張河灣抽水蓄能電站電氣主接線設(shè)計(jì)淺析

常永亮 王 勇 楊戰(zhàn)營

（河北省電力研究院 石家莊市 050021） （河北張河灣蓄能發(fā)電有限責(zé)任公司 石家莊市 050300）

抽水蓄能電站，是一種具有啟動(dòng)快、負(fù)荷跟蹤迅速和快速反應(yīng)的特殊電源，它具有發(fā)電、調(diào)峰、調(diào)頻、調(diào)相、事故備用、黑啟動(dòng)等諸多功能，同時(shí)還有節(jié)約能源和保護(hù)環(huán)境等特點(diǎn)，尤其是黑啟動(dòng)效益是任何電源所不能替代的。抽水蓄能電站的主要作用是對電網(wǎng)負(fù)荷的調(diào)峰填谷，以緩解峰谷差所帶來的用電矛盾；與常規(guī)水電站相比，抽水蓄能電站一個(gè)最大的不同就是具有發(fā)電與抽水可逆式運(yùn)行的特點(diǎn)，工況轉(zhuǎn)換頻繁，能進(jìn)行的工況轉(zhuǎn)換有近20種之多。張河灣抽水蓄能電站設(shè)計(jì)以雙回500kV線路接入河北南網(wǎng)，在河北南部電網(wǎng)系統(tǒng)中將擔(dān)負(fù)調(diào)峰填谷、調(diào)頻、調(diào)相和緊急事故備用等任務(wù)，它的建成投產(chǎn)對優(yōu)化河北南部電網(wǎng)的電源結(jié)構(gòu)、改善電網(wǎng)運(yùn)行條件、提高電網(wǎng)運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性和可靠性等具有十分重要的作用。

1 工程概況

張河灣抽水蓄能電站位于河北省石家莊市井陘縣測魚鎮(zhèn)附近的甘陶河干流上，距井陘縣城公路里程45km，距石家莊市公路里程77km。該電站總裝機(jī)容量為1000 MW，安裝4臺(tái)單機(jī)容量250MW的單級混流可逆式水泵水輪機(jī)組，發(fā)電工況額定容量（電氣輸出）278MVA，電動(dòng)工況額定輸出（軸輸出）268MW，額定電壓15.75kV。電站額定水頭305m，年發(fā)電量16.75億kW·h，年抽水電量22.04億kW·h，年發(fā)電利用小時(shí)數(shù)為1675h，年抽水利用小時(shí)數(shù)為2204h，電站綜合效率系數(shù)為0.76。張河灣抽水蓄能電站地下發(fā)電廠房由主廠房、安裝場、副廠房和主變洞組成。安裝場布置在主廠房右端，高程與發(fā)電機(jī)層同高。電站距廉州500kV變電站約71km，初期以一回500 kV架空線路送至廉州變電站。

2 電氣主接線

2.1 接線方式概述

由于電站裝機(jī)容量在河北南網(wǎng)中占有較大比重，靠近河北南網(wǎng)負(fù)荷中心，且運(yùn)行方式復(fù)雜，線路傳輸容量大，潮流變化大。為了電網(wǎng)的安全運(yùn)行，從長遠(yuǎn)考慮，500 kV側(cè)采用四角形接線（初期為1/2四角形接線）。出線采用500kV管道母線（GIL），經(jīng)出線廊道和出線豎井至地面出線場，再經(jīng)一回500kV架空線接至系統(tǒng)，并預(yù)留一回出線。發(fā)電電動(dòng)機(jī)與主變壓器采用聯(lián)合單元接線，發(fā)電電動(dòng)機(jī)和主變壓器之間裝有發(fā)電電動(dòng)機(jī)斷路器及換相開關(guān)等設(shè)備，機(jī)組同期及換相在主變低壓側(cè)進(jìn)行。電站全廠設(shè)一套晶閘管變頻起動(dòng)裝置（SFC）作為機(jī)組在抽水工況抽水調(diào)相工況起動(dòng)之用，同時(shí)以背靠背起動(dòng)方式作為備用。起動(dòng)回路的接線可以實(shí)現(xiàn)每1臺(tái)機(jī)組都可逐臺(tái)以背靠背方式起動(dòng)其余3臺(tái)機(jī)組。全廠共裝設(shè)4臺(tái)廠用高壓變壓器，直接從每臺(tái)主變的低壓側(cè)取電。在機(jī)組故障的情況下，能不間斷地從系統(tǒng)倒送電，從而保證廠用電正常供電。勵(lì)磁系統(tǒng)采用自并勵(lì)靜止晶閘管整流勵(lì)磁，其電源分別取自各機(jī)組主變低壓側(cè)，經(jīng)勵(lì)磁變壓器降壓后向勵(lì)磁系統(tǒng)供電。

