趙 政 ，李 驊

（1.中國電建集團華東勘測設(shè)計研究院有限公司，浙江省杭州市 311122；2.國家能源水電工程技術(shù)研發(fā)中心抽水蓄能工程技術(shù)研發(fā)分中心，浙江省杭州市 311122）

1 概述

天荒坪抽水蓄能電站裝機容量1800MW，安裝6臺300MW機組，是當(dāng)時全國已建和在建的單個廠房裝機容量最大、水頭最高的抽水蓄能電站。當(dāng)時排名據(jù)亞洲第一，世界第二，具有很大的設(shè)計難度。結(jié)合天荒坪工程，我們做了許多開創(chuàng)性的工作，電氣一次設(shè)計具有其一定的特點。

2 電氣一次設(shè)計特點

2.1 機組參數(shù)與結(jié)構(gòu)選擇

天荒坪抽水蓄能電站采用300MW、500r/min單級可逆式機組，屬大容量、高轉(zhuǎn)速機組，當(dāng)時投運的類似機組極少。我國抽水蓄能電站建設(shè)起步較晚，尤其是大容量高轉(zhuǎn)速機組設(shè)備的科研和設(shè)計基礎(chǔ)較薄弱，國內(nèi)大型抽水蓄能機組的制造尚屬空白，資料極為缺乏。因此，一方面積極爭取與國外廠商開展技術(shù)交流，并爭取高等院校、科研單位的協(xié)作和幫助，聯(lián)合研究探討天荒坪設(shè)計中的重大問題，征集國外廠商對天荒坪機組各項參數(shù)的意見和建議；另一方面廣泛收集國內(nèi)外，尤其是國外已建的大型抽水蓄能電站的資料，了解掌握世界上最新的動態(tài)。在此基礎(chǔ)上結(jié)合國內(nèi)外工程實例，通過對可逆式水泵水輪機和發(fā)電電動機主要參數(shù)和特性的研究分析，對機組啟動方式和水泵水輪機不同拆卸方式優(yōu)缺點的比較，提出了水泵水輪機和發(fā)電電動機主要參數(shù)、性能、結(jié)構(gòu)型式和材料強度等方面的選擇原則以及計算方法，解決了大型抽水蓄能機組的選型設(shè)計問題，為完成“八五”國家重大科技攻關(guān)項目“大型抽水蓄能電站機組參數(shù)選擇”做出了貢獻。同時，也加快了天荒坪電站的設(shè)計進度，保證了設(shè)計質(zhì)量，為機組的經(jīng)濟、安全和高效運行奠定了基礎(chǔ)。天荒坪抽水蓄能電站機組的國際招投標(biāo)、水泵水輪機轉(zhuǎn)輪模型試驗和真機運行均表明，設(shè)計提出的機組招標(biāo)文件的技術(shù)規(guī)范是合理的和可行的，選定的機組主要參數(shù)實現(xiàn)了預(yù)期值，達到了世界先進水平?！按笮统樗钅茈娬緳C組參數(shù)選擇”匯編了國內(nèi)外大型抽水蓄能電站工程的資料（包括蓄能機組的結(jié)構(gòu)、參數(shù)與特性、模型特性曲線和流道尺寸、參數(shù)選擇計算工程實例等），對后續(xù)新建的抽水蓄能電站機組參數(shù)的選擇具有重要的價值。

2.2 電氣主接線

根據(jù)天荒坪抽水蓄能電站在系統(tǒng)中擔(dān)任調(diào)峰、填谷、調(diào)頻、調(diào)相與事故備用等任務(wù)以及抽水蓄能電站的特點，確定了以最少的出線回路數(shù)，接入最近的樞紐變電站的設(shè)計原則。天荒坪抽水蓄能電站接入系統(tǒng)方案中，選定以500kV二回出線就近接入瓶窯變電站，避免環(huán)入華東主網(wǎng)，為電站采用簡化電氣主接線創(chuàng)造條件。

