郭亮輝，逄 亮，杜才明

(中國水利電力對外有限公司，北京 100120)

蘇阿皮蒂水利樞紐項(xiàng)目是西非幾內(nèi)亞共和國孔庫雷河梯級開發(fā)的第二級，距首都科納克里約135 km。本工程水庫正常蓄水位210 m對應(yīng)庫容63.17億m3，裝機(jī)容量450 MW，工程等別為Ⅰ等，工程規(guī)模為大(1)型。主要建筑物有碾壓混凝土重力壩、壩后廠房、進(jìn)場公路及橋梁等。

電站裝機(jī)4×112.5 MW=450 MW，保證出力184 MW，建成后為區(qū)域主力電站。發(fā)變組單元接線，機(jī)端電壓15.75 kV，通過225 kV雙回線路與下游約6 km的凱樂塔電站(裝機(jī)240 MW，2015年6月投產(chǎn))聯(lián)網(wǎng)，電力主要送科納克里。從225 kV凱樂塔變電站，已建30 kV雙回施工電源至電站工地，發(fā)電后作為系統(tǒng)供給電站的備用廠用電源。工程于2016年4月開工，計(jì)劃2020年9月首臺機(jī)投產(chǎn)發(fā)電，2021年1月工程竣工。

關(guān)于機(jī)組出口斷路器(以下簡稱GCB)，法國電力局的預(yù)可研、法國咨詢Tractebel公司(TEF)的初期意見是不設(shè)置，但中國的初設(shè)總報(bào)告、業(yè)主要求中又有設(shè)置。技術(shù)經(jīng)濟(jì)上的可行性到底如何，論證由此展開。

1 行業(yè)現(xiàn)狀

對于單元接線發(fā)變組之間是否設(shè)置GCB，規(guī)范并無明確規(guī)定，國內(nèi)外的通行做法也不一致。國內(nèi)前期的大中型機(jī)組基本上不設(shè)置，但近年來有增加配置的趨勢。法國電力局在幾內(nèi)亞規(guī)劃的電站，含已投產(chǎn)的凱樂塔，本工程以及其它電站的預(yù)可研設(shè)計(jì)是不設(shè)置的。TEF參建、世界范圍內(nèi)已運(yùn)行多年的數(shù)十個大中型電站，也絕大多數(shù)未設(shè)置，運(yùn)行正常。由于該斷路器并非普通配電型斷路器，性能要求特殊，指標(biāo)參數(shù)嚴(yán)苛，大容量斷路器的設(shè)計(jì)制造長期以來被西門子、ABB等國外極少數(shù)企業(yè)壟斷，價格昂貴。近年來國產(chǎn)化進(jìn)程已取得了一定進(jìn)展，對于整個水電站，該設(shè)備成本所占比重小，所以國內(nèi)設(shè)計(jì)已逐步傾向于設(shè)置。

GCB的設(shè)置與否，應(yīng)該說技術(shù)上各有優(yōu)缺點(diǎn)。如果電站的實(shí)際情況滿足不設(shè)置的條件，則不設(shè)置的技術(shù)經(jīng)濟(jì)性較好。如果是調(diào)頻電站，并且系統(tǒng)、外來備用廠用電不可靠，則應(yīng)設(shè)置。另外，不設(shè)置對機(jī)組滅磁系統(tǒng)、主變高側(cè)斷路器，以及有關(guān)繼電保護(hù)、自動裝置可靠性有較高的要求。因此，需結(jié)合機(jī)組的運(yùn)行方式、系統(tǒng)外來廠用電源的可靠性等諸多因素統(tǒng)籌考慮，并完善廠用電接線、強(qiáng)化有關(guān)技術(shù)措施。本工程具體情況及GCB設(shè)置的優(yōu)缺點(diǎn)分析如下。

2 機(jī)組運(yùn)用方式

2.1 電氣主接線

225 kV為雙母線接線，發(fā)變組為一機(jī)一變單元接線，無發(fā)電機(jī)電壓母線，無近區(qū)中壓供電出線，無高壓備用廠變。發(fā)變組之間采用離相金屬封閉式母線，絕緣可靠性高。機(jī)端廠用變(圖1中1ST、2ST)從1、4號發(fā)電機(jī)封閉母線引接。

