賈 超 宇， 汪 贊 斌， 朱 思 菁

(中國電建集團華東勘測設(shè)計研究院有限公司，浙江 杭州 311122)

1 概 述

楊房溝水電站位于四川省涼山彝族自治州木里縣境內(nèi)的雅礱江中游河段麥地龍鄉(xiāng)上游約6 km處，是雅礱江中游河段1庫7級開發(fā)的第6級，上距孟底溝水電站37 km，下距卡拉水電站33 km。

楊房溝水電站的開發(fā)任務(wù)為發(fā)電，電站裝機容量1 500 MW，地下廠房內(nèi)裝設(shè)4臺375 MW立軸混流式水輪發(fā)電機組。發(fā)電機-變壓器組采用單元接線，發(fā)電機出口裝設(shè)發(fā)電機斷路器，500 kV側(cè)為4進3出、3個完整串的3/2斷路器+1個母線電抗器回路接線，并預(yù)留一個雙斷路器間隔。電站出線回路數(shù)為3回(含1回備用)，該期2回出線在卡拉水電站投產(chǎn)前接入鹽源換流站，卡拉電站投產(chǎn)后π接入卡拉開關(guān)站。

2 高壓配電裝置型式選擇

楊房溝水電站投產(chǎn)后與中游龍頭水庫兩河口聯(lián)合運行可發(fā)揮多年調(diào)節(jié)作用，是四川電網(wǎng)主力電站之一，保證供電可靠性是設(shè)備選型的重要因素。高壓配電裝置的選型應(yīng)綜合考慮可靠性、經(jīng)濟性、運行維護方便性，并對電氣設(shè)備投資、土建費用、設(shè)備運行維護費、故障損失電量等進行綜合評價后確定。

目前，500 kV配電裝置的型式主要分為敞開式配電裝置(AIS)、混合式配電裝置(H-GIS)、SF6氣體絕緣金屬封閉開關(guān)設(shè)備(GIS)[1]。

AIS作為常規(guī)的布置型式，在我國已有豐富的運行經(jīng)驗，在技術(shù)上可以滿足楊房溝水電站的要求。其特點是設(shè)備投資較低，但布置場地較大，維護工作量大，可靠性略差。初步估算，按照四進三出3/2接線，開關(guān)站場地尺寸約為120 m(長)×118 m(寬)[2]。

H-GIS是近年來發(fā)展的高壓配電裝置布置型式，其設(shè)備投資和布置尺寸介于AIS與GIS之間，比GIS低30%[3]，可靠性較高。3/2接線的開關(guān)站場地尺寸約120 m(長)×68 m(寬)。

GIS型式可靠性高，可布置在戶內(nèi)，場地尺寸小，約120 m(長)×21 m(寬)。

楊房溝電站處于高山峽谷區(qū)，兩岸邊坡陡峻，無平緩階地，需進行場地開挖，平整后才能進行地面開關(guān)站或地面出線場布置。故從該工程的地形條件角度分析，該電站的地面開關(guān)站或地面出線場占地越小越好，尤其是在寬度尺寸方面，尺寸越小越好。根據(jù)開關(guān)站所處位置地形，若采用AIS或者H-GIS方案，地面開關(guān)站寬度方向尺寸超過70 m，開挖方量超300萬m3，邊坡高度超過300 m。若采用GIS方案，所需場地寬度尺寸僅為21 m，邊坡開挖方量約50萬m3，邊坡高度160 m[4]。因此，前者土石方開挖方量巨大，而且支護設(shè)計難度大，支護工程量大幅度增加，安全隱患多，工程的不確定性增大，從土建方面來看，技術(shù)經(jīng)濟上明顯不合理，因此GIS方案有較大優(yōu)勢。

另外，從設(shè)備本身來說，GIS在國內(nèi)外高壓和超高壓配電裝置中已得到越來越廣泛的應(yīng)用，500 kV GIS在國外已有二十多年的運行歷史，并且就設(shè)備本身的運行可靠性而言，GIS配電裝置高于敞開式配電裝置10倍以上，檢修周期長6倍以上[5]。因此從目前GIS的發(fā)展水平和運行業(yè)績來看，技術(shù)上GIS可以滿足楊房溝水電站的要求。

