大增加，經(jīng)濟(jì)性較差。

　　3.2.2、 500kV 側(cè)接線方案擬定

　　根據(jù)以上對(duì)巴拉電站 500kV 側(cè)接線的技術(shù)和經(jīng)濟(jì)比較可以看出：雙母線接線具有 接線簡(jiǎn)單清晰，繼電保護(hù)簡(jiǎn)單，操作檢修方便，從遠(yuǎn)景規(guī)劃看對(duì)系統(tǒng)變化的適應(yīng)性最 好等優(yōu)點(diǎn)，雖然從主接線可靠性的分析看，3/2 接線的可靠性略優(yōu)于雙母線接線和角 形接線，但由于本電站出線兩回，電站接線的可靠性主要受到線路的制約，3/2 斷路 器接線的可靠性優(yōu)勢(shì)得不到良好的體現(xiàn)，設(shè)備投資反而會(huì)增加較大。因此，電站 500kV 側(cè)采用雙母線接線的方案。

　　3.3、主接線擬定

　　經(jīng)過(guò)以上技術(shù)和經(jīng)濟(jì)比較，推薦巴拉電站電氣主接線方案為：三臺(tái)水輪發(fā)電機(jī)分 別與三臺(tái)變壓器一一對(duì)應(yīng)組合成單元接線，500kV 側(cè)采用雙母線接線的方案。

　　4、結(jié)論

　　我國(guó)的電網(wǎng)建設(shè)日益完善，水電站接入電力系統(tǒng)的容量與電壓等級(jí)也逐步提高， 電站電氣主接線的選擇設(shè)計(jì)是否合理直接關(guān)系到工程設(shè)計(jì)的安全性、科學(xué)性及經(jīng)濟(jì) 性。本文對(duì)水電站發(fā)電機(jī)-變壓器的各種組合方式的經(jīng)濟(jì)技術(shù)特點(diǎn)進(jìn)行了詳細(xì)描述；對(duì) 于單機(jī)容量為 240MW 的發(fā)電機(jī)，擴(kuò)大單元接線方式短路容量大，斷路器設(shè)備不易選 擇，且主變?nèi)萘枯^大，難以滿足運(yùn)輸要求；而本電站為地下廠房型式，考慮到聯(lián)合單 元接線方式 500kV 高壓設(shè)備布置場(chǎng)地的限制，經(jīng)過(guò)比較，最終選擇可靠性更高、操作 靈活的單元接線方式。

　　此外針對(duì)目前國(guó)內(nèi) 500kV 電壓等級(jí)水電站高壓側(cè)接線廣泛使用 3/2 斷路器接線的 實(shí)際情況，論證了在保證工程可靠性的情況下在 500kV 電站中采用雙母線接線的可能 性，可為其它類似項(xiàng)目提供一定的借鑒和參考經(jīng)驗(yàn)。

　　注 1：本電站接入系統(tǒng)方案依據(jù)為：

　　1、《四川大渡河干流上游梯級(jí)水電站輸電規(guī)劃研究》，由西南電力設(shè)計(jì)院受四川大渡河公司委 托，于 2010 年 7 月～2011 年 2 月編制完成；并于 2011 年 3 月通過(guò)了國(guó)網(wǎng)經(jīng)研院的評(píng)審。

　　2、《阿壩州腳木足河流域巴拉電站接入系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)》，由四川電力設(shè)計(jì)咨詢有限責(zé)任公司受 中國(guó)水電集團(tuán)四川足木足河流域水電開(kāi)發(fā)有限公司委托，于 2012 年 7 月編制完成；