楊房溝水電站開(kāi)關(guān)站電氣設(shè)備選型和布置

賈 超 宇， 汪 贊 斌， 朱 思 菁

(中國(guó)電建集團(tuán)華東勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司，浙江 杭州 311122)

1 概 述

楊房溝水電站位于四川省涼山彝族自治州木里縣境內(nèi)的雅礱江中游河段麥地龍鄉(xiāng)上游約6 km處，是雅礱江中游河段1庫(kù)7級(jí)開(kāi)發(fā)的第6級(jí)，上距孟底溝水電站37 km，下距卡拉水電站33 km。

楊房溝水電站的開(kāi)發(fā)任務(wù)為發(fā)電，電站裝機(jī)容量1 500 MW，地下廠房?jī)?nèi)裝設(shè)4臺(tái)375 MW立軸混流式水輪發(fā)電機(jī)組。發(fā)電機(jī)-變壓器組采用單元接線，發(fā)電機(jī)出口裝設(shè)發(fā)電機(jī)斷路器，500 kV側(cè)為4進(jìn)3出、3個(gè)完整串的3/2斷路器+1個(gè)母線電抗器回路接線，并預(yù)留一個(gè)雙斷路器間隔。電站出線回路數(shù)為3回(含1回備用)，該期2回出線在卡拉水電站投產(chǎn)前接入鹽源換流站，卡拉電站投產(chǎn)后π接入卡拉開(kāi)關(guān)站。

2 高壓配電裝置型式選擇

楊房溝水電站投產(chǎn)后與中游龍頭水庫(kù)兩河口聯(lián)合運(yùn)行可發(fā)揮多年調(diào)節(jié)作用，是四川電網(wǎng)主力電站之一，保證供電可靠性是設(shè)備選型的重要因素。高壓配電裝置的選型應(yīng)綜合考慮可靠性、經(jīng)濟(jì)性、運(yùn)行維護(hù)方便性，并對(duì)電氣設(shè)備投資、土建費(fèi)用、設(shè)備運(yùn)行維護(hù)費(fèi)、故障損失電量等進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)后確定。

目前，500 kV配電裝置的型式主要分為敞開(kāi)式配電裝置(AIS)、混合式配電裝置(H-GIS)、SF6氣體絕緣金屬封閉開(kāi)關(guān)設(shè)備(GIS)[1]。

AIS作為常規(guī)的布置型式，在我國(guó)已有豐富的運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，在技術(shù)上可以滿足楊房溝水電站的要求。其特點(diǎn)是設(shè)備投資較低，但布置場(chǎng)地較大，維護(hù)工作量大，可靠性略差。初步估算，按照四進(jìn)三出3/2接線，開(kāi)關(guān)站場(chǎng)地尺寸約為120 m(長(zhǎng))×118 m(寬)[2]。

H-GIS是近年來(lái)發(fā)展的高壓配電裝置布置型式，其設(shè)備投資和布置尺寸介于AIS與GIS之間，比GIS低30%[3]，可靠性較高。3/2接線的開(kāi)關(guān)站場(chǎng)地尺寸約120 m(長(zhǎng))×68 m(寬)。

GIS型式可靠性高，可布置在戶內(nèi)，場(chǎng)地尺寸小，約120 m(長(zhǎng))×21 m(寬)。

楊房溝電站處于高山峽谷區(qū)，兩岸邊坡陡峻，無(wú)平緩階地，需進(jìn)行場(chǎng)地開(kāi)挖，平整后才能進(jìn)行地面開(kāi)關(guān)站或地面出線場(chǎng)布置。故從該工程的地形條件角度分析，該電站的地面開(kāi)關(guān)站或地面出線場(chǎng)占地越小越好，尤其是在寬度尺寸方面，尺寸越小越好。根據(jù)開(kāi)關(guān)站所處位置地形，若采用AIS或者H-GIS方案，地面開(kāi)關(guān)站寬度方向尺寸超過(guò)70 m，開(kāi)挖方量超300萬(wàn)m3，邊坡高度超過(guò)300 m。若采用GIS方案，所需場(chǎng)地寬度尺寸僅為21 m，邊坡開(kāi)挖方量約50萬(wàn)m3，邊坡高度160 m[4]。因此，前者土石方開(kāi)挖方量巨大，而且支護(hù)設(shè)計(jì)難度大，支護(hù)工程量大幅度增加，安全隱患多，工程的不確定性增大，從土建方面來(lái)看，技術(shù)經(jīng)濟(jì)上明顯不合理，因此GIS方案有較大優(yōu)勢(shì)。

