天池抽水蓄能電站施工供電接入系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案的選擇及優(yōu)化

羅 胤，王小軍，郝 峰，董政淼，曹永闖

（1.河南天池抽水蓄能有限公司，河南省南陽市 473000；2.國網(wǎng)新源控股有限公司，北京市 100761）

0 引言

抽水蓄能（以下簡(jiǎn)稱蓄能）電站工程具有建設(shè)周期長、占地面積廣、施工標(biāo)段多等特點(diǎn)。因此，工程建設(shè)期施工用電規(guī)模大，且供電分布不夠集中，一般考慮建設(shè)專用的高壓線路接入電力系統(tǒng)，以滿足工程建設(shè)的需要[1]。蓄能電站多處山地區(qū)，一般當(dāng)?shù)貐^(qū)域電網(wǎng)發(fā)展較為落后，蓄能電站工程附近無較大規(guī)模的變電站，施工供電工程暫不具備就近接入電網(wǎng)的條件，接入系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)統(tǒng)籌考慮，先行從較遠(yuǎn)的變電站接取電源，后期再對(duì)電源接入點(diǎn)進(jìn)行優(yōu)化，提高施工供電的可靠性。蓄能電站施工供電系統(tǒng)在基建結(jié)束后，一般轉(zhuǎn)換為生產(chǎn)期的備用電源繼續(xù)使用，部分電力設(shè)備考慮采取永臨結(jié)合的設(shè)計(jì)，以節(jié)約工程投資成本。

1 天池抽水蓄能電站施工供電工程設(shè)計(jì)概況

根據(jù)天池抽水蓄能電站（以下簡(jiǎn)稱天池電站）可研報(bào)告的施工組織設(shè)計(jì)方案，新建1座施工變電站，以一回110kV線路接入南召縣瑞祥變電站，導(dǎo)線選用結(jié)合南召電網(wǎng)發(fā)展規(guī)劃，線路路徑兼顧規(guī)劃中的110kV蓮花變電站位置，遠(yuǎn)期考慮將天池—瑞祥110kV線路“Π”接入蓮花站。按照施工總布置規(guī)劃并充分考慮工程施工特點(diǎn)，天池施工配電系統(tǒng)主要向7個(gè)相對(duì)集中區(qū)域供電，即上庫區(qū)（3561kW）、下庫區(qū)（25kW）、營地區(qū)（3002kW）、砂石區(qū)（2020kW）、倉儲(chǔ)區(qū)（236kW）、交通洞區(qū)（897kW）、通風(fēng)兼安全洞區(qū)（1984kW），各供電區(qū)域施工負(fù)荷總和約為12MW，按照需求系數(shù)法折算至高峰期的最大負(fù)荷約為7.5MW。因此，施工變電站的主變壓器選用額定容量為10MVA，考慮到施工機(jī)械、照明、壓縮空氣、供排水、砂石加工、混凝土生產(chǎn)等負(fù)荷功率因數(shù)的特點(diǎn)，在主變壓器低壓側(cè)設(shè)置無功補(bǔ)償裝置，大小按照主變壓器容量的15%～20%配置[2]，共設(shè)置（1200+1200）kvar的電容器組。天池電站110kV側(cè)采用線路-變壓器組接線，10kV側(cè)采用單母分段接線，并設(shè)置自備柴油發(fā)電機(jī)作為電站應(yīng)急電源。

2 接入系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案選擇

2.1 電壓等級(jí)的選擇

天池電站基建期施工屬連續(xù)生產(chǎn)項(xiàng)目，一旦供電發(fā)生故障，會(huì)對(duì)工程建設(shè)造成巨大損失，屬二類用戶（其中高峰一類負(fù)荷為1290.8kW）。結(jié)合施工供電工程規(guī)劃，施工變電站的規(guī)模不考慮遠(yuǎn)期發(fā)展，為最終規(guī)模。同時(shí)考慮到施工變電站所處位置和負(fù)荷情況，并對(duì)周邊電源點(diǎn)進(jìn)行了充分考察和論證，參照不同電壓等級(jí)的合理輸送距離和容量提出的具體要求[3]，擬采用110kV或35kV電壓等級(jí)接入系統(tǒng)。

2.2 地區(qū)電網(wǎng)的現(xiàn)狀

天池施工變電站地處南召縣西北部，其周圍有南召、瑞祥2座110kV變電站，有喬端、馬市坪、崔莊、城北4座35kV變電站，另根據(jù)地區(qū)負(fù)荷的發(fā)展需要，考慮新建220kV南召西變電站（一期：1×180MVA），主供南召縣城及南召西部負(fù)荷。站點(diǎn)的具體位置見圖1。

