燈泡貫流式機(jī)組水力發(fā)電廠接入系統(tǒng)與電氣主接線的選擇研究

衛(wèi) 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(jī)組水電廠的快速發(fā)展吸引了很多眼球，是我國水電建設(shè)項(xiàng)目領(lǐng)域內(nèi)殺出的一匹黑馬。隨著燈泡貫流式機(jī)組水力發(fā)電廠內(nèi)的機(jī)組臺數(shù)不斷增多，機(jī)組容量逐漸增大，在綜合考慮安全性和經(jīng)濟(jì)性的前提下，研究大型燈泡貫流式機(jī)組水力發(fā)電廠的電氣主接線的選擇和接入系統(tǒng)方案早已是水電建設(shè)領(lǐng)域內(nèi)機(jī)電設(shè)計(jì)方面的一個熱門課題。與以往的立式軸流機(jī)組相比較，燈泡貫流式機(jī)組，尤其是臥式布置的貫流式水輪發(fā)電機(jī)組，在系統(tǒng)中運(yùn)行穩(wěn)定，每年提高發(fā)電效能約4%，還可以大幅度地節(jié)約電廠建設(shè)費(fèi)用，達(dá)一成到兩成的水平，所以，該項(xiàng)目的經(jīng)濟(jì)效益優(yōu)勢非常突出。

1 水電站原電氣主接線設(shè)計(jì)方案

1.1 S 水力發(fā)電廠的建設(shè)背景

大型燈泡貫流式機(jī)組S 水力發(fā)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(fā)方式，初擬正常蓄水水位335m，利用落差17m，裝機(jī)容量240MW，裝機(jī)年利用小時數(shù)4360h，具備日調(diào)節(jié)能力。電廠內(nèi)安裝有4 臺單機(jī)容量為56MW 的燈泡貫流式水輪發(fā)電機(jī)組，該發(fā)電廠總裝機(jī)容量240MW。

1.2 發(fā)電機(jī)與變壓器的組合方式

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

采用聯(lián)合單元接線方式，可以減少高壓進(jìn)線回路，能夠降低成本，具有更好的經(jīng)濟(jì)性，高壓側(cè)還可以自由選擇合適的接線方式。就大型燈泡貫流式機(jī)組S 水力發(fā)電廠而言，裝有4 臺燈泡貫流式水輪發(fā)電機(jī)組，出線的回路為3 回(含1 回備用)，選擇聯(lián)合單元接線，進(jìn)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(jìn)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(xiàn)在高壓斷路器也越來越便宜，與發(fā)電機(jī)斷路器的差別將會越來越小，聯(lián)合單元接線方式的價格優(yōu)勢逐漸消失。所以，針對大型燈泡貫流式機(jī)組S 水力發(fā)電廠的情況分析，采用單元接線要比聯(lián)合單元接線方式更合適一些。

單元接線要通過主變高壓側(cè)裝設(shè)斷路器來進(jìn)行操作開停機(jī)，擴(kuò)大單元接線要通過發(fā)電機(jī)斷路器進(jìn)行控制操作，兩種接線方式都能實(shí)現(xiàn)電廠的調(diào)頻調(diào)峰。兩者對比分析而言，單元接線的優(yōu)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(jié)約了電廠的運(yùn)行成本，這是因?yàn)殡姀S全面停機(jī)時單元接線中變壓器可以隨著發(fā)電機(jī)的啟動和關(guān)閉而開停。另外，因?yàn)閱卧泳€方式中一臺機(jī)組用一臺變壓器，而擴(kuò)大單元接線中兩臺共用一臺變壓器，對變壓器的依賴較嚴(yán)重，所以單元接線方式的可靠性高于擴(kuò)大單元接線。擴(kuò)大單元接線對發(fā)電機(jī)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(jié)構(gòu)非常復(fù)雜，造價很高，不符合電廠的經(jīng)濟(jì)利益。所以，在S 水電站接入系統(tǒng)的原設(shè)計(jì)方案中，通過分析S 水力發(fā)電廠的特點(diǎn)和接入系統(tǒng)，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(cè)接線

