三河口电站（泵站）电气主接线设计

毛 敏，张 蕾

正在建设中的陕西省引汉济渭工程三河口水利枢纽是以供水为主的既抽水又发电的水利枢纽工程，其电气主接线的设置对工程造价、设备选型、工程布置、后期运行等具有极其重要的意义。工程中采用变频调速装置既实现低频抽水又实现低频发电的应用尚属国内首次，其对电气主接线的确定有着十分重要的影响。

1 工程概况

陕西省引汉济渭工程由三大部分组成，即黄金峡水利枢纽、三河口水利枢纽和秦岭输水洞（黄三段和越岭段）工程。根据工程任务，三河口水库有供水和补水两种运行方式；结合工程运行特点，三河口水利枢纽坝后设置地面厂房，厂房内装有2台可逆式水泵水轮机组和2台常规水轮发电机组；可逆式水泵水轮机组单机容量为12.5 MVA，用以满足供水（发电工况）和抽水（水泵工况）两种工况运行方式，额定电压为10.5 kV，抽水工况下机组额定功率因数0.95，发电工况下机组额定功率因数0.85。常规水轮发电机组单机额定功率为20 MW，额定电压为10.5 kV，额定功率因数0.85[1]。

2 电站（泵站）接入系统设计

电站接入系统设计不仅关系到电力系统的安全稳定运行，而且保证电站运行的可靠性和经济性。三河口水利枢纽接入系统在抽水和发电两种工况下接入电力系统有不同的要求，并需考虑抽水工况下电动机的启动对电力系统的影响。

引汉济渭工程主要任务是从汉江向关中地区的工业及城市调水，工程等别属于Ⅰ等大（1）型，可靠性要求高，中断供电将影响供水的正常运行。该工程用电负荷等级属于二级，根据供配电系统设计规范要求，二级负荷的供电系统，宜由两回线路供电，同时供电的两回线路中，当有一回路中断供电时，其余线路应能满足全部一级负荷及二级负荷[2]。

三河口水利枢纽电站（泵站）接入系统设计要求电站（泵站）出线采用2回，1回110 kV线路接入大河坝110 kV变电站，导线采用LGJ-240，供电距离约6.5 km；1回接入黄金峡变110 kV母线，导线LGJ-240，线路亘长21 km。

为了保证电网运行安全，三河口电站（泵站）电动机不允许全压启动，主变压器采用有载调压变压器；供电系统的设计按水利部门统一管理运行设计；三河口枢纽电站容量不大，在系统中不具备削峰填谷的能力。

3 电气主接线设计

三河口水利枢纽的主要运行方式为结合供水发电，工程建成后机组既要向电力系统输送电能，也需要由电力系统供给电能；作为水泵工况运行时电动机容量相对较大，这些因素都对电气设备选择、主接线方案拟定、电气设备布置等方面影响较大。因此除了满足常规水电站主接线简单清晰、可靠、运行灵活等原则外，还要满足水泵水轮机在发电工况及电动工况不同容量、不同运行方式的要求。机组发电和电动工况不同时运行，发电工况下，4台机组有同时运行的可能，总装机容量为60 MW；水泵运行工况时，2台水泵水轮机有同时运行的工况，抽水总装机容量24 MW。

3.1 电站（泵站）的运行方式

三河口枢纽水库的水位变差较大，造成机组的扬程（水头）变幅很大，相关专业提出采用变速调速装置满足可逆式机组电动工况的启动，实现机组在抽水及发电工况下的变速运行；并实现常规水轮发电机组在低水头下发电运行，满足不同流量放水需要，扩大机组运行水头范围，增强流量的调节能力，提高供水保证率，使三河口水利枢纽的“调节中枢”更好地发挥作用，经过低水头的变频发电，电站年发电量也可增加1091万kWh。

本工程建成后受引汉济渭调水控制中心调度，机组没有调相及备用等功能要求。常规水轮发电机组有额定转速发电、降转速发电、静止3种基本运行工况。两台常规水轮发电机组在额定转速375 r/min下的发电容量20 MW，低水头时采用变频调速装置运行，机组控制最大出力小于10 MW，此时机组的最低转速为225 r/min，单机放水流量小于20 m3/s，低水头下两台机最大放水流量约40 m3/s。

可逆式水泵水轮机组有额定转速抽水、降转速抽水、额定转速发电、降转速发电、静止5种基本运行工况，送出功率大小根据调度要求的供水流量确定。两台水泵水轮机在额定转速500 r/min下运行时发电容量10 MW，机组在低水头（扬程）时采用变频调速装置运行，机组的最低转速为300 r/min，单机放水流量约5 m3/s,两台机最大放水流量约 10 m3/s。

3.2 发电机与变压器的组合方式

根据电站（泵站）装机容量、台数、工程建设的主要任务、电动工况及发电工况两种不同运行方式下的不同容量，可选用一台主或和两台主变的接线方案。从保证工程的可靠性、灵活性和工程投资的经济性对两种接线方案进行技术经济比较。

3.2.1 一台变压器和两台变压器接线的技术比较

一台主变接线简单、清晰、运行维护方便，发电、电动机用电均通过一台主变，110 kV进出线回路数较少；经计算10 kV母线短路电流为50.29 kA，母线及主变故障或检修，影响全部机组。

两台变压器的接线方案由于增加了一台主变压器，副厂地占地面积较大、设备投资较大；但10 kV母线短路电流为28.3 kA，有利于10 kV电气设备的选择，且一台主变或一段母线故障只影响两台机组运行，接线简单、清晰，运行可靠、灵活。