圖1 地區(qū)電網(wǎng)現(xiàn)狀及天池施工變電站規(guī)劃Fig.1 Present conditions of local electric grid as well as Tianchi construction substation plan

與天池站距離較近的有110kV南召站和瑞祥站，35kV馬市坪站及崔莊站。各變電站及出線情況敘述如下：

（1）南召站有主變壓器2臺(tái)。有110kV進(jìn)線2回分別至鹿鳴、瑞祥變電站；35kV出線設(shè)計(jì)規(guī)模5回，已上5回，分別至南河店、白土崗、馬市坪、城北和T 接到小店35kV變電站。該站已被城區(qū)包圍，110kV已無間隔，周圍35kV走廊擁擠，且南召站現(xiàn)有最大負(fù)荷已達(dá)62MW，隨著南召城區(qū)經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展，新增負(fù)荷空間有限。

（2）瑞祥站有主變壓器2臺(tái)。110kV進(jìn)線4回，2回分別至南召站和皇路店站，110kV出線備用2回；35kV出線已上4回，分別為至青山站2回，至白土崗站、南河店站各1回，35kV出線備用2回。該站遠(yuǎn)離城區(qū)，出線走廊較為開闊。瑞祥變電站最大負(fù)荷約為65MW，且在該地區(qū)220kV南召西站投運(yùn)后，將進(jìn)一步減輕地區(qū)負(fù)荷壓力，供電可靠性較高。

（3）馬市坪站有主變壓器2臺(tái)。35kV最終設(shè)計(jì)進(jìn)線3回，現(xiàn)已有3回，分別為至南召、喬端和板山坪站。變電站35kV側(cè)已無間隔，出線走廊擁擠，馬市坪站最大負(fù)荷約為4MW，但變電站所在區(qū)域周圍鐵礦、大理石資源豐富，亟待開發(fā)，用電需求將不斷增長。

（4）崔莊站有主變壓器1臺(tái)。35kV設(shè)計(jì)為單母分段接線，進(jìn)線4回，現(xiàn)已建1回，為至35kV城北站，周圍35kV出線走廊開闊。但崔莊站至天池施工變電站線路路徑地形復(fù)雜，送電線路要經(jīng)過海拔較高地區(qū)，沿途無公路，為無人區(qū)，極不便于施工維護(hù)，而崔莊站經(jīng)城北站接入南召站，造成供電連接點(diǎn)過多，供電可靠性不高。

綜合地區(qū)電網(wǎng)的現(xiàn)狀分析，具備天池施工供電工程接入條件的只有瑞祥站，35kV召馬線及正在規(guī)劃中的南召西變電站。

2.3 接入系統(tǒng)方案選擇的結(jié)果

依據(jù)天池電站建設(shè)期施工總負(fù)荷統(tǒng)計(jì)情況，充分考慮地區(qū)電網(wǎng)發(fā)展現(xiàn)狀，初步擬訂4種接入系統(tǒng)方案，見圖1。方案一，建設(shè)天池—瑞祥110kV線路；方案二，建設(shè)天池—瑞祥35kV線路，并建設(shè)天池—馬市坪備用10kV線路，確保天池電站施工期一類負(fù)荷供應(yīng)；方案三，建設(shè)天池—南召西（規(guī)劃中）110kV線路，天池站先期由瑞祥110kV側(cè)接入，待220kV南召西站建成后天池站改為南召西站110kV側(cè)供電；方案四，在南召—馬市坪的35kV線路上“T”接至天池站。

分別從可靠性、安全性、經(jīng)濟(jì)性及工程造價(jià)等方面對(duì)4種接入系統(tǒng)方案進(jìn)行綜合比較和全面分析，進(jìn)一步選擇和確定方案，具體分析結(jié)果見表1。

經(jīng)過綜合技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較分析，天池站接入系統(tǒng)方案的最終結(jié)果采用方案一，即建設(shè)天池施工變電站至瑞祥變電站110kV線路（LGJ-120/34km）與系統(tǒng)聯(lián)絡(luò)。具體選擇理由如下：

（1）按規(guī)定35kV及以上供電電壓正、負(fù)偏差絕對(duì)值之和不超過標(biāo)稱電壓的10%，20kV及以下三相供電電壓偏差為標(biāo)稱電壓的7%[4]。方案二線路長度為34km，在天池站峰值負(fù)荷情況下，由瑞祥站至天池站線路電壓損失過高，電壓偏差略微超標(biāo)，潮流不合理。

