大型灯泡贯流式机组水力发电厂接入系统与电气主接线的选择研究

【摘  要】本文根据近几年装机容量较大、机组台数较多的灯泡贯流式机组水力发电厂工程作为案例，对该水力发电厂所导入的最初设计原理进行研究，再结合施工过程中实际的现场施工进度及施工环境的变化，初步制定了双母线接线等四种接线方案，经过实际数据勘验，对实验所采用的接线方案进行分析对比，进一步完善了本次实验的主要接线方案。根据实验结果，明确了进线有断路器的联合单元接线方案，采用该种接线方式，更加符合其设计特点和技术要求，因此，该种接线方式值得更多大型灯泡贯流式机组水力发电厂借鉴。

【关键词】灯泡贯流式机组;主接线设计方案;优化与完善;导入系统

引言

近年来，随着我国可再生能源的快速发展，利用水力资源发电的占比率也逐年升高。作为水力资源占世界首位的中国，其水力发电的开发潜力无疑是不可估量的。因此，借助我国独有的自然资源优势，响应可持续发展战略，进一步扩张水力发电的建设。在现有的水力资源下，普遍呈现出低水头水资源极其丰富、水头变化大的特点。也正因为如此，才有了灯泡贯流式发电机组的问世，并且，该机组在大型贯流机组水电厂中投入使用最多，具备投资成本相对较低，建造相对方便，建造周期较短，施工地点相对平缓，机组的运输相对容易等特点，更加铸就了其广泛的应用市场。随着灯泡贯流式机组水力发电厂内的机组台数不断增多，机组容量逐渐增大，在确保其能够合理、安全的将电厂电能导入电力系统，而且还要有效的降低生产成本，最大化经济效益，研究大型灯泡贯流式机组水力发电厂的电气主接线的接入系统方案则显得尤为重要[1]。与接入系统关系最为密切，影响程度最大的水力发电厂电气主接线也被叫做电气主系统，该系统根据电气生产的工序和主要技术要求连接而成的接受和分配电能的电路，是所有发电厂电气部分的主体，也是最重要的组成部分。不同于过去的立式轴流机组，灯泡贯流式机组更能有效的提高发电效率，减少发电厂成本的开销，被广泛使用。

1水电站原电气主接线设计方案

1.1国内水力发电厂的研究现状

国内大型灯泡贯流式机组尽管投入使用与国外相比相对较晚，但是由于国内丰富的水力资源，而且机组容量越大，采用灯泡贯流式机组产生的效益越大，因此该项技术发展极为迅猛。现根据国内某一水力发电厂的实际工作环境及发电机组的额定数据进行对比，分析不同接线模式中的最优方案，现有数据如下：

某水力发电厂位于某流域的下游，使用低坝河床式开发方式，根据上下游水位落差18m的势能发电，该装机容量为：240MW，并配备4台单机容量为56MW的灯泡贯流式水轮发电机组。

1.2发电机与变压器的组合方式

现阶段，我国主要的灯泡贯流式机组水力发电厂接线方式为：联合单元接线、扩大单元接线及单元接线[2]。以下就接线方式不同所产生结果的不同进行数据分析，讨论得出最佳接线方案。

联合单元接线方式：

主要优点：停运频次低，任何一台发电机停运都不影响其它发电机运行;运行灵活性良好，供电可靠性较高，有效的降低高压进线回路，减少其运行成本，产生较高的经济效益。联合单元接线的方式可根据其断路器的安装方式的变化归纳为以下两类：①将高压断路器固定安装在主变高压一侧;②将断路器固定安装在主变低压一侧。

单元接线方式：

主要优点：单元接线容易，开关设备少，操作简单。因其不设发电机电压级母线，而在发电机和变压器之间采用封闭母线，使得在发电机和变压器低压侧短路的几率和短路电流相对于具有发电机电压级母线时，有所减小。

扩大单元接线方式：

主要优点：减少主变和主变侧断路器的数量，节省高压配电装置占地面积，经济性较好;任一台机组停机都不影响厂用电的供电，可靠性好。

①联合单元接线方式及单元接线方式对比：

根据本次大型灯泡贯流式机组的数据显示：该电厂配备四个发电机组，联合单元接线及单元接线这两种接线方式均采用双母线接线，其中，单元接线含4个进线回路，使用1.5倍的断路器接线方式，而联合单元接线含2个出线回路，1个备用出线回路，因此，单元接线比联合接线多了两个进线回路。由于，当下的高压断路器的价格日趋下降，單元接线方式的价格优势越来越明显，更加适合于大型灯泡贯流式机组。