2.2.1 高壓側(cè)接線

抽水蓄能電站機電設(shè)備的投資占電站總投資比例遠較常規(guī)水電站高，一般約占40%～60%。因此，簡化電氣主接線對降低蓄能電站的投資具有重要意義。通過多方案分析研究比較，在滿足可靠性和運行靈活性的前提下，500kV電壓側(cè)最終選定了不完全的單母線三分段接線。這樣的主接線為優(yōu)化機電設(shè)備選擇和布置、優(yōu)化保護和控制的設(shè)計提供了可能性，進一步降低了電站機電設(shè)備投資。

2.2.2 發(fā)電機-主變壓器組合

1989年初步設(shè)計報告《主接線方案選定》中，按三回500kV出線接入系統(tǒng)的原則比較了單元接線、聯(lián)合單元接線和擴大單元接線3種方式接線，各接線方式選用不同形式變壓器（三相變壓器、三相雙分裂變壓器、組合三相變壓器和單相變壓器組）進行組合，共擬定了5個方案。從對系統(tǒng)影響、運行可靠性、經(jīng)濟性和運輸條件、場地布置等方面進行分析，最后選定一機一變單元接線，每2個單元接線在高壓側(cè)接成一個聯(lián)合單元的接線方式，共設(shè)3個聯(lián)合單元。現(xiàn)機組與變壓器聯(lián)合單元的接線形式已成為典型設(shè)計。

2.2.3 電站調(diào)壓方式

抽水蓄能電站由于工況轉(zhuǎn)換頻繁，潮流變化大，高壓母線上電壓波動范圍也可能增大。系統(tǒng)設(shè)計部門計算結(jié)果常要求電站采取調(diào)壓措施。對于抽蓄電站通常采用的調(diào)壓措施有兩種：一是加大發(fā)電電動機調(diào)壓范圍，例如廣蓄Ⅰ、廣蓄Ⅱ，由一般的+/-5%加大至+/-7.5%；另一是電站升壓變壓器采用有載調(diào)壓，調(diào)壓范圍由+/-2×2.5%加大至+/-8×1.5%，例如天荒坪、十三陵抽蓄電站等。從經(jīng)濟比較來看，這兩種措施大致相同；但從可靠性來分析，主變壓器加裝帶有載調(diào)壓，由于分接開關(guān)的故障概率約為變壓器故障的25%，可靠性比不帶有載調(diào)壓將有所降低；加之變壓器又布置在地下洞室，有載調(diào)壓開關(guān)發(fā)生事故后果不堪設(shè)想，故天荒坪、十三陵兩抽蓄電站從機組投運以來，變壓器有載調(diào)壓一直未投入運行。因此，今后在接入系統(tǒng)設(shè)計時，首先應(yīng)充分考慮抽蓄機組調(diào)相與進相能力，力求避免在電站內(nèi)設(shè)調(diào)壓裝置。如確需裝設(shè)，對變壓器標(biāo)準(zhǔn)在地下洞室時盡可能選用加大發(fā)電電動機調(diào)壓范圍的方式。

2.2.4 靜止變頻啟動裝置（SFC）

利用靜止變頻啟動裝置（SFC）作為可逆式蓄能機組電動工況的啟動是當(dāng)今大型抽水蓄能電站的常用啟動方式。國外早期抽水蓄能電站，在晶閘管裝置運行經(jīng)驗不多、可靠性還沒有現(xiàn)在那么高時，對機組臺數(shù)較多（如6臺機及以上）的抽蓄電站，如英國的迪諾維克抽水蓄能電站、日本的奧吉野抽水蓄能電站等采用裝設(shè)2套SFC；隨著晶閘管裝置可靠性提高、結(jié)構(gòu)的改進、檢修方便、出故障修復(fù)費時不多，后期投運的一些多機組抽水蓄能電站，例如美國巴斯康蒂抽水蓄能電站，就只裝設(shè)1套SFC?；谏鲜銮闆r，同時考慮到SFC為進口設(shè)備，天荒坪原設(shè)計按1套SFC啟動為主、“背靠背”啟動為輔的原則設(shè)計的。根據(jù)估算，用一套SFC連續(xù)啟動6臺機組約需33min；如用1套SFC加“背靠背”同時啟動，6臺機組總啟動時間約為23min。設(shè)計認(rèn)為，電動工況下這樣的啟動速度應(yīng)能滿足系統(tǒng)調(diào)度的要求。在主機標(biāo)合同談判過程中改按安裝2套SFC進行設(shè)計，且同時仍保留“背靠背”啟動作為備用。因此，天荒坪電站的啟動母線及閉鎖接線十分復(fù)雜。