表1 接入系統(tǒng)方案比較分析Tab.1 Comparison and analysis for connecting scheme

（2）方案四在天池站峰值負(fù)荷情況下，召馬線運(yùn)行電壓偏低，但仍在規(guī)定范圍內(nèi)。當(dāng)召馬線故障時(shí)，將馬市坪、喬端等站一并切除，此時(shí)馬市坪站由馬板線供電，供電半徑過大，電壓損失超標(biāo)，潮流極不合理。

（3）方案四召馬線為LGJ-150導(dǎo)線，導(dǎo)線持續(xù)極限容量為21.8MVA，天池站采用“T”接召馬線方式，召馬線未來將過負(fù)荷（35kV喬端站和35kV馬市坪站負(fù)荷分別為7.6MW和8.1MW，若35kV天池站投運(yùn)后，新增10MW負(fù)荷，功率因數(shù)按0.95考慮，此時(shí)召馬線需輸送功率為29.1MVA）。

（4）110kV比35kV電價(jià)低0.015元/kWh，天池電站基建工程施工總用電量約1.8億kWh，方案一、三較方案二、四在電費(fèi)結(jié)算時(shí)可節(jié)省270萬元。

（5）從電網(wǎng)總體規(guī)劃考慮，方案一可避免110kV線路重復(fù)建設(shè)22.7km，節(jié)省電網(wǎng)投資1693萬元，方案三可避免重復(fù)建設(shè)南召西—瑞祥線路工程，節(jié)省電網(wǎng)投資2050萬元。

（6）方案三存在中途改線及電源側(cè)接入設(shè)備重復(fù)采購問題，不利于施工組織、電網(wǎng)協(xié)調(diào)、地方青賠，且工程建設(shè)造價(jià)最高。

（7）方案一符合地方電網(wǎng)發(fā)展規(guī)劃，且該方案可靠性高、安全性好、電壓損失低、潮流分布合理、工程造價(jià)適中，是最為合適的接入系統(tǒng)方案。

3 接入系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案的優(yōu)化

3.1 優(yōu)化設(shè)計(jì)的概述

為天池電站施工期電源更為可靠，遠(yuǎn)期考慮將天池站接入系統(tǒng)的電源點(diǎn)從較遠(yuǎn)的瑞祥站（距天池站34km）優(yōu)化設(shè)計(jì)至較近的蓮花站（距天池站9km），該站的電氣主接線見圖2。一期主變規(guī)模為1×50MVA，110kV最終4回出線，本期2回，分別至瑞祥站和天池站（“Π”接110kV瑞祥—天池線路）。按照蓮花站的建設(shè)方案，將原有110kV瑞祥—天池線路開斷環(huán)入蓮花站的110kV母線，這種接法又稱“Π”接、橋接或剖接。對(duì)天池站而言，“Π”接的可靠性及與系統(tǒng)的緊密性將大幅提高，尤其是在后期蓮花站至南召中站線路，蓮花站至新板山坪站線路全部完建后，屆時(shí)系統(tǒng)側(cè)多路電源均可向天池站供應(yīng)負(fù)荷。

圖2 南召110kV蓮花變電站電氣主接線Fig.2 Electrical primary diagram of Nanzhao 110kV Lianhua substation

3.2 優(yōu)化設(shè)計(jì)的技術(shù)難點(diǎn)

天池電站施工供電工程的尾工項(xiàng)目與南召蓮花110kV送變電工程幾乎同時(shí)建設(shè)完成，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況，在天池站還未受電時(shí)，直接將天池—瑞祥110kV線路“Π”接入蓮花站，東“Π”和西“Π”的設(shè)計(jì)位置見圖3。由于負(fù)責(zé)建設(shè)管理天池施工供電工程和南召蓮花送變電工程項(xiàng)目法人不同，且兩個(gè)工程的設(shè)計(jì)單位也不同，在設(shè)計(jì)線路接入時(shí)出現(xiàn)“Π”點(diǎn)兩側(cè)導(dǎo)地線及光纜型號(hào)不一致的問題，給“Π”接設(shè)計(jì)帶來了一定的困擾和技術(shù)難度。

圖3 東“Π”和西“Π”的設(shè)計(jì)位置Fig.3 Design positions of east “Π”shape and west “Π”shape