另外，從設(shè)備本身來(lái)說(shuō)，GIS在國(guó)內(nèi)外高壓和超高壓配電裝置中已得到越來(lái)越廣泛的應(yīng)用，500 kV GIS在國(guó)外已有二十多年的運(yùn)行歷史，并且就設(shè)備本身的運(yùn)行可靠性而言，GIS配電裝置高于敞開(kāi)式配電裝置10倍以上，檢修周期長(zhǎng)6倍以上[5]。因此從目前GIS的發(fā)展水平和運(yùn)行業(yè)績(jī)來(lái)看，技術(shù)上GIS可以滿足楊房溝水電站的要求。

考慮到該電站在作為四川電網(wǎng)主力電源的重要性，目前國(guó)內(nèi)大型骨干水電站500 kV配電裝置選型現(xiàn)狀以及近年來(lái)500 kV GIS國(guó)產(chǎn)化和價(jià)格大幅下降的趨勢(shì)，GIS技術(shù)特性遠(yuǎn)優(yōu)于AIS或H-GIS。GIS方案具有占地面積小、運(yùn)行穩(wěn)定、安全可靠、安裝調(diào)試方便、運(yùn)行管理和維護(hù)檢修工作量小、抗震性能好、靜電感應(yīng)和無(wú)線電干擾水平低、開(kāi)關(guān)站土建開(kāi)挖量小、施工難度小等優(yōu)勢(shì)。GIS設(shè)備投資雖然較高，但可大幅度減輕高邊坡帶來(lái)的風(fēng)險(xiǎn)。因此，從提高電站運(yùn)行可靠性、提高電站供電質(zhì)量、有利于實(shí)現(xiàn)水電站“無(wú)人值班”管理模式、增強(qiáng)電站在系統(tǒng)的競(jìng)爭(zhēng)能力以及有利于環(huán)境保護(hù)等角度出發(fā)，推薦500 kV高壓配電裝置采用GIS方案。

3 開(kāi)關(guān)站布置方案比選

GIS方案既適用于地面開(kāi)關(guān)站布置也適用于地下開(kāi)關(guān)站布置，因此，應(yīng)對(duì)地面開(kāi)關(guān)站方案和地下開(kāi)關(guān)站方案進(jìn)行比選。

楊房溝水電站為地下廠房，主變洞深埋地下，主變洞一層/二層高程為1 992 m/2 005 m，而地面出線場(chǎng)(或開(kāi)關(guān)站)位于進(jìn)水口上游側(cè)2 102 m高程，500 kV高壓引出線需通過(guò)豎井及平洞將電能引出至地面出線場(chǎng)(或開(kāi)關(guān)站)。

(1) 高壓引出線設(shè)備選擇。高壓引出線設(shè)備通常采用XLPE電纜和GIL兩種型式，對(duì)于地面、地下兩種開(kāi)關(guān)站布置方案，高壓引出線的選擇主要取決于對(duì)應(yīng)的輸送容量。

當(dāng)采用地面開(kāi)關(guān)站方案時(shí)，由于發(fā)變組采用單元接線，每回高壓引出線輸送容量為單臺(tái)機(jī)組容量375 MW，工作電流505 A。若采用XLPE電纜，根據(jù)載流量進(jìn)行選擇，可采用800 mm2截面電纜[6]。按單回長(zhǎng)度700 m考慮，單根電纜裝盤尺寸為4.3 m×4.8 m(直徑×寬)，滿足大件運(yùn)輸尺寸限制。若采用GIL，因GIL最小載流量為3 150 A，顯然可以滿足要求。

