杨房沟水电站开关站电气设备选型和布置

贾 超 宇， 汪 赞 斌， 朱 思 菁

(中国电建集团华东勘测设计研究院有限公司，浙江 杭州 311122)

1 概 述

杨房沟水电站位于四川省凉山彝族自治州木里县境内的雅砻江中游河段麦地龙乡上游约6 km处，是雅砻江中游河段1库7级开发的第6级，上距孟底沟水电站37 km，下距卡拉水电站33 km。

杨房沟水电站的开发任务为发电，电站装机容量1 500 MW，地下厂房内装设4台375 MW立轴混流式水轮发电机组。发电机-变压器组采用单元接线，发电机出口装设发电机断路器，500 kV侧为4进3出、3个完整串的3/2断路器+1个母线电抗器回路接线，并预留一个双断路器间隔。电站出线回路数为3回(含1回备用)，该期2回出线在卡拉水电站投产前接入盐源换流站，卡拉电站投产后π接入卡拉开关站。

2 高压配电装置型式选择

杨房沟水电站投产后与中游龙头水库两河口联合运行可发挥多年调节作用，是四川电网主力电站之一，保证供电可靠性是设备选型的重要因素。高压配电装置的选型应综合考虑可靠性、经济性、运行维护方便性，并对电气设备投资、土建费用、设备运行维护费、故障损失电量等进行综合评价后确定。

目前，500 kV配电装置的型式主要分为敞开式配电装置(AIS)、混合式配电装置(H-GIS)、SF6气体绝缘金属封闭开关设备(GIS)[1]。

AIS作为常规的布置型式，在我国已有丰富的运行经验，在技术上可以满足杨房沟水电站的要求。其特点是设备投资较低，但布置场地较大，维护工作量大，可靠性略差。初步估算，按照四进三出3/2接线，开关站场地尺寸约为120 m(长)×118 m(宽)[2]。

H-GIS是近年来发展的高压配电装置布置型式，其设备投资和布置尺寸介于AIS与GIS之间，比GIS低30%[3]，可靠性较高。3/2接线的开关站场地尺寸约120 m(长)×68 m(宽)。

GIS型式可靠性高，可布置在户内，场地尺寸小，约120 m(长)×21 m(宽)。

杨房沟电站处于高山峡谷区，两岸边坡陡峻，无平缓阶地，需进行场地开挖，平整后才能进行地面开关站或地面出线场布置。故从该工程的地形条件角度分析，该电站的地面开关站或地面出线场占地越小越好，尤其是在宽度尺寸方面，尺寸越小越好。根据开关站所处位置地形，若采用AIS或者H-GIS方案，地面开关站宽度方向尺寸超过70 m，开挖方量超300万m3，边坡高度超过300 m。若采用GIS方案，所需场地宽度尺寸仅为21 m，边坡开挖方量约50万m3，边坡高度160 m[4]。因此，前者土石方开挖方量巨大，而且支护设计难度大，支护工程量大幅度增加，安全隐患多，工程的不确定性增大，从土建方面来看，技术经济上明显不合理，因此GIS方案有较大优势。

另外，从设备本身来说，GIS在国内外高压和超高压配电装置中已得到越来越广泛的应用，500 kV GIS在国外已有二十多年的运行历史，并且就设备本身的运行可靠性而言，GIS配电装置高于敞开式配电装置10倍以上，检修周期长6倍以上[5]。因此从目前GIS的发展水平和运行业绩来看，技术上GIS可以满足杨房沟水电站的要求。

考虑到该电站在作为四川电网主力电源的重要性，目前国内大型骨干水电站500 kV配电装置选型现状以及近年来500 kV GIS国产化和价格大幅下降的趋势，GIS技术特性远优于AIS或H-GIS。GIS方案具有占地面积小、运行稳定、安全可靠、安装调试方便、运行管理和维护检修工作量小、抗震性能好、静电感应和无线电干扰水平低、开关站土建开挖量小、施工难度小等优势。GIS设备投资虽然较高，但可大幅度减轻高边坡带来的风险。因此，从提高电站运行可靠性、提高电站供电质量、有利于实现水电站“无人值班”管理模式、增强电站在系统的竞争能力以及有利于环境保护等角度出发，推荐500 kV高压配电装置采用GIS方案。

3 开关站布置方案比选

GIS方案既适用于地面开关站布置也适用于地下开关站布置，因此，应对地面开关站方案和地下开关站方案进行比选。

杨房沟水电站为地下厂房，主变洞深埋地下，主变洞一层/二层高程为1 992 m/2 005 m，而地面出线场(或开关站)位于进水口上游侧2 102 m高程，500 kV高压引出线需通过竖井及平洞将电能引出至地面出线场(或开关站)。