2.2 主接線原理分析

由于水輪發(fā)電機(jī)組啟動(dòng)迅速、靈活方便。一般正常情況下，從啟動(dòng)到帶滿負(fù)荷只需（1～3）min，事故情況下還可能不到1min。蓄能機(jī)組在系統(tǒng)中承擔(dān)著調(diào)峰、填谷、調(diào)頻、調(diào)相及事故備用的任務(wù)，機(jī)組負(fù)荷曲線變化大、工況轉(zhuǎn)換次數(shù)多、啟停操作頻繁。因此，電氣主接線應(yīng)盡可能地避免把閘刀作為操作電器，也要避免煩瑣倒換操作的接線形式。

張河灣電站主接線500kV側(cè)采用四角形接線，以兩回出線（初期為一回）接入500kV變電站，每回出線均可輸送全廠容量，如圖1所示。

圖1 張河灣電站主接線示意圖

這種接線方式可靠性比較高，任一開關(guān)故障都不會(huì)影響系統(tǒng)的正常供電，甚至某兩臺(tái)開關(guān)故障也不會(huì)影響電站的送、受電，如圖2b中，5001開關(guān)和5004開關(guān)同時(shí)檢修或故障時(shí)，不會(huì)影響全廠的送、受電；同理，當(dāng)5002開關(guān)和5003開關(guān)同時(shí)檢修或故障，也不會(huì)影響全廠的送、受電，如圖2a所示。而當(dāng)5001開關(guān)和5002開關(guān)同時(shí)故障，全廠將損失一半的容量，如圖 3a所示；同理，當(dāng)5003開關(guān)和5004開關(guān)同時(shí)故障時(shí)亦如此，如圖3b所示。

總的來說，四角形接線在正常供電時(shí)，接線成閉合環(huán)形，有環(huán)形母線，任一臺(tái)開關(guān)檢修，不影響線路連續(xù)性供電。任一臺(tái)開關(guān)檢修時(shí)，成開環(huán)運(yùn)行，可靠性降低，此時(shí)另一元件故障有可能造成全廠停電。運(yùn)行操作方面，正常運(yùn)行操作由開關(guān)進(jìn)行，閘刀只做檢修隔離之用，誤操作機(jī)會(huì)少。缺點(diǎn)是繼電保護(hù)控制相對較復(fù)雜。

圖2 張河灣電站主接線故障排除示意圖

張河灣抽蓄電站機(jī)組與主變采用聯(lián)合單元接線方式，并將兩臺(tái)機(jī)組組成一個(gè)大單元，該方式接線清晰、簡潔、可靠性高，當(dāng)某一機(jī)組或主變故障或檢修時(shí)，不會(huì)影響其他機(jī)組和主變的運(yùn)行，而且水工建筑也采用一條壓力水道連接兩臺(tái)機(jī)組，這樣可以與之互相呼應(yīng)，同時(shí)節(jié)省了建設(shè)投資成本，不失是一種比較理想的組合方式。

2.3 主接線特點(diǎn)