當(dāng)S 水力發(fā)電廠采用單元接線發(fā)電機(jī)與變壓器接入500 kV 主網(wǎng)時，500kV 側(cè)即變?yōu)? 回進(jìn)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(shè)計(jì)方案的優(yōu)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(yōu)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(diào)峰運(yùn)行要求，除非另外增設(shè)發(fā)電機(jī)斷路器，接線設(shè)備較多；

2）雙母線接線方式的可靠性更高一些，因?yàn)楦邏簲嗦菲鞯陌l(fā)生故障的概率很低，而且檢修復(fù)雜，所以出線雙斷路器的作用并不顯著。同時，還增加了增設(shè)設(shè)備的成本，布置上也不太簡單清晰；

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

2 優(yōu)化方案擬定

優(yōu)化方案是在原設(shè)計(jì)方案基礎(chǔ)上進(jìn)行，主要針對電氣主接線進(jìn)行。原設(shè)計(jì)中是采用的雙母線接線，500kV 側(cè)為4 進(jìn)3 出，并且使用了并聯(lián)電抗器。目前為4 進(jìn)2 出，并設(shè)計(jì)了四種方案如下：

1）雙母線接線。在原設(shè)計(jì)方案的基礎(chǔ)上，取消備用回路，去除線路并聯(lián)電抗器設(shè)備，這樣可以使設(shè)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(yùn)行靈活性較差；

3）橋聯(lián)接線。在設(shè)計(jì)方案二的基礎(chǔ)上取消了進(jìn)、出線斷路器。

4）聯(lián)合單元接線。在方案三的基礎(chǔ)上去除了橋聯(lián)回路斷路器，將電站設(shè)置成為兩個相互獨(dú)立的聯(lián)合單元，每一個聯(lián)合單元都接一回500kV 線路進(jìn)系統(tǒng)側(cè)開關(guān)站。

3 設(shè)計(jì)方案的綜合比較

通過將四種接線方式進(jìn)行分析，并結(jié)合實(shí)際情況，綜合比較如下：

1）從供電連續(xù)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(nèi)，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(fā)電廠2 回出線同送系統(tǒng)側(cè)開關(guān)站，因此在運(yùn)行中并不會體現(xiàn)出比較靈活；

3）由于電站系統(tǒng)內(nèi)線路較短，因此線路和變壓器出現(xiàn)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(lián)接線中，選擇橋聯(lián)接線更為合理；

4）在對橋聯(lián)接線和聯(lián)合單元接線方式進(jìn)行比較，由于橋聯(lián)接線中使用聯(lián)絡(luò)斷路器，可能會因?yàn)槠涔收隙鴮?dǎo)致機(jī)組停機(jī)，增加故障產(chǎn)生概率，所以，采用聯(lián)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(tǒng)將優(yōu)化前要充分考慮到電站的運(yùn)行方式及電站中接入系統(tǒng)自身特點(diǎn)，依據(jù)實(shí)際情況再進(jìn)行下一步具體改進(jìn)。改進(jìn)方案如下：

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

2）在兩組聯(lián)合單元接線的母線之間設(shè)置兩組串聯(lián)隔離開關(guān)的聯(lián)接跨條，這樣可以避免因發(fā)生出線故障而造成部分機(jī)組被迫停機(jī)。這樣，改進(jìn)后的設(shè)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(jī)和3 號機(jī)端口處增設(shè)發(fā)電機(jī)斷路器。

5 結(jié)論

在經(jīng)過優(yōu)化設(shè)計(jì)論證之后，最終確定方案如下：在2 號機(jī)和3 號機(jī)端安裝發(fā)電機(jī)斷路器，將變壓器和發(fā)電機(jī)組合為單元接線，并安裝斷路器；2 組聯(lián)合單元之間設(shè)置，統(tǒng)一將單元接線組合為單元接線，并在500kV 出線接入系統(tǒng)側(cè)開關(guān)站。

[1]魏守平.水輪機(jī)控制工程[M].武漢：華中科技大學(xué)出版社，2005.

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

[3]沈祖詒主編.水輪機(jī)調(diào)節(jié)[M].北京：中國水利水電出版社，1998.