②单元接线方式与扩大单元接线方式对比：

相比于扩大单元接线方式，单元接线更加简单明了，方便操作。而且，如果电厂的电机全部关闭停止，单元接线的变压器能够自动根据电机开关进行相应的启停，有效的减少了空载状态下的损耗，大大降低了水电厂的生产成本。同时，扩大单元接线方式采用两台共用一台变压器的方式，加重了对变压器的依附性，而单元接线方式则有效的避免了该类情况的发生，更加的安全可靠，应对突发情况也更加从容[3]。另外，扩大单元接线方式的变压器结构相当复杂，提高了水电厂的生产成本，因此，在选择接线方式时，采用单元接线方式更加合理、安全、易施工。也符合水电厂的经济效益要求。

1.3单元接线发电机与变压器接入500kV主网

根据上文对比分析后，该水力发电厂使用单元接线方式，导入500kV主网，进出线方式改成4回进线，3回出线。通过对一倍半断路器接线、出线双断路器双母线接线和双母线接线三种接线方式进行数据分析，探讨各个接线方式的优缺点，筛选最佳接线方案。

①一倍半断路器接线方式：

主要优点：该种接线方式的断路器和母线出现问题时，不会相互影响，也不会引起线路断电。主要缺点：当遇到用电高峰期时，必须增加额外的断路器，否则很难达到调峰的要求[4]。

②双母线接线方式：

主要优点：安全性、可靠性较高。

主要缺点：由于该种接线方式检修极为繁琐，而且断路器几乎不会出现问题，所以，采用该种双断路器其实并不特别实用，相应的还会增加生产成本。

③双母线接线方式：

主要优点：操作灵活，安装简便。非常适用于电站调峰要求，而且所需设备较少，不需要过多的投入。

结合以上分析：建议该水力发电厂采用双母线接线方式。

2方案再优化

通过对双母线接线方式进行二次调整、优化以及数据分析，筛选出最佳方案，具体如下：

①双母线接线：

移除原方案上的备用回路，移除线路并联电抗器设备;

②单母线分段接线：

采用隔离开关或断路器将单母线分段的电气主接线，其灵活性相对较弱。

③桥联接线：

全部移除进、出线断路器。

④联合单元接线：

在桥联接线的方案上移除桥联回路断路器，设立两个互不影响的联合单元。

3方案对比分析

对上述四个方案进行研究对比，结论如下：

以上四种接线方式均适合长时间供电需求，单母线分段接线、桥联接线、联合单元接线在安全性上都略高于双母线接线。其次，该水电站的电路系统路线较短，发生电路问题的可能性较低，因此，更适合选择桥联接线。但桥联电路受制于本身的联络断路器，如果该元件发生故障，将不可避免的引起机组停机[5]。所以，使用联合单元接线方式更加的安全可靠。

4结论

结合电站自身的运作方式及特点，并通过上述所有分析论证对比后，总结得出最优方案：变压器和发电机之间采用单元接线的方式，并且在变压器高压一侧增设断路器，在发电机出口一侧增设隔离开关;在两组联合单元接线的母线之间设置两组串联隔离开关的联接跨条;并且在2号机和3号机端口处增设发电机断路器。

参考文献：

[1]田克琴，TIANKe-qin.大型灯泡贯流式机组一次调频关键技术探讨[J].广西水利水电，2017（2）：61-63.

[2]钟象新.大型灯泡贯流机组調速系统运行异响及振动原因探讨[J].珠江水运，2019（15）108-109.

[3]徐兰坤.灯泡贯流式水轮发电机通风冷却方式概述[J].东方电气评论，2018（2）：60-65.

[4]阳水财.小型发电机组接入系统设计研究[J].中国设备工程，2017（14）193-195.

[5]潘熙和，聂伟，程玉婷，etal.特大型多喷嘴冲击式水轮机调速系统研究[J].长江科学院院报，2019，36（6）：146-152.

作者简介：

刘伟岩，男，1988.05、汉族、内蒙古赤峰市人、本科、助理工程师、研究方向：电气专业。

（作者单位：内蒙古大唐国际海勃湾水利枢纽开发有限公司）