靜止變頻起動裝置（SFC）主要由輸入變壓器、整流器和逆變器、電抗器、隔離開關(guān)、輸出變壓器、控制系統(tǒng)、保護和監(jiān)測系統(tǒng)組成。SFC的額定電壓可以等于也可以低于發(fā)電電動機的額定電壓。當(dāng)采用低于發(fā)電電動機額定電壓的SFC，其輸入和輸出均需裝設(shè)變壓器，使SFC的電壓能與電源和發(fā)電電動機電壓相匹配。但當(dāng)采用等于發(fā)電電動機額定電壓的SFC，一般輸出端可不需再設(shè)變壓器；至于輸入端是否需設(shè)輸入變壓器，則有的工程設(shè)置而有的工程未設(shè)置。例如天荒坪SFC，輸入端除了裝設(shè)限流電抗器外，還加裝變比為18kV/18kV的輸入變壓器，廣蓄二期SFC的輸入端僅裝設(shè)限流電抗器。天荒坪加裝輸入變壓器的目的，主要是為了減少SFC產(chǎn)生的諧波對供電系統(tǒng)的影響，同時也能起到隔離作用與限制故障電流。輸入變壓器的作用在廣蓄Ⅱ電站得到了驗證，正是由于其未裝設(shè)輸入變壓器，所以在初期運行時曾經(jīng)發(fā)生過SFC投入使用時，其他機組保護發(fā)生無故跳閘停機的事故。據(jù)分析，可能是受到SFC產(chǎn)生的諧波干擾，導(dǎo)致機組保護誤動，后改為加裝輸入變壓器。

華東院對SFC諧波以及設(shè)備的配置進行了深入的研究，并進行了多個電站的實測，研究結(jié)果表明，抽水蓄能電站SFC啟動諧波抑制的合理措施，就是采用SFC和廠用電分支分開引接接線方式，設(shè)置電抗器及配置六脈SFC的方案，SFC再配置輸入變壓器和輸入電抗器，不需要配置濾波器。

2.3 機電設(shè)計中新技術(shù)、新設(shè)備

（1）天荒坪是我國第一個采用超高壓500kV交聯(lián)聚乙烯（XLPE）電纜的工程。

以往國內(nèi)500kV電纜均采用自容式充油電纜，國外大部分也是采用充油電纜。充油電纜存在著火災(zāi)危險，施工和維護都不便，損耗又大，價格也不便宜。經(jīng)過考察、比較，天荒坪工程決定引進交聯(lián)聚乙烯電纜，成為我國首次在500kV電壓級采用交聯(lián)聚乙烯電纜的工程。擠包絕緣的電纜具有無油化的特點、防火性能好、防火設(shè)計簡單、安裝敷設(shè)方便、維護工作量少，而且介質(zhì)損耗低等諸方面的優(yōu)越性，尤其適合于水電站地下廠房的高壓引出連接線。工程實踐表明，該選擇是完全正確的。

（2）采用GIS設(shè)備占地面積小，降低了高邊坡開挖帶來的風(fēng)險。

GIS具有占地面積小、運行安全、可靠、配置靈活、環(huán)境適用性好、維護工作量少且安裝方便等優(yōu)點，特別適合于地形陡峻的抽水蓄能電站。由于采用GIS的開關(guān)站可減小開關(guān)站的面積，因而可減小開關(guān)站的開挖量，降低開挖邊坡的高度，節(jié)省土建投資，提高開關(guān)站開挖邊坡的穩(wěn)定性。雖然GIS價格較貴，但經(jīng)過技術(shù)經(jīng)濟比較，GIS的綜合費用并不比敞開式開關(guān)站高多少。因此，天荒坪抽水蓄能電站選擇采用GIS。