當(dāng)采用地下開(kāi)關(guān)站方案時(shí)，500 kV引出線的輸送容量與各出線相同，不考慮一回備用出線的情況下，該電站共兩回出線送至卡拉水電站，考慮N-1原則，單回線路需要能夠送出該電站所有機(jī)組的容量1 500 MW，工作電流為2 020 A。若采用XLPE電纜，根據(jù)載流量進(jìn)行選擇，需要采用2 500 mm2截面電纜，該截面的電纜不僅價(jià)格較高，且國(guó)內(nèi)幾乎沒(méi)有如此大截面電纜在水電站中應(yīng)用的經(jīng)驗(yàn)，從運(yùn)輸角度考慮也無(wú)法滿足單根電纜整盤運(yùn)輸?shù)臈l件，因此，不推薦采用XLPE電纜。GIL最小載流量為3 150 A，輸送能力完全可滿足電站最大輸送容量的要求，因此，當(dāng)開(kāi)關(guān)站位于地下時(shí)，推薦采用GIL方案。

根據(jù)以上比較可知，當(dāng)開(kāi)關(guān)站位于地面時(shí)，XLPE電纜方案和GIL方案均可采用，因XLPE電纜單價(jià)大幅低于GIL，且安裝、運(yùn)行維護(hù)更為方便，因此，從經(jīng)濟(jì)技術(shù)角度綜合比較后推薦XLPE電纜方案。當(dāng)開(kāi)關(guān)站位于地下時(shí)，因普通XLPE電纜無(wú)法滿足輸送容量的要求，因此，推薦采用GIL方案。

(2)開(kāi)關(guān)站布置。根據(jù)電站樞紐總體布置情況，地面開(kāi)關(guān)站(或出線場(chǎng))擬布置于進(jìn)水口上游側(cè)不遠(yuǎn)處，建基高程為2 102 m，此處地勢(shì)相對(duì)平緩，地形相對(duì)規(guī)整，可減小土石方開(kāi)挖工程量，并且對(duì)外交通公路與進(jìn)水口、壩頂公路連通。

采用地面開(kāi)關(guān)站方案，則場(chǎng)地尺寸為120 m×26 m(長(zhǎng)×寬)，GIS樓布置尺寸為110 m×18 m×22.25 m(長(zhǎng)×寬×高)。地下主變洞尺寸為210 m×18 m×20.7 m(長(zhǎng)×寬×頂拱高)，地面開(kāi)關(guān)站方案剖面布置見(jiàn)圖1。

若采用地下開(kāi)關(guān)站布置方案，500 kVGIS布置在地下主變洞室上部，主變洞分2層布置：主變壓器層、500 kV GIS層；地面出線場(chǎng)布置在進(jìn)水口上游側(cè)不遠(yuǎn)處，建基高程為2 102 m，布置出線套管、避雷器等設(shè)備。地下主變洞尺寸為210 m×18 m×35.2 m(長(zhǎng)×寬×頂拱高)；地面出線場(chǎng)尺寸為110 m×15 m(長(zhǎng)×寬)，地下開(kāi)關(guān)站方案剖面布置見(jiàn)圖2。

圖2 地下開(kāi)關(guān)站方案剖面布置圖(單位：m)

(3)開(kāi)關(guān)站布置方案技術(shù)比較。

500 kV高壓引出線及出線洞。根據(jù)上節(jié)論述，當(dāng)開(kāi)關(guān)站位于地面時(shí)，500 kV高壓引出線為4回800 mm2截面銅芯XLPE電纜。當(dāng)開(kāi)關(guān)站位于地下時(shí)，500 kV高壓引出線為3回GIL(其中1回為備用出線回路)。兩種方案的引出線洞數(shù)量均為一個(gè)。

①地下主變洞。地下主變洞長(zhǎng)度和寬度尺寸主要由主變壓器布置決定，不管是地面開(kāi)關(guān)站方案或地下開(kāi)關(guān)站方案，主變洞長(zhǎng)度、跨度相同，長(zhǎng)度為156 m，跨度為18 m。地下開(kāi)關(guān)站方案由于布置GIS主變洞高度比地面開(kāi)關(guān)站方案增加14.5 m(圖3)。雖然主變洞的開(kāi)挖支護(hù)工程量增加，土建投資增加，但由于地下廠房地質(zhì)條件優(yōu)良，支護(hù)難度不大，經(jīng)計(jì)算分析，對(duì)地下洞室群的安全穩(wěn)定性及圍巖穩(wěn)定影響不大。其中，地下開(kāi)關(guān)站方案因500 kV GIS布置于主變洞上部，運(yùn)行維護(hù)更為方便。