(1) 高压引出线设备选择。高压引出线设备通常采用XLPE电缆和GIL两种型式，对于地面、地下两种开关站布置方案，高压引出线的选择主要取决于对应的输送容量。

当采用地面开关站方案时，由于发变组采用单元接线，每回高压引出线输送容量为单台机组容量375 MW，工作电流505 A。若采用XLPE电缆，根据载流量进行选择，可采用800 mm2截面电缆[6]。按单回长度700 m考虑，单根电缆装盘尺寸为4.3 m×4.8 m(直径×宽)，满足大件运输尺寸限制。若采用GIL，因GIL最小载流量为3 150 A，显然可以满足要求。

当采用地下开关站方案时，500 kV引出线的输送容量与各出线相同，不考虑一回备用出线的情况下，该电站共两回出线送至卡拉水电站，考虑N-1原则，单回线路需要能够送出该电站所有机组的容量1 500 MW，工作电流为2 020 A。若采用XLPE电缆，根据载流量进行选择，需要采用2 500 mm2截面电缆，该截面的电缆不仅价格较高，且国内几乎没有如此大截面电缆在水电站中应用的经验，从运输角度考虑也无法满足单根电缆整盘运输的条件，因此，不推荐采用XLPE电缆。GIL最小载流量为3 150 A，输送能力完全可满足电站最大输送容量的要求，因此，当开关站位于地下时，推荐采用GIL方案。

根据以上比较可知，当开关站位于地面时，XLPE电缆方案和GIL方案均可采用，因XLPE电缆单价大幅低于GIL，且安装、运行维护更为方便，因此，从经济技术角度综合比较后推荐XLPE电缆方案。当开关站位于地下时，因普通XLPE电缆无法满足输送容量的要求，因此，推荐采用GIL方案。

(2)开关站布置。根据电站枢纽总体布置情况，地面开关站(或出线场)拟布置于进水口上游侧不远处，建基高程为2 102 m，此处地势相对平缓，地形相对规整，可减小土石方开挖工程量，并且对外交通公路与进水口、坝顶公路连通。

采用地面开关站方案，则场地尺寸为120 m×26 m(长×宽)，GIS楼布置尺寸为110 m×18 m×22.25 m(长×宽×高)。地下主变洞尺寸为210 m×18 m×20.7 m(长×宽×顶拱高)，地面开关站方案剖面布置见图1。

若采用地下开关站布置方案，500 kVGIS布置在地下主变洞室上部，主变洞分2层布置：主变压器层、500 kV GIS层；地面出线场布置在进水口上游侧不远处，建基高程为2 102 m，布置出线套管、避雷器等设备。地下主变洞尺寸为210 m×18 m×35.2 m(长×宽×顶拱高)；地面出线场尺寸为110 m×15 m(长×宽)，地下开关站方案剖面布置见图2。

图2 地下开关站方案剖面布置图(单位：m)

(3)开关站布置方案技术比较。

500 kV高压引出线及出线洞。根据上节论述，当开关站位于地面时，500 kV高压引出线为4回800 mm2截面铜芯XLPE电缆。当开关站位于地下时，500 kV高压引出线为3回GIL(其中1回为备用出线回路)。两种方案的引出线洞数量均为一个。

①地下主变洞。地下主变洞长度和宽度尺寸主要由主变压器布置决定，不管是地面开关站方案或地下开关站方案，主变洞长度、跨度相同，长度为156 m，跨度为18 m。地下开关站方案由于布置GIS主变洞高度比地面开关站方案增加14.5 m(图3)。虽然主变洞的开挖支护工程量增加，土建投资增加，但由于地下厂房地质条件优良，支护难度不大，经计算分析，对地下洞室群的安全稳定性及围岩稳定影响不大。其中，地下开关站方案因500 kV GIS布置于主变洞上部，运行维护更为方便。

图3 地下开关站方案主变洞布置剖面图(单位：m)

②地面开关站和出线场。开关站布置在地面时，出线场与开关站结合设计，出线场布置在500 kV GIS楼顶部，开关站的宽度主要由GIS布置决定，再考虑交通等其他需要，场地宽度尺寸21 m。由于工程区山坡高耸陡峻，厂区难以找出相应平整场地，需通过开挖整平以布置出线场和GIS室。该场地开挖后存在高边坡问题，场地后边坡高达160 m，支护设计难度大，高处滚石防护难度大，不可预见性安全隐患增大。