（3）500kV斷路器不加合閘電阻，操作過電壓仍滿足規(guī)范要求，取消合閘電阻。

對于500kV斷路器是否需加裝合閘電阻的問題，由于當(dāng)時有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)尚未修訂，規(guī)定仍需安裝。加裝合閘電阻不僅增加斷路器的價格，而且使結(jié)構(gòu)復(fù)雜化，反而降低運行的操作可靠性?；谔旎钠撼樗钅茈娬?00kV線路很短的特點，經(jīng)清華大學(xué)、國家電科院進行TNA模擬試驗和EMTP數(shù)值計算，證明不裝設(shè)合閘電阻，依靠氧化鋅避雷器就可限制操作過電壓，滿足各種運行方式下統(tǒng)計操作過電壓均小于規(guī)程規(guī)定值，且有一定裕度，從而使各方取得了共識，同意取消合閘電阻，節(jié)省了投資。

（4）發(fā)電電動機采用無外加風(fēng)機的徑軸向通風(fēng)方式，提高了機組運行可靠性和效率。

天荒坪抽水蓄能電站發(fā)電電動機由于轉(zhuǎn)速高（每極容量為27.25MVA），如果通風(fēng)冷卻采用過去常用的外加風(fēng)機方式，噪聲大，運行條件差，眾多的外加風(fēng)機故障幾率高，將降低機組運行可靠性，同時也增加廠用電容量。因此，設(shè)計對采用無外加風(fēng)機的徑向通風(fēng)方式進行了研究，認(rèn)為存在采用這種通風(fēng)方式的可能。但是當(dāng)時國際上尚無如此高的容量機組采用無外加風(fēng)機的徑向通風(fēng)方式的先例。為了避免重蹈國外某些電站失敗的教訓(xùn)，采購合同要求制造廠在真機制造之前先做通風(fēng)模型試驗，試驗成功之后才能投產(chǎn)，以確保真機能一次投產(chǎn)成功。運行多年來的實踐證明，天荒坪工程采用無外加風(fēng)機的徑軸向混合通風(fēng)方式是成功的。

3 抽水蓄能電站電氣一次技術(shù)發(fā)展

3.1 電氣主接線

抽水蓄能電站電氣主接線與抽水蓄能電站廠房結(jié)構(gòu)型式及位置（地下或地面）、電站輸電電壓等級、電站的換相與同期方式選擇（高壓或低壓側(cè)）、機組的啟動方式、廠用電源的引接、電站及機組在電力系統(tǒng)中所占比例等因素有關(guān)。由于抽水蓄能電站工況轉(zhuǎn)換頻繁，操作次數(shù)多的運行特點，要求電氣主接線設(shè)計滿足電網(wǎng)對電站運行安全、可靠、靈活的要求，簡化接線，節(jié)省電站投資。

隨著科技的進步、機電設(shè)備國產(chǎn)化進程的發(fā)展、500kV斷路器造價的降低等，為蓄能電站電氣主接線的優(yōu)化提供了可能。機組與變壓器采用2臺機聯(lián)合單元接線，可簡化高壓側(cè)GIS接線和布置；高壓側(cè)接線采用可靠性計算分析，從供電的連續(xù)性、充裕度和安全性等進行分析，結(jié)合經(jīng)濟性，從技術(shù)經(jīng)濟進行綜合比較。對于4臺機方案，如出線為二回，一般采用四角形、單母線分段接線方案，對于6臺機方案，如出線為二回，一般采用雙母線、五角形接線方案。

