超大型水电站电气主接线设计

超大型水电站电气主接线设计陈树文（水利部水利水电规划设计总院，北京100011）摘要：在总结分析我国超大型水电站电气主接线设计选择的基础上，对我国超大型水电站电气主接线设计选择发展趋势进行了展望，并提出新的设计理念。

关键词：超大型水电站；电气主接线；可靠性；灵活性；经济技术指标1 前言电气主接线设计是超大型水电站电气设计的核心。

在超大型水电站装机规模、台数，电站接入系统电压、出线回路数、距离和位置确定的条件下，主接线设计对主变压器、断路器等主要电气设备的容量、台数、型式的选择与布置，对电站主要机电设备的继电保护、监控系统的设计，对厂房布置、枢纽布置以及机电设备和土建投资，环境保护和水土保持等都密切相关，有着较大的影响。

而且，电气主接线设计对电站本身和电力系统的安全、可靠、经济运行也起着十分重要的作用。

因此，电气主接线设计不仅是技术含量高、涉及范围广的一项错综复杂的系统工程，又是衡量设计水平的一个重要标志。

我国超大型水电站建设起步较晚，大多数始建于20世纪80年代，至今已建成或即将建成的超大型水电站主要有白山、万家寨、小浪底、丹江口、葛洲坝、刘家峡、龙羊峡、二滩、岩滩等18座。

这18座超大型水电站的电气主接线设计，主要有如下几种方式：双母线接线、一倍半接线、角形接线、单母线接线和变压器—线路组接线（详见表1）。

由表1可知，按电压等级统计，其220kV电压采用双母线接线（包括双母线带旁路、分段接线，以下相同）的有7座电站，占58％；采用变压器—线路组接线的有2座电站，占17％；采用单母线、角形和1倍半接线的各1座电站，各占8％。

330kV电压采用双母线接线的有2座电站，占50％；采用角形和一倍半接线的各1座电站，各占25％。

500kV电压采用双母线接线的有2座电站，占22％；采用一倍半接线的有6座电站，占67％；采用角形接线的有1座电站，占11％。

而按电站数量统计，在18座超大型水电站的电气主接线设计中，采用双母线接线的数量最多，为13座电站，占48％；其次为采用一倍半接线，有8座电站，占30％；采用角形接线的有3座电站，占10％；而采用变压器—线路组接线的有2座电站，占7％；单母线接线的有1座电站，占4％。

由此可知，无论是按电压等级统计，还是按电站数量统计，采用双母线接线的占多数，超过50％；其次为采用一倍半接线，接近30％。

在220kV电压采用双母线接线的占多数，500kV 电压采用一倍半接线的占多数。

这就是我国超大型水电站电气主接线设计的基本状况和发展水平。

双母线接线和一倍半接线何以成为我国超大型水电站电气主接线设计的主流呢，现分析如下。

2 电气主接线设计的特殊要求电气主接线设计一般应满足可靠性、灵活性、经济性三项基本要求。

由于超大型水电站在电力系统中地位十分重要，其供电容量大、范围广，一旦发生事故可能使系统稳定遭破坏，甚至致使系统解裂，造成巨大损失。

为此，在借鉴国外电力工业发达国家电气主接线设计经验的基础上，我国对大机组（单机容量200MW以上），或电站总装机容量1000 MW以上，或电站出线电压330～500kV 超高压的电站电气主接线设计，对其可靠性提出了如下特殊要求：（1）任何断路器检修，不影响对系统的连续供电；（2）任何一进出线回路断路器故障或拒动以及母线故障，不应切除一台以上的机组和相应的线路；（3）任何断路器检修和另一台断路器故障或拒动相重合，以及当母线分段或母线联络断路器故障或拒动时，不应切除两台以上的机组和相应的线路；（4）对于单机容量为300 MW的电厂，经过论证，在保证系统稳定和电厂不致全停的条件下，允许切除两台以上机组。