考慮到該電站在作為四川電網(wǎng)主力電源的重要性，目前國內(nèi)大型骨干水電站500 kV配電裝置選型現(xiàn)狀以及近年來500 kV GIS國產(chǎn)化和價格大幅下降的趨勢，GIS技術(shù)特性遠優(yōu)于AIS或H-GIS。GIS方案具有占地面積小、運行穩(wěn)定、安全可靠、安裝調(diào)試方便、運行管理和維護檢修工作量小、抗震性能好、靜電感應(yīng)和無線電干擾水平低、開關(guān)站土建開挖量小、施工難度小等優(yōu)勢。GIS設(shè)備投資雖然較高，但可大幅度減輕高邊坡帶來的風(fēng)險。因此，從提高電站運行可靠性、提高電站供電質(zhì)量、有利于實現(xiàn)水電站“無人值班”管理模式、增強電站在系統(tǒng)的競爭能力以及有利于環(huán)境保護等角度出發(fā)，推薦500 kV高壓配電裝置采用GIS方案。

3 開關(guān)站布置方案比選

GIS方案既適用于地面開關(guān)站布置也適用于地下開關(guān)站布置，因此，應(yīng)對地面開關(guān)站方案和地下開關(guān)站方案進行比選。

楊房溝水電站為地下廠房，主變洞深埋地下，主變洞一層/二層高程為1 992 m/2 005 m，而地面出線場(或開關(guān)站)位于進水口上游側(cè)2 102 m高程，500 kV高壓引出線需通過豎井及平洞將電能引出至地面出線場(或開關(guān)站)。

(1) 高壓引出線設(shè)備選擇。高壓引出線設(shè)備通常采用XLPE電纜和GIL兩種型式，對于地面、地下兩種開關(guān)站布置方案，高壓引出線的選擇主要取決于對應(yīng)的輸送容量。

當(dāng)采用地面開關(guān)站方案時，由于發(fā)變組采用單元接線，每回高壓引出線輸送容量為單臺機組容量375 MW，工作電流505 A。若采用XLPE電纜，根據(jù)載流量進行選擇，可采用800 mm2截面電纜[6]。按單回長度700 m考慮，單根電纜裝盤尺寸為4.3 m×4.8 m(直徑×寬)，滿足大件運輸尺寸限制。若采用GIL，因GIL最小載流量為3 150 A，顯然可以滿足要求。

當(dāng)采用地下開關(guān)站方案時，500 kV引出線的輸送容量與各出線相同，不考慮一回備用出線的情況下，該電站共兩回出線送至卡拉水電站，考慮N-1原則，單回線路需要能夠送出該電站所有機組的容量1 500 MW，工作電流為2 020 A。若采用XLPE電纜，根據(jù)載流量進行選擇，需要采用2 500 mm2截面電纜，該截面的電纜不僅價格較高，且國內(nèi)幾乎沒有如此大截面電纜在水電站中應(yīng)用的經(jīng)驗，從運輸角度考慮也無法滿足單根電纜整盤運輸?shù)臈l件，因此，不推薦采用XLPE電纜。GIL最小載流量為3 150 A，輸送能力完全可滿足電站最大輸送容量的要求，因此，當(dāng)開關(guān)站位于地下時，推薦采用GIL方案。

根據(jù)以上比較可知，當(dāng)開關(guān)站位于地面時，XLPE電纜方案和GIL方案均可采用，因XLPE電纜單價大幅低于GIL，且安裝、運行維護更為方便，因此，從經(jīng)濟技術(shù)角度綜合比較后推薦XLPE電纜方案。當(dāng)開關(guān)站位于地下時，因普通XLPE電纜無法滿足輸送容量的要求，因此，推薦采用GIL方案。

(2)開關(guān)站布置。根據(jù)電站樞紐總體布置情況，地面開關(guān)站(或出線場)擬布置于進水口上游側(cè)不遠處，建基高程為2 102 m，此處地勢相對平緩，地形相對規(guī)整，可減小土石方開挖工程量，并且對外交通公路與進水口、壩頂公路連通。