圖3 地下開(kāi)關(guān)站方案主變洞布置剖面圖(單位：m)

②地面開(kāi)關(guān)站和出線場(chǎng)。開(kāi)關(guān)站布置在地面時(shí)，出線場(chǎng)與開(kāi)關(guān)站結(jié)合設(shè)計(jì)，出線場(chǎng)布置在500 kV GIS樓頂部，開(kāi)關(guān)站的寬度主要由GIS布置決定，再考慮交通等其他需要，場(chǎng)地寬度尺寸21 m。由于工程區(qū)山坡高聳陡峻，廠區(qū)難以找出相應(yīng)平整場(chǎng)地，需通過(guò)開(kāi)挖整平以布置出線場(chǎng)和GIS室。該場(chǎng)地開(kāi)挖后存在高邊坡問(wèn)題，場(chǎng)地后邊坡高達(dá)160 m，支護(hù)設(shè)計(jì)難度大，高處滾石防護(hù)難度大，不可預(yù)見(jiàn)性安全隱患增大。

圖4 地面開(kāi)關(guān)站方案主變洞布置剖面圖(單位：m)

地下開(kāi)關(guān)站方案的地面出線場(chǎng)寬度主要由出線設(shè)備決定，再考慮交通等其他需要，場(chǎng)地寬度尺寸15 m。由于出線場(chǎng)寬度方向尺寸減小，后邊坡高度降為100 m左右，故地面出線場(chǎng)開(kāi)挖支護(hù)工程量相對(duì)減小，不可預(yù)見(jiàn)性安全隱患相對(duì)地面開(kāi)關(guān)站方案小。

綜上所述，因地面開(kāi)關(guān)站、出線場(chǎng)所處位置山坡陡峭，從土建的角度來(lái)看，要設(shè)法減少土石方開(kāi)挖方量、降低開(kāi)挖高度、降低支護(hù)難度，從而提高經(jīng)濟(jì)性以及設(shè)計(jì)的安全性，因此，推薦地下開(kāi)關(guān)站方案。

(4)綜合比選。從前面兩節(jié)比較可知，地面開(kāi)關(guān)站和地下開(kāi)關(guān)站從技術(shù)角度來(lái)看都是可行的，需進(jìn)一步進(jìn)行經(jīng)濟(jì)比較以確定最終方案。在經(jīng)濟(jì)比較中，只計(jì)入引出線和土建的投資，未計(jì)入500 kV GIS、出線設(shè)備等無(wú)差異部分投資。根據(jù)采集到的國(guó)內(nèi)多個(gè)在建工程外商投標(biāo)價(jià)格和合同價(jià)格，通過(guò)價(jià)格分項(xiàng)分析，取800 mm2銅芯XLPE電纜綜合單價(jià)為0.3萬(wàn)元/單相米(包括兩側(cè)GIS終端)。額定電流為4 000 A的500 kV GIL的綜合單價(jià)取1.5萬(wàn)元/單相米(包括附件、運(yùn)費(fèi)、技術(shù)指導(dǎo)費(fèi)，不包括安裝費(fèi))。

兩個(gè)方案引出線洞均由下平洞、豎井及上平洞組成。GIL較XLPE電纜在豎井中布置尺寸稍大，但相差不大，在經(jīng)濟(jì)比較時(shí)不考慮下平洞及出線豎井土建工程量差異。地下開(kāi)關(guān)站方案上平洞長(zhǎng)度約400 m；地面開(kāi)關(guān)站方案上平洞稍長(zhǎng)，約430 m。兩個(gè)方案斷面尺寸均為6 m×8.5 m(寬×高)。

