深溪沟主接线由单母线调整为四角形接线的利与弊

周 勇

(国电大渡河深溪沟水电有限公司，四川汉源 625304)

1 概述

大渡河深溪沟水电站位于四川省汉源县和甘洛县交界处，为大渡河干流规划的第十八级电站，工程以发电为主，装机容量为66万kW，年发电量为32.4亿 kW·h。

电站枢纽由河床式厂房、窑洞式安装间、泄洪闸、冲沙闸、挡水坝等水工建筑物组成，坝顶高程662.5 m，大坝坝顶长226 m，最大坝高101 m。电站装设4台轴流转桨式水轮发电机组，单机容量为165 MW，额定水头30 m，最大水头40 m，最小水头 20.1 m。

该工程于2006年3月22日经国家发改委核准，4月12日正式开工，2007年11月6日截流，首台机组计划于2010年7月1日发电，后续间隔5个月、4个月和3个月第二台、三台和第四台机组陆续发电。

2005年3月25日，中国电力工程顾问集团公司在北京主持了《四川大渡河深溪沟水电站接入系统设计》报告评审会，根据西南电力设计院2005年3月提供的《四川大渡河深溪沟水电站接入系统设计》报告，会议通过了深溪沟水电站接入系统单母线接线方案(图1)。

图1 深溪沟水电站接入系统单母线主接线方案图

该主接线方案是在枕头坝、沙坪梯级电站没有明确建设主体背景下设计规划的，根据当时的情况，拟将下游的枕头坝电站(负荷为72万kW)接入深溪沟备用回路，并经深溪沟和瀑布沟水电站接入系统(图2)。

图2 大渡河中游电站群接入系统示意图

随着枕头坝、沙坪水电站建设主体明确由大渡河流域开发公司组织开发，西南电力设计院于2008年对深溪沟下游的梯级电站接入系统进行了调整设计。根据新的接入系统，要求深溪沟水电站的电气主接线要考虑下游枕头坝电站和沙坪水电站的接入。据最新资料，枕头坝、沙坪各按两级设计，枕头坝一级、二级和沙坪一级、二级水电站装机容量分别为72万 kW、24万 kW、44万kW、35万kW，容量合计为175万kW，电站装机容量较最初的设计有大幅提高。

上述接入深溪沟水电站的电站数量和装机容量发生了巨大变化，对深溪沟水电站升压站的可靠性和运行灵活性提出了更高的要求。为此，2008年12月4日，水电水利规划设计总院在北京主持召开了《大渡河深溪沟水电站电气主接线调整设计报告》审查会议，会议认为:四角形接线其可靠性高，运行灵活，检修方便，可减少电站弃水，适合本电站，同意深溪沟水电站升压站500 kV侧接线采用四角形接线方案(图3)。

图3 四角形主接线图

2 主接线方案综合比较

2.1 安全可靠性

水电站主接线的选择应满足电力系统对电厂稳定、可靠性的要求，以及对电厂机组运行方式的要求，且不致造成水库大量弃水、进而严重影响到电厂效益和安全运行。

2008年，根据调整后的初步输电方案，深溪沟水电站的电气主接线要满足深溪沟、枕头坝和沙坪(175万kW左右)等电站的电力通过瀑布沟水电站送入系统，或深溪沟水电站(极端情况下包括瀑布沟水电站180万kW)的电力通过枕头坝(沙坪)电站送入系统的两种运行方式。这样的运行方式使深溪沟水电站500 kV侧存在较大的交换功率，成为大渡河中下游电站群川电东送和华中电网西电东送的区域枢纽站，因此而对深溪沟电气主接线的安全可靠性和运行灵活性提出了更高的要求。

国家电网公司、电监会以及国电集团公司对枢纽站全停、电网及设备事故定义如下:

(1)《国家电网公司十八项电网重大反事故措施》第5条 防止枢纽变电站全停事故要求如下:

第5.1.1条:枢纽变电站在站内部分母线或一条输电通道检修情况下，发生N－1、N－2故障时不应出现变电站全停的情况。

注释:N－1原则是判定电力系统安全性的一种准则，又称单一故障安全准则。按照这一准则，深溪沟水电站的N个元件中的任一独立元件(发电机、输电线路、变压器等)发生故障而被切除后，应不造成因其他线路过负荷跳闸而导致用户停电;不破坏系统的稳定性，不出现电压崩溃等事故。