若电站内2台常规水轮发电机组和2台水泵水轮机组各接一台主变压器，主变压器需选用不同容量，设备选择、管理运行维护复杂，因此，考虑两台主变压器各带一台常规水轮发电机组和一台水泵水轮机组，见图1。

图1 一台变压器和两台变压器主接线方式比较

表1 方案投资比较表 单位：万元

3.2.2 一台变压器和两台变压器接线的经济比较

方案投资比较见表1。

3.2.3 方案选择

经过对发电机变压器组合方式的经济、技术比较，两种方案的造价相差不大，两台变压器的接线使机组运行更灵活，能满足两种工况下机组不同运行方案，因此选用两台40 MVA的三相双绕组有载调压电力变压器各带一台常规发电机组和一台水泵水轮机组接线，10 kV侧母线形成单母线分段接线。

3.3 换相开关的设置

作为既发电又抽水的电站（泵站），其必不可少的特殊设备之一为换相开关，它的主要作用是通过转换电源的相序以实现发电工况或抽水工况时发电电动机的不同方向旋转。换相开关需满足发电、抽水及开停机等工况的频繁切换，可选用断路器，也可选用隔离开关，我国大型抽水蓄能电站的换相开关基本采用三相五极式隔离开关，结构较复杂，国内无定型产品，价格较高[5]。

图2 机组发电工况电气接线图

本工程机组容量较小，采用两台真空断路器并联即可满足工程不同工况下的换相要求，图2中QF23和QF24、QF25和QF26为本工程的换相开关。发电电动机发电工况下，QF23、QF31和QF25、QF32接通，两台机组进入发电运行状态；发电电动机电动工况下，QF24、QF26、QF31、QF32 接通，两台机组在电动机工况下运行。

3.4 变频调速装置接线

三河口水利枢纽最大的特点是采用变频调速系统使水泵水轮机组在低水头/低扬程下仍能稳定发电/抽水，并在抽水工况下，作为另一台水泵水轮机组泵工况运行的备用启动方式。为了满足机组低水头/低扬程的运行工况，机组在低频发电（抽水）工况下发出（接受）低频、低压的电力通过变频调速装置逆变为50 Hz和额定电压10.5 kV的交流电向电网（电机）输送。

3.4.1 水泵水轮机组泵工况下的运行

两台可逆式水泵水轮机进行低频抽水运行时两台机组10 kV母线按单母线分段运行，两台机组分别与两台主变形成一机一变的接线方式。

发电电动机作为电动机工频运行时，由变频调速装置通过QF42开关回路拖动使机组转动接近同步转速，满足同步并网条件后，机组切换至工频回路运行，变频调速装置退出运行，启动结束。

发电电动机作为电动机变频运行时，变频调速装置直接通过QF42开关拖动机组启动并按照预先设定的低频运行。

当一台变频调速装置故障不能运行时，另一台变频调速装置能实现对两台机组的变频启动并完成对变频装置所对应机组的变频运行功能，此时电动机母线按单母线运行。

3.4.2 低水头的变频发电运行

低水位变频发电运行时，要求两台变频调速装置分别实现其所对应的两台机组的变频发电，且常规水轮发电机组和可逆式水轮发电机组不同时运行。

常规水轮发电机组在变频运行时控制最大发电功率为10MW最低运行转速为225 r/min，对应频率为30 Hz；可逆式水泵水轮机组最低运行转速为300 r/min，对应频率为30 Hz。

低水头运行时，通过开关QF41、QF46或QF42、QF45回路与变频调速装置及电网相连接，机组在变频调速装置控制下启动升速，电机输出的低频、低电压交流电通过变频调速装置逆变至工频及额定电压的交流电，向电网输出功率。

3.4.3 10 kV侧接线

结合以上各种运行工况，确定三河口电站（泵站）10kV侧常规水轮发电机组、可逆式水泵水轮机组及变频调速装置的接线见图3。

图3 10 kV侧电气接线图

3.5 110 kV侧接线

依据接入系统要求，电站（泵站）采用两路110 kV一级电压送出，厂房内装设两台额定容量为40 MVA的主变压器，110 kV高压侧采用单母线接线。

经比较，110 kV配电装置采用户内GIS开关站在技术上有着明显的优势，后期运行几乎为免维护设备，运行人员巡视环境较好，劳动强度低，且布置上可结合主变压器、副厂房布置统一考虑，运行维护均较为方便。

4 结语

三河口电站（泵站）电气接线的设置既要满足机组供水发电需求，又要满足水泵抽水需求，既要满足机组工频运行要求，又要满足机组变频运行要求。

通过经济、技术综合比较，三河口电站（泵站）110kV高压侧采用单母线接线简单、经济、安全，并能满足接入系统要求；10 kV侧四台机组形成单母线分段接线，机组按一台常规水轮发电机组和一台可逆机组均衡配置，通过两台40 MVA的三相双绕组有载调压电力变压器与110 kV高压侧相连接。每段母线上接一台变频调速装置以满足本段母线所连接机组的变频运行要求，并作为另一段母线上发电电动机电动工况时备用启动装置；每台发电电动机配置两台并联的真空断路器实现工频发电及工频电动时的换相要求。

[1]刘斌等.三河口水利枢纽初步设计报告[R].西安:陕西省水利电力勘测设计研究院，2015.

[2]GB50052-2009，供配电系统设计规范[S].北京:中国机械工业联合会，2010.

[3]水利电力部西北电力设计院.电力工程电气设计手册 电气一次[M].北京:中国电力出版社，1989:P45～72.

[4]阮全荣.大型水电站电气主接线设计研究 [J].水电电气，2007,141：P4～9.

[5]姜南.深圳抽水蓄能电站换相开关设置位置的比较[J].水电电气，2007，140：P42～44.