就當(dāng)今抽水蓄能電站而言，6臺機組可選用兩臺SFC，取消背靠背啟動方式的典型接線；4臺機組的電站，普遍采用的是1臺SFC加背靠背啟動方式的典型接線。

對于兼有定速、可變速機組的抽水蓄能電站，應(yīng)結(jié)合變速機組的變速范圍、定/變速機組的啟動方式等，設(shè)計相應(yīng)的電氣主接線。對于變速機組，若變速范圍小，交流勵磁裝置容量小，不足以滿足機組電動工況的自啟要求，必須利用SFC裝置進行電動工況的啟動。而隨著機組變速范圍加大，交流勵磁裝置容量足以滿足機組電動工況的自啟要求。因此，應(yīng)對兼有定速、可變速機組的抽水蓄能電站的電氣主接線進行多方案的比較，確定最佳的電氣主接線。

3.2 發(fā)電電動機

隨著我國抽蓄事業(yè)的迅猛發(fā)展，蓄能機組已逐步在向大容量、高轉(zhuǎn)速方向發(fā)展，現(xiàn)已在設(shè)計、制造最高水頭 大 于 700m、350MW-500r/min、350MW-600r/min及400MW-500r/min的蓄能機組。對于大容量、高轉(zhuǎn)速的發(fā)電電動機，轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)設(shè)計、推力軸承設(shè)計、通風(fēng)設(shè)計、轉(zhuǎn)子材料選擇，主要部件剛強度、軸系穩(wěn)定、機組振動及廠房振動等，是關(guān)注的重點。近年來，充分利用先進的計算工具，對機組關(guān)鍵部件進行有限元計算和疲勞分析；進行綜合物理場的數(shù)值分析；開展高速大容量機組的振動研究；對多個抽水蓄能電站進行實測，全方位開展抽蓄電站的廠房結(jié)構(gòu)動力計算和動力特性研究以及抽蓄電站的廠房振動控制標(biāo)準(zhǔn)的研究。

隨著優(yōu)化新能源運行及提升優(yōu)質(zhì)電網(wǎng)的需要，大容量變速機組的應(yīng)用日益迫切。作為一種先進的電網(wǎng)穩(wěn)定運行的調(diào)節(jié)手段，可變速蓄能機組也是常規(guī)定速蓄能機組發(fā)展到一定規(guī)模后的有益的補充和具備強大調(diào)節(jié)功能的關(guān)鍵節(jié)點。變速機組的發(fā)展也是柔性電力技術(shù)的體現(xiàn)，用基于整流橋的發(fā)電機勵磁裝置代替直流發(fā)電機勵磁，使電力系統(tǒng)在穩(wěn)態(tài)及暫態(tài)控制中的響應(yīng)速度、精確度大大提高。國內(nèi)首座交流變速機組電站豐寧抽蓄電站已在設(shè)計建設(shè)中，變速機組設(shè)計時，應(yīng)特別關(guān)注轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)、大型交流勵磁裝置、機組自啟動性能等。

迄今為止，蒸發(fā)冷卻水輪發(fā)電機已在國內(nèi)大寨、安康、李家峽、三峽地下電站4個水電站的6臺機組上成功采用。隨著發(fā)電電動機容量及轉(zhuǎn)速的提高，如何保證發(fā)電電動機安全、可靠、穩(wěn)定、高效運行將是極大的挑戰(zhàn)。由于發(fā)電電動機頻繁啟停、負(fù)荷陡變，由此產(chǎn)生的交變熱應(yīng)力是影響機組安全穩(wěn)定的關(guān)鍵因素。發(fā)電電動機采用蒸發(fā)冷卻可以降低頻繁啟停過程中定子鐵芯所受熱應(yīng)力，提高槽電流，減少定子槽數(shù)，減少轉(zhuǎn)子直徑從而提高轉(zhuǎn)子的安全可靠性，冷卻風(fēng)量減少從而降低風(fēng)摩損耗及噪聲等。不久的將來，有望設(shè)計、制造擁有我國自主知識產(chǎn)權(quán)的蒸發(fā)冷卻發(fā)電電動機。

