燈泡貫流式機組水力發電廠接入系統與電氣主接線的選擇研究

衛 鵬

青海西部水電有限公司，青海西寧 810000

0 引言

近年來，燈泡貫流式機組水電廠的快速發展吸引了很多眼球，是我國水電建設項目領域內殺出的一匹黑馬。隨著燈泡貫流式機組水力發電廠內的機組臺數不斷增多，機組容量逐漸增大，在綜合考慮安全性和經濟性的前提下，研究大型燈泡貫流式機組水力發電廠的電氣主接線的選擇和接入系統方案早已是水電建設領域內機電設計方面的一個熱門課題。與以往的立式軸流機組相比較，燈泡貫流式機組，尤其是臥式布置的貫流式水輪發電機組，在系統中運行穩定，每年提高發電效能約4%，還可以大幅度地節約電廠建設費用，達一成到兩成的水平，所以，該項目的經濟效益優勢非常突出。

1 水電站原電氣主接線設計方案

1.1 S 水力發電廠的建設背景

大型燈泡貫流式機組S 水力發電廠地處M 河的下游河段，歸屬L 市S 縣管轄。整個水力水電廠采用低壩河床式開發方式，初擬正常蓄水水位335m，利用落差17m，裝機容量240MW，裝機年利用小時數4360h，具備日調節能力。電廠內安裝有4 臺單機容量為56MW 的燈泡貫流式水輪發電機組，該發電廠總裝機容量240MW。

1.2 發電機與變壓器的組合方式

在目前的燈泡貫流式機組水力發電廠中主要有三種接線方式，分別是單元接線、聯合單元接線和擴大單元接線。其中，根據斷路器安裝不同，又可將聯合單元接線方式分為兩類：在主變高壓側裝高壓斷路器的方式和在主變低壓側(發電機出口)裝發電機斷路器的方式。下面就各種組合接線方式的優勢和劣勢進行分析評比。

采用聯合單元接線方式，可以減少高壓進線回路，能夠降低成本，具有更好的經濟性，高壓側還可以自由選擇合適的接線方式。就大型燈泡貫流式機組S 水力發電廠而言，裝有4 臺燈泡貫流式水輪發電機組，出線的回路為3 回(含1 回備用)，選擇聯合單元接線，進線回路只需要2 回，采用雙母線接線。相比單元接線時的4 回進線減少2 回，但單元接線方式除了允許雙母線接線外，還可以采用1.5 倍斷路器接線方式。而且，現在高壓斷路器也越來越便宜，與發電機斷路器的差別將會越來越小，聯合單元接線方式的價格優勢逐漸消失。所以，針對大型燈泡貫流式機組S 水力發電廠的情況分析，采用單元接線要比聯合單元接線方式更合適一些。

單元接線要通過主變高壓側裝設斷路器來進行操作開停機，擴大單元接線要通過發電機斷路器進行控制操作，兩種接線方式都能實現電廠的調頻調峰。兩者對比分析而言，單元接線的優勢在于它不僅接線方式清晰簡單，而且可以將變壓器的空載損耗降低，從而節約了電廠的運行成本，這是因為電廠全面停機時單元接線中變壓器可以隨著發電機的啟動和關閉而開停。另外，因為單元接線方式中一臺機組用一臺變壓器，而擴大單元接線中兩臺共用一臺變壓器，對變壓器的依賴較嚴重，所以單元接線方式的可靠性高于擴大單元接線。擴大單元接線對發電機斷路器的高開斷容量要求很高，，為了提高變壓器的阻抗電壓來限制短路容量，往往變壓器的結構非常復雜，造價很高，不符合電廠的經濟利益。所以，在S 水電站接入系統的原設計方案中，通過分析S 水力發電廠的特點和接入系統，比較分析幾種接線方式，最后確定單元接線方式為最合理方案。