3.2.1 “Π”接鐵塔受力情況分析

東“Π”N12塔位于原瑞祥—天池線路的N69塔和N70塔之間，型號(hào)為1B2-J4-21轉(zhuǎn)角塔，該塔可承受的導(dǎo)線張力差為19271N，地線張力差為8684N；西“Π”N10塔位于原瑞祥—天池線路的N80塔和N81塔之間，型號(hào)為1A3-J1-18轉(zhuǎn)角塔，該塔可承受的導(dǎo)線張力差為8813N，地線張力差為6917N。東“Π”N12塔實(shí)際導(dǎo)線張力差9404N，地線張力差4193N，東“Π”接入時(shí)導(dǎo)地線張力差均滿足鐵塔使用條件，可以正常架線施工；西“Π”N10塔實(shí)際導(dǎo)線張力差16228N，地線張力差15405N，西“Π”接入時(shí)導(dǎo)地線張力差均超出鐵塔使用條件，需進(jìn)一步采取措施。

3.2.2 西“Π”接入系統(tǒng)導(dǎo)地線架線曲線設(shè)計(jì)

針對(duì)西“Π”接入時(shí)導(dǎo)地線張力差均超標(biāo)的問題，擬采用以下3種對(duì)策：

（1）更換西“Π”N10塔（塔型：1A3-J1-18），修改為終端塔。鑒于瑞祥—天池N70～N80段已退出運(yùn)行，可利用原線路N73塔（塔型：24B-DJ-18）。

（2）更換西“Π”線路全段導(dǎo)地線。鑒于瑞祥—天池N70～N80段已退出運(yùn)行，可利用原線路N70～N80段導(dǎo)地線。

（3）連續(xù)調(diào)整西“Π”N10～原線路N81（塔型：1A3-ZM3-21）、N82（塔型：24A-JC1-21）、N83（塔型：24A-JC2-24）、N84（ 塔 型：24A-JC1-27） 段導(dǎo)地線張力。

考慮到第1、2種方案工程組價(jià)和施工組織的復(fù)雜性，決定采用第3種方案，優(yōu)化西“Π”接入系統(tǒng)導(dǎo)地線架線曲線設(shè)計(jì)。分別對(duì)西“Π”N10～原線路N84各耐張段導(dǎo)地線張力差進(jìn)行調(diào)整，經(jīng)調(diào)整后的各段張力差已能夠滿足各鐵塔的使用條件，具體分析如下：

（1）1A3型轉(zhuǎn)角塔允許導(dǎo)線張力差為8813N，允許地線張力差為6917N；24A型轉(zhuǎn)角塔允許導(dǎo)線張力差為15596N，允許地線張力差為9359N。調(diào)整各耐張段張力后，1A3型轉(zhuǎn)角塔實(shí)際承受導(dǎo)線最大張力差為6255N，地線最大張力差為6532N；24A型轉(zhuǎn)角塔實(shí)際承受導(dǎo)線最大張力差為8743N，地線最大張力差為8500N。1A3型和24A型塔承受張力差均小于允許張力差。

（2）原線路N81為直線塔，不承受導(dǎo)地線張力，不參與各耐張段的張力調(diào)整。

（3）導(dǎo)地線安全系數(shù)提高后，導(dǎo)地線弧垂增大，對(duì)地距離減小，但經(jīng)過計(jì)算和實(shí)測(cè)，導(dǎo)地線對(duì)交叉跨越物的最小距離均大于8m，滿足安全距離的要求。

4 備用電源系統(tǒng)設(shè)計(jì)

天池施工變電站僅依靠一回110kV線路接入系統(tǒng)，聯(lián)系不夠緊密，尤其是在蓮花站110kV側(cè)環(huán)網(wǎng)形成之前，瑞祥—蓮花—天池線路的任一環(huán)節(jié)發(fā)生故障，都將導(dǎo)致天池全站失電。但在天池工程建設(shè)期間，仍有部分一類負(fù)荷，一旦中斷供電，可能發(fā)生人身和設(shè)備事故，因此，考慮在天池站內(nèi)自備柴油發(fā)電機(jī)，供應(yīng)急使用。

為節(jié)約工程投資成本，柴油發(fā)電機(jī)按照永臨結(jié)合設(shè)計(jì)，柴油發(fā)電機(jī)即作為基建期的施工應(yīng)急電源和庫區(qū)泄洪備用電源，又作為生產(chǎn)期的保安電源和機(jī)組黑啟動(dòng)電源。柴油發(fā)電機(jī)容量的選擇按滿足基建期和生產(chǎn)期二者的最大值考慮，但不考慮生產(chǎn)期黑啟動(dòng)負(fù)荷與保安負(fù)荷同時(shí)出現(xiàn)的情況。按照天池電站主體工程合同的約定，主體施工標(biāo)段的一類負(fù)荷由施工單位自行配備柴油發(fā)電機(jī)?；ㄆ趦H考慮庫區(qū)泄洪備用電源和業(yè)主營地一類負(fù)荷約為200kW，生產(chǎn)期保安負(fù)荷約為200kW，生產(chǎn)期黑啟動(dòng)一臺(tái)機(jī)組負(fù)荷約為530kW，其中最大的單臺(tái)電動(dòng)機(jī)（技術(shù)供水泵）負(fù)荷約為160kW。因此，柴油發(fā)電機(jī)容量應(yīng)按照生產(chǎn)期黑啟動(dòng)一臺(tái)機(jī)組進(jìn)行選型計(jì)算，主要有以下3種方法：