圖1 蘇阿皮蒂水電站電氣主接線圖

如果不設(shè)置GCB，機(jī)組啟停操作從主變高側(cè)并、解列，廠用變隨同切換操作，將影響廠用電的連續(xù)性，因此不適用于調(diào)峰運(yùn)行、頻繁啟停的機(jī)組。

2.2 機(jī)組運(yùn)用方式

壩址以上流域面積10 800 km2，總庫容63.17億m3，調(diào)節(jié)庫容39.4億m3，年均來水103.3億m3，屬多年調(diào)節(jié)水庫，旱季保證出力184 MW。現(xiàn)電網(wǎng)最小負(fù)荷系數(shù)k(Pmin/Pmax)=0.7，將來按0.6進(jìn)行測算。通過歷年逐月來水量、調(diào)節(jié)庫容演算的逐月發(fā)電量、平均出力、最大出力、最小出力如表1。

表1 發(fā)電量及出力表

數(shù)據(jù)表明旱季最低出力在145～150 MW，能保持2臺機(jī)帶基荷運(yùn)行，其余機(jī)組調(diào)峰，7-10月主汛期，最低出力210～267 MW，能保持3臺機(jī)帶基荷運(yùn)行。由于下游凱樂塔電站為徑流式電站，水庫無調(diào)節(jié)能力，與本電站應(yīng)基本等比例出力運(yùn)行，所以也至少有1臺機(jī)常年帶基荷運(yùn)行。因此，不管是本站機(jī)端廠用電，還是外來備用廠用電，供電可靠性有保障，為發(fā)變組單元接線形式取消GCB提供了基本條件。

3 外來廠用電源

全站停機(jī)檢修期間，或帶機(jī)端廠用變的兩臺機(jī)組因故停機(jī)時，需要可靠的系統(tǒng)或外來廠用電源?，F(xiàn)有兩路30 kV臨時施工電源從凱樂塔變電站引接，分別從該變電站225 kV Ⅰ、Ⅱ段母線直接降壓而來。本工程投產(chǎn)發(fā)電后，該兩路30 kV外來電源作為永久線路，分別對400 V Ⅰ、Ⅱ廠用母線供電，與機(jī)端廠用電源互為備用，自動切換。因此，若不設(shè)置GCB，其電源數(shù)量也符合設(shè)計(jì)規(guī)范對大型水電站的有關(guān)要求。

4 GCB的工作條件

發(fā)變組單元接線，主變高壓側(cè)斷路器與GCB，兩臺斷路器相互串聯(lián)，都能實(shí)現(xiàn)機(jī)組的解、并列，也都能切除外部，以及發(fā)變組內(nèi)部的短路故障電流。

從可靠切除故障來說，多一臺斷路器，多一重保障。如其中一臺拒動，另一臺能無時間級差地、不擴(kuò)大停電范圍地動作切除，似乎可靠性高些。但其中任一臺故障，又都將導(dǎo)致該臺發(fā)電機(jī)組不能運(yùn)行，斷路器本身的故障概率也增加了一倍。所以說串聯(lián)運(yùn)行設(shè)備并非越多越好，同一功能和作用的串聯(lián)設(shè)備，應(yīng)該是簡單更可靠些。

GCB之所以價格昂貴，并非該設(shè)備作用特別大，質(zhì)量特別好，而是因?yàn)槠渌幑ぷ魑恢锰厥猓谠擖c(diǎn)切除的短路電流要比主變高側(cè)大得多、也復(fù)雜得多，設(shè)計(jì)制造標(biāo)準(zhǔn)高、難度大。機(jī)端短路電流具有直流分量大、回路阻抗小等特點(diǎn)，GCB需要開斷、關(guān)合的峰值、穩(wěn)態(tài)短路電流在本站將數(shù)十倍于主變高側(cè)。在短路開斷直流分量、失步電流，應(yīng)對瞬態(tài)恢復(fù)電壓陡度高等方面有特別的、嚴(yán)苛的指標(biāo)要求。所以選擇安裝GCB，在該位置切除短路故障電流要求很高，容量越大難度也越大，風(fēng)險(xiǎn)也越大，代價也越大。這也是大中型機(jī)組在GCB的設(shè)計(jì)選型方面偏向于謹(jǐn)慎的原因。