在常用的主接线中，一般有以下三种类型可以满足上述要求：双母线（三分段或四分段）带旁路接线；一倍半接线；角形接线（三～五角形）。

由于角形接线受进出线回路数限制，一般其进出线回路数不宜多于5回，又由于超大型水电站在电力系统中绝大多数承担调峰任务，机组开停机频繁，且停机时间较多，造成开环运行，使可靠性降低，因此角形接线采用较少。

而一倍半接线，虽然可靠性较高，但设备投资也较高，特别是当进出线回路数大于8回以上时，设备投资超过双母线四分段带旁路接线，所以一般在220kV电压等级主接线设计中不宜采用一倍半接线。

这就是我国超大型水电站电气主接线设计大多数采用双母线接线（特别在220kV电压等级主接线设计中）和一倍半接线的主要原因之一。

3 电力系统对超大型水电站电气主接线设计的要求由于超大型水电站电气主接线不仅是电站自身的核心，同时也是电力系统的一个重要组成部分，因此电气主接线设计与电力系统基本状况和要求是密切相关的。

20世纪90年代前，我国电力系统在发电与用电关系上，长期处于供不应求，供需矛盾十分突出；在电源与电网建设上，电网建设大大滞后于电源建设，电网结构比较薄弱。

为保证电力系统稳定、安全运行，对超大型水电站电气主接线的设计，不仅要求有较高的可靠性，且应有较大的灵活性。

除应满足前述的4条特殊要求外，电站电气主接线的设计必须依据电站接入系统设计进行设计，而电站接入系统设计是由电力系统管理的设计单位进行的，是与水电站建设部门分属于不同的两个行业部门，而两个行业部门之间的利益发生矛盾是难免的。

一般在水电站接入系统设计中，为了弥补电网建设的不足，往往设计的规模偏大，不尽合理，且还要对电站电气主接线提出推荐方案。

而水电站电气主接线的设计单位对其推荐的电站电气主接线是不可小视的。

可靠性、灵活性与经济性，在工程设计中是一个有机的整体，不可只重可靠性、灵活性而忽视经济性，要统筹兼顾，方可做出最优设计。

4 机电设备发展水平要求过去我国发电、变电、开关等机电设备制造技术比较落后，产品质量不高，特别是大型或超高压设备制造技术和产品质量与国外先进水平存在较大差距。

设备故障率高，检修周期短、可利用率低。

因此，从电站电气主接线的设计要求上，对其可靠性和灵活性提出了较高的要求，以弥补设备制造技术和产品质量存在的不足。

5 传统设计观念和运行管理习惯要求工程设计中，在不违背有关规程的条件下，一般参照国内外类似工程实例进行设计，是一种十分简单、适用而又可靠的设计方法，也是设计者最为常用的设计方法之一。

由于历史原因，我国第一座大型水电站或先期建设的大型水电站设计模式基本上是参照苏联或日本的设计。

如丰满、水丰、云峰、新安江、富春江、三门峡、丹江口电站等，其电气主接线的设计大多数采用苏、日早期采用较多的双母线接线。

在我国20世纪80年代前投产的装机容量250 MW以上的16座大型水电站中，有11座电站采用双母线接线。

这是我国超大型水电站电气主接线设计大多数采用双母线接线（特别在220kV电压等级主接线设计中）的又一个主要原因。

电站运行管理习惯的要求。

电站电气主接线设计得如何，很大程度上取决于电站运行管理单位的认同。

在我国20世纪80年代前的大型水电站的运行管理人员，大多来自丰满水电站，而丰满电站及东北地区的其他一些电站采用双母线接线的较多。

因此，他们对双母线接线运行较熟悉，并在长期生产运行实践中形成了习惯。

这也是我国超大型水电站电气主接线设计大多数采用双母线接线的又一个原因。

上述对双母线接线和一倍半接线何以成为我国超大型水电站电气主接线设计的主流，从几个方面进行了分析。

由于篇幅所限，对这两种接线自身的一些特点不再赘述。

综上分析，过去几十年来，我国超大型水电站电气主接线设计主流是正确的，基本与我国电力系统的发展水平，大型、超高压机电设备制造技术水平和产品质量，以及电站运行管理水平是相适应的。