采用地面開關(guān)站方案，則場地尺寸為120 m×26 m(長×寬)，GIS樓布置尺寸為110 m×18 m×22.25 m(長×寬×高)。地下主變洞尺寸為210 m×18 m×20.7 m(長×寬×頂拱高)，地面開關(guān)站方案剖面布置見圖1。

若采用地下開關(guān)站布置方案，500 kVGIS布置在地下主變洞室上部，主變洞分2層布置：主變壓器層、500 kV GIS層；地面出線場布置在進水口上游側(cè)不遠處，建基高程為2 102 m，布置出線套管、避雷器等設(shè)備。地下主變洞尺寸為210 m×18 m×35.2 m(長×寬×頂拱高)；地面出線場尺寸為110 m×15 m(長×寬)，地下開關(guān)站方案剖面布置見圖2。

圖2 地下開關(guān)站方案剖面布置圖(單位：m)

(3)開關(guān)站布置方案技術(shù)比較。

500 kV高壓引出線及出線洞。根據(jù)上節(jié)論述，當(dāng)開關(guān)站位于地面時，500 kV高壓引出線為4回800 mm2截面銅芯XLPE電纜。當(dāng)開關(guān)站位于地下時，500 kV高壓引出線為3回GIL(其中1回為備用出線回路)。兩種方案的引出線洞數(shù)量均為一個。

①地下主變洞。地下主變洞長度和寬度尺寸主要由主變壓器布置決定，不管是地面開關(guān)站方案或地下開關(guān)站方案，主變洞長度、跨度相同，長度為156 m，跨度為18 m。地下開關(guān)站方案由于布置GIS主變洞高度比地面開關(guān)站方案增加14.5 m(圖3)。雖然主變洞的開挖支護工程量增加，土建投資增加，但由于地下廠房地質(zhì)條件優(yōu)良，支護難度不大，經(jīng)計算分析，對地下洞室群的安全穩(wěn)定性及圍巖穩(wěn)定影響不大。其中，地下開關(guān)站方案因500 kV GIS布置于主變洞上部，運行維護更為方便。

圖3 地下開關(guān)站方案主變洞布置剖面圖(單位：m)

②地面開關(guān)站和出線場。開關(guān)站布置在地面時，出線場與開關(guān)站結(jié)合設(shè)計，出線場布置在500 kV GIS樓頂部，開關(guān)站的寬度主要由GIS布置決定，再考慮交通等其他需要，場地寬度尺寸21 m。由于工程區(qū)山坡高聳陡峻，廠區(qū)難以找出相應(yīng)平整場地，需通過開挖整平以布置出線場和GIS室。該場地開挖后存在高邊坡問題，場地后邊坡高達160 m，支護設(shè)計難度大，高處滾石防護難度大，不可預(yù)見性安全隱患增大。

圖4 地面開關(guān)站方案主變洞布置剖面圖(單位：m)

地下開關(guān)站方案的地面出線場寬度主要由出線設(shè)備決定，再考慮交通等其他需要，場地寬度尺寸15 m。由于出線場寬度方向尺寸減小，后邊坡高度降為100 m左右，故地面出線場開挖支護工程量相對減小，不可預(yù)見性安全隱患相對地面開關(guān)站方案小。

綜上所述，因地面開關(guān)站、出線場所處位置山坡陡峭，從土建的角度來看，要設(shè)法減少土石方開挖方量、降低開挖高度、降低支護難度，從而提高經(jīng)濟性以及設(shè)計的安全性，因此，推薦地下開關(guān)站方案。

(4)綜合比選。從前面兩節(jié)比較可知，地面開關(guān)站和地下開關(guān)站從技術(shù)角度來看都是可行的，需進一步進行經(jīng)濟比較以確定最終方案。在經(jīng)濟比較中，只計入引出線和土建的投資，未計入500 kV GIS、出線設(shè)備等無差異部分投資。根據(jù)采集到的國內(nèi)多個在建工程外商投標(biāo)價格和合同價格，通過價格分項分析，取800 mm2銅芯XLPE電纜綜合單價為0.3萬元/單相米(包括兩側(cè)GIS終端)。額定電流為4 000 A的500 kV GIL的綜合單價取1.5萬元/單相米(包括附件、運費、技術(shù)指導(dǎo)費，不包括安裝費)。

