趙 政 ，李 驊

（1.中國電建集團華東勘測設計研究院有限公司，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。當時排名據(jù)亞洲第一，世界第二，具有很大的設計難度。結(jié)合天荒坪工程，我們做了許多開創(chuàng)性的工作，電氣一次設計具有其一定的特點。

2 電氣一次設計特點

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，當時投運的類似機組極少。我國抽水蓄能電站建設起步較晚，尤其是大容量高轉(zhuǎn)速機組設備的科研和設計基礎較薄弱，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計問題，為完成“八五”國家重大科技攻關項目“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計進度，保證了設計質(zhì)量，為機組的經(jīng)濟、安全和高效運行奠定了基礎。天荒坪抽水蓄能電站機組的國際招投標、水泵水輪機轉(zhuǎn)輪模型試驗和真機運行均表明，設計提出的機組招標文件的技術(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)中擔任調(diào)峰、填谷、調(diào)頻、調(diào)相與事故備用等任務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)化機電設備選擇和布置、優(yōu)化保護和控制的設計提供了可能性，進一步降低了電站機電設備投資。

2.2.2 發(fā)電機-主變壓器組合

1989年初步設計報告《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3個聯(lián)合單元?，F(xiàn)機組與變壓器聯(lián)合單元的接線形式已成為典型設計。

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)壓開關發(fā)生事故后果不堪設想，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)設計時，首先應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)設調(diào)壓裝置。如確需裝設，對變壓器標準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1套SFC。基于上述情況，同時考慮到SFC為進口設備，天荒坪原設計按1套SFC啟動為主、“背靠背”啟動為輔的原則設計的。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。設計認為，電動工況下這樣的啟動速度應能滿足系統(tǒng)調(diào)度的要求。在主機標合同談判過程中改按安裝2套SFC進行設計，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、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變壓器；至于輸入端是否需設輸入變壓器，則有的工程設置而有的工程未設置。例如天荒坪SFC，輸入端除了裝設限流電抗器外，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 機電設計中新技術(shù)、新設備

（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、防火設計簡單、安裝敷設方便、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設備占地面積小，降低了高邊坡開挖帶來的風險。

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的開關站可減小開關站的面積，因而可減小開關站的開挖量，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，由于當時有關標準尚未修訂，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)復雜化，反而降低運行的操作可靠性。基于天荒坪抽水蓄能電站500kV線路很短的特點，經(jīng)清華大學、國家電科院進行TNA模擬試驗和EMTP數(shù)值計算，證明不裝設合閘電阻，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機的徑軸向通風方式，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），如果通風冷卻采用過去常用的外加風機方式，噪聲大，運行條件差，眾多的外加風機故障幾率高，將降低機組運行可靠性，同時也增加廠用電容量。因此，設計對采用無外加風機的徑向通風方式進行了研究，認為存在采用這種通風方式的可能。但是當時國際上尚無如此高的容量機組采用無外加風機的徑向通風方式的先例。為了避免重蹈國外某些電站失敗的教訓，采購合同要求制造廠在真機制造之前先做通風模型試驗，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機的徑軸向混合通風方式是成功的。

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。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，應結(jié)合變速機組的變速范圍、定/變速機組的啟動方式等，設計相應的電氣主接線。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)設計、推力軸承設計、通風設計、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，是關注的重點。近年來，充分利用先進的計算工具，對機組關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準的研究。

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計建設中，變速機組設計時，應特別關注轉(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、負荷陡變，由此產(chǎn)生的交變熱應力是影響機組安全穩(wěn)定的關鍵因素。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，冷卻風量減少從而降低風摩損耗及噪聲等。不久的將來，有望設計、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，預計到2025年單根長度超過1500m的應用工程將投入運行。

3.4 其他

3.4.1 電氣設備布置

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

3.4.2 廠用電設計

鑒于抽水蓄能電站的運行逐步向無人值班過渡，遇有故障時應能自動處理，不需要現(xiàn)場人工即時干預，本著“故障導向安全”的設計原則，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險，進行了廠用電接線的設計優(yōu)化。廠用電系統(tǒng)設計時加強上下水庫區(qū)域及開關站、生產(chǎn)控制樓等地面建筑及設備設施供電可靠性，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的設備；注意應急照明電源的供給、分級和分層設計和布置、斷路器設置原則、燈具及其開關的防水功能等。更進一步對水淹廠房事故后的排水系統(tǒng)進行應急電源設計，及疏散通道的設計。

3.4.4 電纜防火設計

關于電纜防火設計，嚴格按照電纜設計規(guī)范、電站消防設計規(guī)范、廠用電設計規(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、動控分離等相應措施等，以減少火災隱患。

4 結(jié)束語

天荒坪抽蓄電站的設計，為華東院后續(xù)抽水蓄能電站的設計打下了堅實的基礎。隨著更高水頭、更高轉(zhuǎn)速、更大容量的蓄能機組的設計及建造，抽蓄機組參數(shù)選擇及結(jié)構(gòu)設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、通風等設計，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注，需要我們總結(jié)經(jīng)驗并不斷進步。