这种接线为电站和电力系统的可靠、安全、经济运行都发挥了重要作用。

然而，进入20世纪80年代后，即改革开放二十多年来，我国国民经济飞速发展。

电力工业、机电设备制造行业，特别是计算机技术和通信技术发展速度更是遥遥领先于其它行业。

电力系统规模成倍增长，80年代前，单机容量300MW 水轮发电机组仅有刘家峡电站1台机组，而今已投入运行的300MW及以上容量的水轮发电机组已有40多台，单机容量已达到550MW。

而单机容量700MW的世界最大的三峡电站的投入运行，已是指日可待。

500kV超高压输电线路已从平—武线一条，发展到今日贯穿我国大江南北。

水轮发电机组、输变电开关设备，特别是大型机组和超高压输变电开关设备制造技术水平得到很大提高。

目前，国内主要的大型水轮发电机组制造厂和开关设备制造厂都与国际著名公司进行了各种方式的合作，制造技术水平与国际先进水平之间的差距已大大缩小。

而计算机监控技术在水电站的应用发展，更令人感到震惊。

它已不是从无到有，而是在新建的大中型水电站中基本取代了常规监控系统，电站运行无人值班已不是什么神话。

计算机技术已不再是以一种新技术存在于社会，而是当今和未来世界经济与人类社会发展的最大的、最具潜力的、最不可缺少的和最为重要的推动力，并在越来越多地影响和改变着人们的思维方式和生活方式。

计算机技术在各行业的应用程度已成为衡量其发展水平的一个重要标志。

还有一点也是特别重要的，这就是我们国家的经济体制已由计划经济转向了市场经济。

这个变化是最大的变化，因为它涉及各行各业，各个领域。

以上简单概述了作为设计基础和基本依据方面所发生的巨大变化。

然而，作为设计者的设计思维方式，相对而言，变化得却不是很大。

虽然计算机代替了计算尺，甩掉了图板，但先进的设计手段与落后的传统设计思维方式之间的矛盾却日益突出。

主要表现在对设计基础和设计规程研究不够，与工程实际发展不相协调；市场经济意识不强；技术与经济之间的关系本末倒置。

在工程方案中，技术可一票否决，而经济却可这可那，可高可低。

只重一次投资，不重长期效益，缺少科学的评价依据等等。

其根本原因是人的设计思维模式还没有从计划经济的思维模式中解脱出来。

以上是具有共性的普遍问题，具体反映在电气主接线的设计方面，主要表现在对电气主接线设计的基础条件设计规程、规范、电力系统；大机组和超高压输变电设备的制造技术、质量；电气主接线设计的现状和发展趋势，以及工程建设和运行管理要求等研究不够。

例如，许多地区电力系统基本上是供大于求，那么对电源可靠性要求是否要视不同地区情况进行适当调整；六氟化硫断路器和GIS的应用取代了SW系列油断路器，那么对电气主接线设计中由于主要设备性能、质量的极大提高，其电气主接线是否可适当简化；由于采用计算机监控和微机保护后实现无人值班、少人值守，其主接线形式应如何选择；为满足环境保护的要求、电站经济运行和管理体制的要求，其主接线形式应如何选择等等。

那么，过去几十年形成的双母线接线和一倍半接线是否还应成为我国超大型水电站电气主接线设计的主流？以及今后的发展趋势如何？由上可知，鉴于我国超大型水电站电气主接线设计的重要基础条件已发生重大改变，过去几十年形成的双母线接线和一倍半接线显然不应继续成为我国超大型水电站电气主接线设计的主流。