(2)电监会《电力生产事故调查暂行规定》对重大电网事故的定义和级别规定如下:

第九条:电网发生有下列情形之一的大面积停电，为重大电网事故:

①电网负荷为20 000 MW以上的，减供负荷8%;

②电网负荷为10 000 MW以上、不满20 000 MW的，减供负荷10%或1 600 MW;

③电网负荷为5 000 MW以上、不满10 000 MW的，减供负荷15%或1 000 MW;

④电网负荷为1 000 MW以上、不满5 000 MW的，减供负荷20%或750 MW;

⑤电网负荷为不满1 000 MW的，减供负荷40%或200 MW。

(3)集团公司《中国国电集团公司事故调查规程》对重大设备事故定义如下:

装机容量400 MW以上的发电厂，一次事故造成2台及以上机组非计划停运并造成全厂对外停电的，为重大设备事故。

由此可见，深溪沟500 kV升压站如果因母线失电造成全站停电和区域电网解列，会造成设备重大故障和电网重大事故。北京电网草桥变电站因GIS气室内部故障引发的全站失电和太原第一电厂因GIS设备故障造成全厂停电造成的后果都十分严重、影响恶劣。因此，深溪沟主接线的安全可靠性显得尤为重要。

单母线接线方式最大的缺陷是母线停运(母线检修、故障，线路故障后线路保护或断路器拒运)将使全部支路停运，即停电范围为该母线段的100%，且停电时间长;若为母线自身损坏，须待母线修复之后才能恢复各支路运行。

四角形接线实质上是一种单环形接线，每个回路用2台断路器进行操作。该接线形式充分利用了每一回路的断路器，任一组断路器检修(故障)不影响回路的连续运行，即任何一组断路器故障时均能确保全厂1/2以上容量正常运行，系统可靠性高，操作方便、灵活，且我国水电系统对角形接线积累了较丰富的运行经验，在已投运发电的大型水电站500 kV电气主接线设计中，采用双母线接线的数量最多，占48%;其次为采用一倍半接线和角形接线电站，占40%;单母线接线的电站占2%。

2.2 技术可靠性

2.2.1 全厂失电几率比较

大渡河中下游电站群包括瀑布沟、深溪沟、枕头坝、沙坪水电站，合计装机容量达600万kW，是川电外送和西电东送的主力电源，在华中电网占据十分重要的地位，该电站群的稳定运行和所创造的经济效益是电网安全的重要考核指标。

深溪沟水电站作为该电站群的枢纽电站，其运行可靠性、安全性对供区的能源平衡起着非常重要的作用，能在上、下游事故情况下迅速反应，起着互为备用的作用，能缩小事故范围、减少停电时间、降低经济损失，故电站应选择具有较高可靠性和运行灵活性的电气主接线方案，应更好的满足电力系统稳定和可靠性要求，以及对电厂机组运行方式的要求。

深溪沟主接线的单母线方案在前期枕头坝线路未投入运行时，下列故障可能造成全厂失电的重大事故:

(1)至瀑布沟水电站输出线路故障;

(2)至瀑布沟水电站输出线路侧断路器故障;

(3)单母线本体故障;

(4)单母线YH故障。

下列故障可能造成主变压器停电事故:

(1)主变侧断路器故障;

(2)至主变侧分支母线故障。

深溪沟主接线的角形方案，在前期枕头坝线路未投入运行时，只有瀑布沟水电站输出线路发生故障，才可能造成全厂失电的重大事故;只有主变侧分支母线发生故障，才可能造成主变压器停电、两台机组停机事故。

由上述比较可以看出:角形接线造成全厂失电的几率比单母线下降了300%，可靠性提高了3倍;造成主变压器停电、两台机组停机的几率下降了100%，可靠性提高了1倍。主接线由单母线改为角形接线，其任何一条进/出线均由原来的一台断路器连接改为两台断路器连接，任何一台断路器的检修或故障都不影响线路的持续运行。