3.3 500kV高壓電纜

繼天荒坪工程后，華東院相繼在桐柏、宜興、寶泉、響水澗、仙游、仙居、洪屏、績溪、長龍山等抽蓄電站中采用500kV交聯(lián)聚乙烯（XLPE）電纜。隨著500kV電纜及電纜終端國產(chǎn)化進程的發(fā)展，國內(nèi)抽水蓄能電站幾乎全部采用XLPE電纜（除個別采用GIL母線）。單根電纜的長度已從1000m向1300m甚至更長的方向發(fā)展，預(yù)計到2025年單根長度超過1500m的應(yīng)用工程將投入運行。

3.4 其他

3.4.1 電氣設(shè)備布置

隨著工作的不斷改進和優(yōu)化設(shè)計，相繼在抽水蓄能電站設(shè)計中采用三維設(shè)計、通用設(shè)計及通用工藝設(shè)計等，以提高設(shè)計水平。借助三維設(shè)計減少設(shè)計差錯，提高設(shè)計效率，縮短設(shè)計周期，解決了多專業(yè)協(xié)同問題。通用工藝設(shè)計統(tǒng)一了抽水蓄能電站工藝設(shè)計原則，對抽水蓄能電站的預(yù)埋管、預(yù)埋件、接地、電纜橋架及電纜敷設(shè)、小口徑管路、支吊架、盤柜接線等工藝設(shè)計進行了細(xì)致的規(guī)定和統(tǒng)一。

3.4.2 廠用電設(shè)計

鑒于抽水蓄能電站的運行逐步向無人值班過渡，遇有故障時應(yīng)能自動處理，不需要現(xiàn)場人工即時干預(yù)，本著“故障導(dǎo)向安全”的設(shè)計原則，建議中壓廠用電系統(tǒng)中性點采用經(jīng)低電阻接地方式，同時保證保護的選擇性和靈敏度滿足要求，以確保電站的安全穩(wěn)定運行。

3.4.3 水淹廠房反事故措施

針對減少水淹廠房的風(fēng)險，進行了廠用電接線的設(shè)計優(yōu)化。廠用電系統(tǒng)設(shè)計時加強上下水庫區(qū)域及開關(guān)站、生產(chǎn)控制樓等地面建筑及設(shè)備設(shè)施供電可靠性，采取通過引接地區(qū)電源或柴油發(fā)電機等措施提高供電可靠性；涉及水淹廠房安全的電氣設(shè)備盡量考慮放置在水輪機層以上，對于不具備條件的盡量采用保護等級為IP67的設(shè)備；注意應(yīng)急照明電源的供給、分級和分層設(shè)計和布置、斷路器設(shè)置原則、燈具及其開關(guān)的防水功能等。更進一步對水淹廠房事故后的排水系統(tǒng)進行應(yīng)急電源設(shè)計，及疏散通道的設(shè)計。

3.4.4 電纜防火設(shè)計

關(guān)于電纜防火設(shè)計，嚴(yán)格按照電纜設(shè)計規(guī)范、電站消防設(shè)計規(guī)范、廠用電設(shè)計規(guī)程等進行。正確選擇電纜型號，采取不同電壓等級的電纜分層布置、分段封堵、動控分離等相應(yīng)措施等，以減少火災(zāi)隱患。

4 結(jié)束語

天荒坪抽蓄電站的設(shè)計，為華東院后續(xù)抽水蓄能電站的設(shè)計打下了堅實的基礎(chǔ)。隨著更高水頭、更高轉(zhuǎn)速、更大容量的蓄能機組的設(shè)計及建造，抽蓄機組參數(shù)選擇及結(jié)構(gòu)設(shè)計面臨著更大的挑戰(zhàn)，發(fā)電電動機轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)、推力軸承、通風(fēng)等設(shè)計，轉(zhuǎn)子材料選擇，主要部件剛強度、軸系穩(wěn)定、機組振動及廠房振動等均需要重點關(guān)注，需要我們總結(jié)經(jīng)驗并不斷進步。