5 優(yōu)缺點(diǎn)及注意事項(xiàng)

綜上所述，本站不設(shè)置GCB在技術(shù)經(jīng)濟(jì)上是可行的，其主要優(yōu)點(diǎn)為：

1)由主變高壓側(cè)斷路器切除的故障電流、直流分量大幅減小。對來自于發(fā)變組、系統(tǒng)的各種短路故障電流，通過主變高壓側(cè)斷路器切除，比GCB切除要小得多，并且被主變有效隔離了直流分量，有利于斷路器的設(shè)計(jì)選型和快速可靠切除故障。

2)降低了機(jī)端15.75 kV系統(tǒng)短路故障概率。增加GCB還要配套增加隔離開關(guān)、地刀等三相聯(lián)動設(shè)備，短路故障概率增加。發(fā)電機(jī)和主變之間的連接為離相式全封閉金屬結(jié)構(gòu)，應(yīng)盡量不外引連接其它三相設(shè)備，以保持其高絕緣可靠性。

3)避免了GCB本身一旦出現(xiàn)重大故障，將長時間影響發(fā)電機(jī)運(yùn)行。

4)主變中性點(diǎn)接地運(yùn)行數(shù)量減少(幾內(nèi)亞為全部主變中性點(diǎn)直接接地)，使225 kV系統(tǒng)近端零序短路電流下降，減輕接地故障對設(shè)備的損害。

5)主變年運(yùn)行小時等同于機(jī)組的年運(yùn)行小時，年平均下降約50%。每年因此減少主變空載損耗約120萬kWh。

6)節(jié)省了GCB及其測控、保護(hù)裝置的相應(yīng)費(fèi)用。

缺點(diǎn)及注意事項(xiàng)為：

①啟停機(jī)組時，機(jī)端廠用變同時投退，廠用電倒換操作較多，影響其連續(xù)性、穩(wěn)定性。

②啟停機(jī)組使主變高側(cè)斷路器頻繁動作，內(nèi)外部故障由其獨(dú)立切除，要求其電氣、機(jī)械壽命長，可靠性高，否則一旦拒動，將擴(kuò)大停電范圍；一旦故障，將影響機(jī)組發(fā)電運(yùn)行。

③發(fā)變組內(nèi)部故障時，故障電流熄滅依賴發(fā)電機(jī)滅磁可靠動作，發(fā)電機(jī)提供的短路電流的衰減有一個過程，可能加大故障對元件損害程度。

④幾內(nèi)亞目前接地方式下，225 kV零序網(wǎng)絡(luò)及零序阻抗隨機(jī)組運(yùn)行臺數(shù)動態(tài)變化，增加了零序保護(hù)整定計(jì)算的復(fù)雜性。

⑤發(fā)電機(jī)、主變電氣試驗(yàn)時，需要甩開封閉母線連接，不夠方便。

6 結(jié) 語

機(jī)組調(diào)度運(yùn)行方式，系統(tǒng)外來的備用廠用電源的取得方式及其可靠性，是發(fā)變組單元接線是否設(shè)置GCB的基本條件，蘇阿皮蒂電站基本滿足不設(shè)置的條件。GCB設(shè)置與否，并不存在一個完美的解決方案，優(yōu)缺點(diǎn)都比較明顯，結(jié)合電站、電網(wǎng)實(shí)際，最終采用了不設(shè)置的方案。由于機(jī)組的啟停操作頻繁，因此需要通過主變高壓側(cè)斷路器來完成，選型配置中對其設(shè)計(jì)機(jī)械、電氣壽命提出了更高的要求。在有關(guān)225 kV系統(tǒng)零序電流保護(hù)整定計(jì)算中，進(jìn)行最小運(yùn)行方式下的靈敏度校驗(yàn)，以保證設(shè)備和系統(tǒng)的安全可靠運(yùn)行。