（1）四角形接線中，開關(guān)數(shù)等于回路數(shù)，且每條回路都與兩臺(tái)開關(guān)相連接，檢修任一臺(tái)開關(guān)都不致中斷供電。在可靠性的基礎(chǔ)上，該接線能方便、靈活地切換機(jī)組、主變等設(shè)備，同時(shí)為適應(yīng)本電站較高的自動(dòng)化程度，在事故切換或運(yùn)行方式改變時(shí)全部用開關(guān)來實(shí)現(xiàn)操作，基本不用閘刀來完成倒閘操作。隔離開關(guān)作為隔離電源的器件，只在檢修設(shè)備時(shí)起隔離電源之用，從而具有較高的可靠性和靈活性。電站主接線可滿足可靠性、靈活性和經(jīng)濟(jì)性三方面的要求。在滿足可靠性、靈活性的前提下，盡可能做到了接線清楚、簡單、投資省的目的，且經(jīng)濟(jì)合理地選擇主變壓器與機(jī)組的組合方式，使電能損失少、投資小。

（2）由于機(jī)組運(yùn)行工況多、工況變化多、機(jī)組啟停頻繁，在發(fā)電機(jī)出口處裝設(shè)了開關(guān)。裝設(shè)發(fā)電機(jī)出口開關(guān)后可減少高壓側(cè)開關(guān)操作次數(shù)，提高廠用電、變頻啟動(dòng)裝置和勵(lì)磁等電源的可靠性。當(dāng)機(jī)組故障時(shí)，能不間斷地從系統(tǒng)倒送電，主變回路故障時(shí)可跳開發(fā)電機(jī)出口開關(guān)及主變高壓側(cè)開關(guān)，可迅速地排除故障，保證安全。

（3）與常規(guī)水電站不同的是蓄能機(jī)組有發(fā)電和抽水兩種主要工況，這兩種工況的機(jī)組旋轉(zhuǎn)方向相反，所以必須設(shè)置換相開關(guān)。換相開關(guān)設(shè)置在主變低壓側(cè)而不設(shè)在高壓側(cè)，其優(yōu)點(diǎn)是廠用電、起動(dòng)和勵(lì)磁電流直接取自主變低壓側(cè)，不需換相即可滿足抽水工況條件；變頻SFC起動(dòng)和背靠背同步起動(dòng)可合用一組起動(dòng)母線；簡化了高壓側(cè)接線和布置，節(jié)約了投資。

（4）本電站采用當(dāng)前國際上先進(jìn)的氣體絕緣金屬封閉開關(guān)（GIS），結(jié)構(gòu)緊湊，占地面積小，而且可靠性高。

（5）500kV線路側(cè)配置了快速地刀，當(dāng)檢修線路時(shí)，可將線路中的殘余電荷釋放掉；對方萬一沒有將線路的開關(guān)斷開，將可能造成人身事故。為了保證人身安全，在500kV線路側(cè)配置了快速地刀。

2.4 初期主接線運(yùn)行方式

張河灣初期主接線為1/2四角形接線，在廠房GIS中布置兩臺(tái)開關(guān)（5002和5003），以管道母線（GIL）經(jīng)出線廊道和出線豎井接至出線場，再經(jīng)一回500kV架空線送入廉州變電站，如圖3所示。

圖3 張河灣電站初期主接線

初期運(yùn)行時(shí)接線形式只有角形接線的一半，其運(yùn)行可靠性和靈活性相對較低。四臺(tái)機(jī)組同時(shí)運(yùn)行時(shí)，若某一臺(tái)開關(guān)跳掉，將有兩臺(tái)機(jī)組甩負(fù)荷，對系統(tǒng)的影響較大。此時(shí)，應(yīng)加強(qiáng)另外兩臺(tái)機(jī)組和另一臺(tái)開關(guān)的運(yùn)行監(jiān)視，防止出現(xiàn)更大的事故，并做好相關(guān)的事故預(yù)想，準(zhǔn)備好充分的處理措施。當(dāng)母線或線路發(fā)生故障時(shí)，將會(huì)跳掉兩臺(tái)開關(guān)，所有的運(yùn)行機(jī)組將甩負(fù)荷停機(jī)，500kV系統(tǒng)掉電。