图4 地面开关站方案主变洞布置剖面图(单位：m)

地下开关站方案的地面出线场宽度主要由出线设备决定，再考虑交通等其他需要，场地宽度尺寸15 m。由于出线场宽度方向尺寸减小，后边坡高度降为100 m左右，故地面出线场开挖支护工程量相对减小，不可预见性安全隐患相对地面开关站方案小。

综上所述，因地面开关站、出线场所处位置山坡陡峭，从土建的角度来看，要设法减少土石方开挖方量、降低开挖高度、降低支护难度，从而提高经济性以及设计的安全性，因此，推荐地下开关站方案。

(4)综合比选。从前面两节比较可知，地面开关站和地下开关站从技术角度来看都是可行的，需进一步进行经济比较以确定最终方案。在经济比较中，只计入引出线和土建的投资，未计入500 kV GIS、出线设备等无差异部分投资。根据采集到的国内多个在建工程外商投标价格和合同价格，通过价格分项分析，取800 mm2铜芯XLPE电缆综合单价为0.3万元/单相米(包括两侧GIS终端)。额定电流为4 000 A的500 kV GIL的综合单价取1.5万元/单相米(包括附件、运费、技术指导费，不包括安装费)。

两个方案引出线洞均由下平洞、竖井及上平洞组成。GIL较XLPE电缆在竖井中布置尺寸稍大，但相差不大，在经济比较时不考虑下平洞及出线竖井土建工程量差异。地下开关站方案上平洞长度约400 m；地面开关站方案上平洞稍长，约430 m。两个方案断面尺寸均为6 m×8.5 m(宽×高)。

综合技术分析和经济比较后可得出以下结论：

① 总体来说，地面开关站方案和地下开关站方案都是可行的。

② 从土建的角度看，地面开关站方案增加了地面工程土石开挖支护工程量，尤其是由于边坡高度增加导致边坡支护防护难度加大。而地下开关站方案引起地下洞室规模加大，地下工程土建投资加大。两者相比，地下开关站方案土建投资比地面开关站方案节省约3 778万元。

③从电气设备的角度看，地面开关站方案和地下开关站方案对500 kVGIS设备本身价格无影响，GIL设备投资高出XLPE电缆约6 525万元，XLPE电缆和GIL制造安装均有相关工程经验。

④综合土建及电气设备投资，地面开关站方案较地下开关站方案节省投资约2 747万元。

⑤从运行维护的角度看，由于地面开关站方案边坡增高，增加了一定的不可预见性安全隐患。地下开关站方案人身和设备的安全性高于地面开关站方案。

综合技术和经济比较，地面开关站方案较地下开关站方案节省投资约2 747万元。考虑到地面开关站尺寸较地面出线场尺寸略大，虽然增加了一定的不可预见安全隐患，但可对地面开关站的后边坡采取设置混凝土挡墙及拦石网等措施，尽可能阻挡和拦截滚石，来保证开关站设备的安全。因此，最终推荐采用地面开关站方案，500 kV高压引出线采用4回800 mm2XLPE电缆。

4 开关站设备布置

地面开关站分为GIS楼以及继保楼，并排布置。GIS楼共两层，500 kV电缆布置在GIS楼的一层，4回800 mm2截面XLPE电缆通过出线平洞及竖井与地下主变洞连接，500 kV电缆室靠江侧布置了交通通道。500 kV GIS设备位于GIS楼的二层，采用户内布置，通过SF6管道母线引到楼顶500 kV出线场。500 kV出线场布置在GIS楼顶高程，敞开式布置。继保楼共六层，一层为消防水池和消防水泵房；二层为通信设备室、通信蓄电池室、直流配电室以及蓄电池室；三层为电缆夹层；四层为继电保护室；五层为屋顶辅助用房；六层为电梯机房。

5 结 语

当大型水电站采用地下厂房布置形式时，其开关站设计及电气设备选型应综合考虑地形、地质条件、工程投资、运行可靠性和安全性等方面，通过技术、经济比较和论证，选择技术可行、经济合理的布置方案。尤其是当开关站或出线场布置于高边坡区域时，应首先考虑高边坡的风险、降低开挖支护工程量，在保证边坡安全稳定、投资合理的情况下，再考虑电气设备的布置和选型。通过研究，笔者提出了采用地下厂房布置形式的水电站开关站布置选择的思路、比较方法以及相应电气设备的选择，为后续类似电站的设计提供参考。