1.3 500kV 側接線

當S 水力發電廠采用單元接線發電機與變壓器接入500 kV 主網時，500kV 側即變為4 回進線，3 回出線。下面分析比較了一倍半斷路器接線、出線雙斷路器雙母線接線和雙母線接線三種設計方案的優勢和不足，選擇最合適的主接入方式。

1） 一倍半斷路器接線的優勢在于可靠性較高，相互依賴程度小，斷路器和母線的故障影響不到正常供電。它的不足在于不能滿足電站調峰運行要求，除非另外增設發電機斷路器，接線設備較多；

2）雙母線接線方式的可靠性更高一些，因為高壓斷路器的發生故障的概率很低，而且檢修復雜，所以出線雙斷路器的作用并不顯著。同時，還增加了增設設備的成本，布置上也不太簡單清晰；

3）雙母線接線的優勢很明顯，布置清晰、簡單，具有很靈活的運行方式。所以該接線方式很適合電站調峰運行，設備少，所以成本不高。綜合分析后，推薦S 水力發電廠采用雙母線接線方式。

2 優化方案擬定

優化方案是在原設計方案基礎上進行，主要針對電氣主接線進行。原設計中是采用的雙母線接線，500kV 側為4 進3 出，并且使用了并聯電抗器。目前為4 進2 出，并設計了四種方案如下：

1）雙母線接線。在原設計方案的基礎上，取消備用回路，去除線路并聯電抗器設備，這樣可以使設備有更好的靈活性；

2）單母線分段接線。它是雙母線接線的簡化版，與雙母線接線相比，其運行靈活性較差；

3）橋聯接線。在設計方案二的基礎上取消了進、出線斷路器。

4）聯合單元接線。在方案三的基礎上去除了橋聯回路斷路器，將電站設置成為兩個相互獨立的聯合單元，每一個聯合單元都接一回500kV 線路進系統側開關站。

3 設計方案的綜合比較

通過將四種接線方式進行分析，并結合實際情況，綜合比較如下：

1）從供電連續性和充裕性方面來比較，四種方案都比較合適，屬于都可以接受的范圍之內，但從綜合安全性能分析，第一種雙母線接線稍微遜色一些，選擇使用后三種接線方式比較合理；

2）由于S 水力發電廠2 回出線同送系統側開關站，因此在運行中并不會體現出比較靈活；

3）由于電站系統內線路較短，因此線路和變壓器出現故障的概率較低，所以，在第二種單母線分段接線和第三種橋聯接線中，選擇橋聯接線更為合理；

4）在對橋聯接線和聯合單元接線方式進行比較，由于橋聯接線中使用聯絡斷路器，可能會因為其故障而導致機組停機，增加故障產生概率，所以，采用聯合單元接線方式更為安全合理。

4 電氣主接線確定

對電氣主接線系統將優化前要充分考慮到電站的運行方式及電站中接入系統自身特點，依據實際情況再進行下一步具體改進。改進方案如下：

1）由于發電機與變壓器的組合方式為單元接線，所以在變壓器高壓側增加安裝斷路器，并在發電機出口處安裝隔離開關；

2）在兩組聯合單元接線的母線之間設置兩組串聯隔離開關的聯接跨條，這樣可以避免因發生出線故障而造成部分機組被迫停機。這樣，改進后的設備，通過道閘操作后，可以起到2 回出線之間的事故備用作用。

3）在2 號機和3 號機端口處增設發電機斷路器。

5 結論

在經過優化設計論證之后，最終確定方案如下：在2 號機和3 號機端安裝發電機斷路器，將變壓器和發電機組合為單元接線，并安裝斷路器；2 組聯合單元之間設置，統一將單元接線組合為單元接線，并在500kV 出線接入系統側開關站。

[1]魏守平.水輪機控制工程[M].武漢：華中科技大學出版社，2005.

[2]田樹棠.貫流式水輪發電機組及其選擇方法[M].北京：中國電力出版社，2000.

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