兩個方案引出線洞均由下平洞、豎井及上平洞組成。GIL較XLPE電纜在豎井中布置尺寸稍大，但相差不大，在經(jīng)濟比較時不考慮下平洞及出線豎井土建工程量差異。地下開關(guān)站方案上平洞長度約400 m；地面開關(guān)站方案上平洞稍長，約430 m。兩個方案斷面尺寸均為6 m×8.5 m(寬×高)。

綜合技術(shù)分析和經(jīng)濟比較后可得出以下結(jié)論：

① 總體來說，地面開關(guān)站方案和地下開關(guān)站方案都是可行的。

② 從土建的角度看，地面開關(guān)站方案增加了地面工程土石開挖支護工程量，尤其是由于邊坡高度增加導(dǎo)致邊坡支護防護難度加大。而地下開關(guān)站方案引起地下洞室規(guī)模加大，地下工程土建投資加大。兩者相比，地下開關(guān)站方案土建投資比地面開關(guān)站方案節(jié)省約3 778萬元。

③從電氣設(shè)備的角度看，地面開關(guān)站方案和地下開關(guān)站方案對500 kVGIS設(shè)備本身價格無影響，GIL設(shè)備投資高出XLPE電纜約6 525萬元，XLPE電纜和GIL制造安裝均有相關(guān)工程經(jīng)驗。

④綜合土建及電氣設(shè)備投資，地面開關(guān)站方案較地下開關(guān)站方案節(jié)省投資約2 747萬元。

⑤從運行維護的角度看，由于地面開關(guān)站方案邊坡增高，增加了一定的不可預(yù)見性安全隱患。地下開關(guān)站方案人身和設(shè)備的安全性高于地面開關(guān)站方案。

綜合技術(shù)和經(jīng)濟比較，地面開關(guān)站方案較地下開關(guān)站方案節(jié)省投資約2 747萬元?？紤]到地面開關(guān)站尺寸較地面出線場尺寸略大，雖然增加了一定的不可預(yù)見安全隱患，但可對地面開關(guān)站的后邊坡采取設(shè)置混凝土擋墻及攔石網(wǎng)等措施，盡可能阻擋和攔截滾石，來保證開關(guān)站設(shè)備的安全。因此，最終推薦采用地面開關(guān)站方案，500 kV高壓引出線采用4回800 mm2XLPE電纜。

4 開關(guān)站設(shè)備布置

地面開關(guān)站分為GIS樓以及繼保樓，并排布置。GIS樓共兩層，500 kV電纜布置在GIS樓的一層，4回800 mm2截面XLPE電纜通過出線平洞及豎井與地下主變洞連接，500 kV電纜室靠江側(cè)布置了交通通道。500 kV GIS設(shè)備位于GIS樓的二層，采用戶內(nèi)布置，通過SF6管道母線引到樓頂500 kV出線場。500 kV出線場布置在GIS樓頂高程，敞開式布置。繼保樓共六層，一層為消防水池和消防水泵房；二層為通信設(shè)備室、通信蓄電池室、直流配電室以及蓄電池室；三層為電纜夾層；四層為繼電保護室；五層為屋頂輔助用房；六層為電梯機房。

5 結(jié) 語

當(dāng)大型水電站采用地下廠房布置形式時，其開關(guān)站設(shè)計及電氣設(shè)備選型應(yīng)綜合考慮地形、地質(zhì)條件、工程投資、運行可靠性和安全性等方面，通過技術(shù)、經(jīng)濟比較和論證，選擇技術(shù)可行、經(jīng)濟合理的布置方案。尤其是當(dāng)開關(guān)站或出線場布置于高邊坡區(qū)域時，應(yīng)首先考慮高邊坡的風(fēng)險、降低開挖支護工程量，在保證邊坡安全穩(wěn)定、投資合理的情況下，再考慮電氣設(shè)備的布置和選型。通過研究，筆者提出了采用地下廠房布置形式的水電站開關(guān)站布置選擇的思路、比較方法以及相應(yīng)電氣設(shè)備的選擇，為后續(xù)類似電站的設(shè)計提供參考。