（1）按負(fù)荷計(jì)算柴油發(fā)電機(jī)容量：

式中SG1——計(jì)算負(fù)荷，kVA；

α——負(fù)荷率，取1；

PΣ——可能同時(shí)運(yùn)行的總負(fù)荷，kW；

ηΣ——計(jì)算負(fù)荷的效率，取0.82；

cosφ——計(jì)算負(fù)荷功率因數(shù)，取0.8。

故SG1=530/（0.82×0.8）=808kVA

（2）按最大的單臺(tái)電動(dòng)機(jī)或成組電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)需要計(jì)算柴油發(fā)電機(jī)容量：

式中SG2—— 按最大的單臺(tái)電動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)需要計(jì)算的柴油發(fā)電機(jī)容量，kVA；

Pm—— 啟動(dòng)容量最大的電動(dòng)機(jī)容量，取技術(shù)供水泵負(fù)荷160kW；

Kdq——電動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)倍數(shù)，取5；

C——電動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)系數(shù)，取0.67；

cosφm——電動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)功率因數(shù)，取0.4；

ηd×cosφd—— 電動(dòng)機(jī)的效率和額定功率因素乘積，取0.80；

cosφG——柴油發(fā)電機(jī)的功率因素，取0.80。

故SG2={（530-160）/0.82+（160×5×0.67×0.4）/0.8}/0.8=899kVA

（3）按啟動(dòng)時(shí)母線允許電壓降計(jì)算柴油發(fā)電機(jī)容量：

式中SG3—— 按啟動(dòng)時(shí)母線允許壓降計(jì)算校驗(yàn)的柴油發(fā)電機(jī)容量，kVA；

Pdm—— 最大的單臺(tái)電動(dòng)機(jī)功率，取技術(shù)供水泵負(fù)荷160kW；

Kdq——電動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)倍數(shù)，取5；

C——電動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)系數(shù)，取0.67；

Xd″——柴油發(fā)電機(jī)次暫態(tài)電抗，取0.25；

ηd×cosφd—— 電動(dòng)機(jī)的效率和額定功率因素乘積，取0.80；

ΔE——母線允許的瞬時(shí)電壓降，取0.2。

故SG3=160×5×0.67×0.25/0.8×（1/0.2-1）=670kVA

綜上所述，柴油發(fā)電機(jī)的容量不應(yīng)小于899kVA，故選擇1臺(tái)10kV，1000kW柴油發(fā)電機(jī)組作為天池電站基建期和生產(chǎn)期的自備應(yīng)急電源。

5 結(jié)束語

（1）蓄能電站施工供電接入系統(tǒng)設(shè)計(jì)應(yīng)充分考慮基建期工程用電負(fù)荷大小，結(jié)合地方電網(wǎng)發(fā)展現(xiàn)狀，確定接入系統(tǒng)的電壓等級(jí)，并在綜合比較分析各接入系統(tǒng)方案的可靠性、安全性、經(jīng)濟(jì)性和工程造價(jià)等方面后，選擇最為合適的方案接入系統(tǒng)。

（2）接入系統(tǒng)設(shè)計(jì)可結(jié)合地方電網(wǎng)遠(yuǎn)期規(guī)劃，優(yōu)化調(diào)整接入系統(tǒng)電源的位置，提高蓄能電站工程建設(shè)期施工電源的可靠性。

（3）規(guī)劃線路“Π”接時(shí)，統(tǒng)籌協(xié)調(diào)好不同工程項(xiàng)目法人單位和設(shè)計(jì)單位的關(guān)系，宜盡早建立溝通交流平臺(tái)，避免因?qū)У鼐€、鐵塔選型問題，增加線路“Π”接設(shè)計(jì)的難度。

（4）施工備用電源如若采用自備柴油發(fā)電機(jī)時(shí)，應(yīng)按永臨結(jié)合設(shè)計(jì)，統(tǒng)籌考慮基建期和生產(chǎn)期應(yīng)急負(fù)荷的大小，確定柴油發(fā)電機(jī)的容量，可適當(dāng)節(jié)省全站建設(shè)的工程投資。