綜合技術(shù)分析和經(jīng)濟(jì)比較后可得出以下結(jié)論：

① 總體來(lái)說(shuō)，地面開(kāi)關(guān)站方案和地下開(kāi)關(guān)站方案都是可行的。

② 從土建的角度看，地面開(kāi)關(guān)站方案增加了地面工程土石開(kāi)挖支護(hù)工程量，尤其是由于邊坡高度增加導(dǎo)致邊坡支護(hù)防護(hù)難度加大。而地下開(kāi)關(guān)站方案引起地下洞室規(guī)模加大，地下工程土建投資加大。兩者相比，地下開(kāi)關(guān)站方案土建投資比地面開(kāi)關(guān)站方案節(jié)省約3 778萬(wàn)元。

③從電氣設(shè)備的角度看，地面開(kāi)關(guān)站方案和地下開(kāi)關(guān)站方案對(duì)500 kVGIS設(shè)備本身價(jià)格無(wú)影響，GIL設(shè)備投資高出XLPE電纜約6 525萬(wàn)元，XLPE電纜和GIL制造安裝均有相關(guān)工程經(jīng)驗(yàn)。

④綜合土建及電氣設(shè)備投資，地面開(kāi)關(guān)站方案較地下開(kāi)關(guān)站方案節(jié)省投資約2 747萬(wàn)元。

⑤從運(yùn)行維護(hù)的角度看，由于地面開(kāi)關(guān)站方案邊坡增高，增加了一定的不可預(yù)見(jiàn)性安全隱患。地下開(kāi)關(guān)站方案人身和設(shè)備的安全性高于地面開(kāi)關(guān)站方案。

綜合技術(shù)和經(jīng)濟(jì)比較，地面開(kāi)關(guān)站方案較地下開(kāi)關(guān)站方案節(jié)省投資約2 747萬(wàn)元?？紤]到地面開(kāi)關(guān)站尺寸較地面出線場(chǎng)尺寸略大，雖然增加了一定的不可預(yù)見(jiàn)安全隱患，但可對(duì)地面開(kāi)關(guān)站的后邊坡采取設(shè)置混凝土擋墻及攔石網(wǎng)等措施，盡可能阻擋和攔截滾石，來(lái)保證開(kāi)關(guān)站設(shè)備的安全。因此，最終推薦采用地面開(kāi)關(guān)站方案，500 kV高壓引出線采用4回800 mm2XLPE電纜。

4 開(kāi)關(guān)站設(shè)備布置

地面開(kāi)關(guān)站分為GIS樓以及繼保樓，并排布置。GIS樓共兩層，500 kV電纜布置在GIS樓的一層，4回800 mm2截面XLPE電纜通過(guò)出線平洞及豎井與地下主變洞連接，500 kV電纜室靠江側(cè)布置了交通通道。500 kV GIS設(shè)備位于GIS樓的二層，采用戶內(nèi)布置，通過(guò)SF6管道母線引到樓頂500 kV出線場(chǎng)。500 kV出線場(chǎng)布置在GIS樓頂高程，敞開(kāi)式布置。繼保樓共六層，一層為消防水池和消防水泵房；二層為通信設(shè)備室、通信蓄電池室、直流配電室以及蓄電池室；三層為電纜夾層；四層為繼電保護(hù)室；五層為屋頂輔助用房；六層為電梯機(jī)房。

5 結(jié) 語(yǔ)

當(dāng)大型水電站采用地下廠房布置形式時(shí)，其開(kāi)關(guān)站設(shè)計(jì)及電氣設(shè)備選型應(yīng)綜合考慮地形、地質(zhì)條件、工程投資、運(yùn)行可靠性和安全性等方面，通過(guò)技術(shù)、經(jīng)濟(jì)比較和論證，選擇技術(shù)可行、經(jīng)濟(jì)合理的布置方案。尤其是當(dāng)開(kāi)關(guān)站或出線場(chǎng)布置于高邊坡區(qū)域時(shí)，應(yīng)首先考慮高邊坡的風(fēng)險(xiǎn)、降低開(kāi)挖支護(hù)工程量，在保證邊坡安全穩(wěn)定、投資合理的情況下，再考慮電氣設(shè)備的布置和選型。通過(guò)研究，筆者提出了采用地下廠房布置形式的水電站開(kāi)關(guān)站布置選擇的思路、比較方法以及相應(yīng)電氣設(shè)備的選擇，為后續(xù)類似電站的設(shè)計(jì)提供參考。