張河灣抽蓄電站500kV線路出線端未裝設(shè)開關(guān)，只在5002開關(guān)兩側(cè)設(shè)置有兩把閘刀，分別是5002A-6和5002B-6。線路檢修時(shí)，先斷開5002、5003開關(guān)和對側(cè)線路開關(guān)，再拉開相關(guān)閘刀，最后以5002B-6閘刀作為線路與廠內(nèi)設(shè)備的隔離點(diǎn)。當(dāng)檢修管道母線GIL時(shí)，先斷開5002、5003開關(guān)和對側(cè)線路開關(guān)，再拉開相關(guān)閘刀，最后以閘刀5002A-6和5002B-6作為隔離點(diǎn)。這時(shí)會(huì)造成500kV系統(tǒng)掉電，檢修電源和廠用電需取自35kV臨時(shí)廠用電系統(tǒng)。在一期接線中不裝設(shè)5002A-6閘刀的話，無論是500kV線路檢修還是管道母線GIL檢修時(shí)，都不會(huì)受到任何影響。但考慮到二期出線，就必須設(shè)置有5002A-6閘刀了。

500kV線路不裝設(shè)開關(guān)對電網(wǎng)和電站的影響方面，當(dāng)母線及管道母線GIL上線路保護(hù)CT安裝處以下發(fā)生故障時(shí)，不僅要跳開5002、5003開關(guān)，還要通過電站側(cè)遠(yuǎn)方跳閘裝置向廉州側(cè)遠(yuǎn)方跳閘裝置發(fā)送遠(yuǎn)方直跳信號，廉州側(cè)遠(yuǎn)方跳閘裝置收到該信號后，通過就地判別裝置動(dòng)作出口跳閘。這樣就會(huì)造成故障時(shí)間延長，對系統(tǒng)的穩(wěn)定可能會(huì)有一定影響。

3 結(jié) 語

抽水蓄能電站的電氣主接線應(yīng)滿足電網(wǎng)對電站運(yùn)行安全性、經(jīng)濟(jì)性、靈活性的要求，并最大限度地節(jié)省設(shè)備投資和土建費(fèi)用。由于抽水蓄能電站電氣主接線與機(jī)組的起動(dòng)方式、同期方式、可逆式機(jī)組要求的換相裝置的設(shè)置方式、廠用電源的引接方式等密切相關(guān)，因此，電氣主接線同常規(guī)水電站相比較，既有一定的相似之處，又有其獨(dú)特之處。選擇合適的主接線形式，它不但對抽水蓄能電站本身的生產(chǎn)運(yùn)行有好處，對系統(tǒng)和用戶也能起到很好的作用。張河灣抽水蓄能電站電氣主接線的初期設(shè)計(jì)既能滿足電站可靠、安全運(yùn)行的基本要求，同時(shí)又考慮了電站的二期出線設(shè)計(jì)。

1 莊平華.深圳抽水蓄能電站一次系統(tǒng)設(shè)計(jì)綜述[J].吉林水利.2009,5.

2 謝小輝.惠州抽水蓄能電站電氣主接線設(shè)計(jì)回顧[J].廣東水利水電, 2008,7.

3 代紅，趙建濱.大型抽水蓄能電站電氣主接線方式比選[J].內(nèi)蒙古科技與經(jīng)濟(jì),2008,14.

4 杜志宏.對抽水蓄能電站主接線的認(rèn)識[J].水電廠自動(dòng)化,2003,2.

5 楊紅文.天堂抽水蓄能電站電氣一次設(shè)計(jì)及其特點(diǎn)[J].中南水利發(fā)電,2001,2.

6 李春巨,茹蕖芳.抽水蓄能電站電氣主接線特點(diǎn)[J].中南水利發(fā)電, 1997,5.