采用角形接线方式，任何一组断路器故障时均能确保全厂1/2以上容量正常运行;而单母线运行时，任何一台断路器的检修或故障都将造成其相应的设备停电。

2.2.2 线路输出负荷能力比较

随着枕头坝、沙坪水电站的投入运行，在大渡河中下游形成电站群以后，对各电站交换功率的能力又提出了更高的要求。

由主接线比较可知，单母线接线其任何一台断路器的检修或故障都将造成其相应的设备停电，而深溪沟作为枕头坝、沙坪水电站一个重要的输出通道，设备的不可靠性将造成负荷送出通道阻塞或中断，会造成枕头坝及沙坪机组窝电乃至停机等事故发生;若瀑布沟四回送出线因冰冻等自然灾害需要通过深溪沟承担部分功率送出到沙坪至系统时，深溪沟的交换输出能力就显得更加重要。

根据目前的规划，枕头坝二级、沙坪一级水电站的负荷经过沙坪二级水电站往乐山输出，而沙坪二级水电站预可研报告中拟采用的单母线接线方案也增加了运行的不可靠性，若出现深溪沟、沙坪二级出线回路同时故障的极端情况，将造成241万kW电量无法送出，其经济损失不可估量。

采用角形接线后，就电站本身设备而言，除增加区域电网的灵活性和可靠性外，还具有以下优点:

(1)对深溪沟而言，不会因至瀑深线侧断路器故障造成四台机组或主变压器侧断路器故障而导致两台机组无法送电的情况出现。

(2)枕头坝、沙坪四级电站在沙坪二级负荷送出通道中断或阻塞的情况下，其负荷可通过深溪沟升压站至瀑布沟升压站送出。

(3)增加深溪沟、枕头坝、沙坪等下游水电站机组运行方式的可靠性。

(4)增加深溪沟、枕头坝、沙坪等下游电网调度方式的灵活性。

(5)可为系统提供更多、可调度的备用机组，便于流域机组电量统一调度从而实现经济效益最大化。

2.3 经济比较

主接线采用角形接线方案将增加部分设备。根据合同价格，约增加1 000万元左右的投资。按照10年回收期计算，每年分摊100万元。深溪沟水电站装机66万kW，按上网电费0.3元计算，每年四台机组只需满负荷运行5 h，就能收回投资。

而当设备本身故障、造成全厂停电或2台机组停电，如果在5 h或者10 h之内能够恢复运行，则将与增加的投资持平;超过5 h或者10 h，将造成更大的经济损失。

国内已投运的GIS设备由于气体泄露或微量水分超标、断路器本体及主母线设备内部发生故障，要在短时间内恢复设备的正常运行几乎是不可能的，其造成相应设备停电的时间将远远大于5 h或10 h。三峡电厂、二滩电厂都发生过GIS气隔漏气;龙滩电厂GIS自投运以来，已停电更换了80多个密度继电器，这些故障在GIS设备运行过程中时常发生，故障处理时间均较长。因此，采用角形接线，减小因设备故障停运造成的经济损失是非常有利的，也有利于大渡河中下游电站群负荷的灵活分配，增大其输送电量的能力。

2.4 实际应用中的优势

2011年1月5日，瀑布沟至东坡变电站550 kV输电线路布坡一、二、三、四线均因冰雪雨冻灾害先后倒塔，送出线路全部中断，导致瀑布沟、深溪沟全厂停电。1月6日，经省电力公司全力抢修，瀑坡三、四线相继投入运行。深溪沟电站随即开机发电并网，在合断路器进行环网操作时，一台断路器瞬间跳闸并伴有弧光产生，现场对怀疑出现故障的设备的SF6气体做成份分析时发现2B主变侧电磁式电压互感器因铁磁谐振过电压击穿烧毁，需返厂重新制作更换，估计耗时30余天。此时，四角形接线方式较单母线接线方式的经济效益优势凸显。因采用四角形接线方案，只需断开与2B主变电压互感器相关的断路器，实行开环方式运行，在不影响机组正常发电的情况下等候更换该组电压互感器。

由此可见，在本次事故中，因采用四角形接线方式，留下了足够的时间抢修该组电压互感器，同时又不影响机组的正常发电运行，从而避免了大量的经济利益的损失。

3 结语

根据发电机-变压器组合方式和500 kV侧接线的技术和经济比较，并综合运行安全性、可靠性分析以及对枕头坝、沙坪梯级水电站运行方式和负荷调度的灵活性、经济型的阐述，采用角形接线，无论从深溪沟水电站的运行安全性、可靠性、经济性，以及对枕头坝、沙坪梯级水电站运行和调度的灵活性、安全性都十分有利，且更有利于区域电网的统一调度。