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1、 135 桐柏抽水蓄能电站电气设备的特点和一次设备的选择桐柏抽水蓄能电站电气设备的特点和一次设备的选择 来国栋来国栋 浙江省电力建设总公司桐柏项目部 摘摘 要：要：根据大型抽水蓄能电站电气特点和对一次设备的选择要求，对桐柏抽水蓄能电站的主接线和可逆式抽水蓄能机组的转速、机端电压、最大容量和额定功率因数、槽电流以及电动发电机的起动与换相接线方式的选择进行介绍。关键词：关键词：蓄能电站 桐柏工程 电气 特点 设备 选择 1 桐柏抽水蓄能电站概况桐柏抽水蓄能电站概况 桐柏抽水蓄能电站位于浙江省天台县境内，距天台县城 7km，离杭州 150km，交通便利。它利用已建成的常规桐柏水电站（装机 24MW）
2、的水库作为上库，下水库位于百丈溪中游。主厂房采用地下厂房，为一座日调节的纯抽水蓄能电站，装机 4300MW，额定水头 244m，转速 300r/min。最高扬程为 288.71m，最小扬程为 237.0m。日发电量为 600 万 kWh，日抽水电量 797 万 kWh,年发电量 21.18 亿 kWh；年抽水电量 28.13 亿 kWh。选用三相主轴半伞式可逆式抽水蓄能机组。500kV侧主接线采用内桥接线(见图 1),每台发电机组连接一台主变,4 台发电机组成二个扩大单元；电动机启动采用变频电源启动或同步启动方式；电站按“无人值班,少人值守”进行设计即实现计算机监控,电站接入系统采用双回 50
3、0kV 输电线送至距桐柏电站约 100km 的诸暨变电所。机组在发电工况的效率为:大于或等于 97.7%在水泵电动机工况的效率为:大于或等于 98.4%2 可逆式水泵水轮发电电动机组的特点及参数选择要求可逆式水泵水轮发电电动机组的特点及参数选择要求 可逆式水泵水轮机组即将水轮机和水泵合为一体,发电机和电动机合为一体,具有正反方向运行的功能。抽水蓄能电站的效率随水头的增大而明显提高，采用混流可逆式效率为最大。发电电动机的运行特点是由它的正反可逆运行决定的。实现可逆机组双向运行,在电气上唯一的要求就是改变其相序（当然对机组的制造会提出更高的技术和工艺要求），因此要求在电气主接线和开关选择上必须进行
4、专门的考虑。同时由于需双向运行，对定子结构有其特别的要求。由于运输的问题，常规大型水轮机发电机组常采用分瓣定子到现场组装成整体的方式，增加了合缝间的焊接，降低了定子的整体刚度,这在单向运行机组不会出现问题。而大型抽水蓄能水轮发电机组就不能采用分瓣定子进行组装，这是因为抽水蓄能机组起停相当频繁,且工况转换相当迅速，频繁地进行启停和工况转换，电机内部温度变化会相当剧烈，对定子的刚度有很高的要求。定子分瓣焊接不能保证定子的整体刚度，因此，要求采用整体定子,实行无合缝装配。即在现场焊接、叠片、下线，以加强电机定子的整体性，增大定子的刚度。还应解决定子线棒在槽中的固定问题，当机组频繁起停及正反方向运行时
5、，会产生热变，致使定子线棒在槽中不断的热胀冷缩而产生微小的松动，影响机组运行。目前，国际上大型的制造厂商对抽水蓄能机组定子线棒的固定采取了不同的方法，有的采用波浪形的新型半导体垫条，有的改进定子线棒的固定方式。由于抽水蓄能机组不但在电网中担任削峰填谷的调峰任务,还担任调频、调相、进相的各种工况机组运行,桐柏抽水蓄能电站对机组转换的要求为：静止和发电、静止和抽水、静止和调相（发电运行时）、静止和调相（水泵运行时）、发电和抽水、发电和发电调相、发电和抽水调相、抽水和抽水调相、抽水和发电调相的工况转换，以及进相运行。136 抽水蓄能发电机组参数的选择与水轮机的选择密切相关，其关系主要是由公式 f=6
6、0np和每槽线电流的限制而定的，以下就桐柏抽水蓄能电站的电机参数选择进行讨论。2.1 抽水蓄能机组转速的选择抽水蓄能机组转速的选择 桐柏抽水蓄能电站按其水头要求及减轻机组重量、降低造价、缩小厂房的开挖等因素产生 3 个转速比较方案：250r/min，272.7r/min 和 300r/min。经过比较选择，250r/min 的制造水平偏低即机组重量增加，成本提高。用 272.7r/min 时则定子变成了分数槽数，这对电机的设计制造不是很有利，连线麻烦。最后选定了 300r/min。从目前国际制造水平看，在 200m300m 水头段采用 300r/min是属较为先进的机组，但有可能存在一定的不稳
7、定风险。经水力机械比较计算，300r/min 转速有许多优势。考虑到有不稳定的风险，将原设计水头 239m,提高到 244m,以避开 S 不稳定区，但对发电电动机组是否合适有待进一步比较。发电电动电机转速的选择直接影响到机组额定电压、并联支路数、槽电流和冷却方式的确定等问题。2.2 发电电动机额定电压的选择发电电动机额定电压的选择 发电电动机额定电压的选择是技术经济的一个主要参数。其选择除按国家标准 GB156(额定电压)中的规定外，还应遵照行业标准 SD152-87 的规定。根据不同额定容量，经制造厂结合经济比较，可能选用电压等级如下：6.3kV,10.5kV,13.8kV,15.75kV,
8、18kV。根据额定电压的选取应考虑的因素：发电机断路器的开断能力；发电机母线；主变压器的低压绕组；厂用电负荷的供电以及抽水蓄能机组的容量选择（一般是以水能的合理利用为前提的），并按配电设备的投资，运行费用等因素考虑。桐柏抽水蓄能电站选取的发电机额定容量根据水能的合理利用，选为 333.333MVA。据此，合理的发电电压选取见下图范围。SN(MVA)UN(KV)30272523201815.751513.810.5106.353.151000900800700600500400300200100908070605040302010 从图中可以看出，额定电压的选取范围为 13.8kV、15.75k
9、V、18kV 和 20kV。一般情况下,若发电机电磁负荷取值合适，额定电压选择低，电机制造消耗的绝缘材料小，但铜线增加，发电机开关的折断电流容量提高，发电机与主变联接母线增大,造成了发电电压等设备价格上升。按国外已投产机组转速和容量的关系，在额定转速为 300r/min，容量为 333.4MVA 时，发电机电压 UN为 15.75kV、18kV 和 20kV。按 UN15.75kV 计算，IN=12219A；按 UN18kV 计算,IN=10692A，这是一个比较理想的数值。而采用 UN20kV 时，电机的绝缘要求大大提高，防晕措施增加，增加了电机的制造难度。桐柏抽水蓄能机组最终选择的发电机额
10、定电压为 18kV。2.3 最大容量和最大容量时功率因数的选择最大容量和最大容量时功率因数的选择 可逆机组的容量分成两个参数即发电机的容量和电动机轴功率,其反应了发电工况和抽水工况 137下的负荷能力。发电电动机的发电容量应与水泵水轮机的额定出力相匹配,即 PGN=PTN GN PTN:水泵水轮机在水轮机工况时的额定出力 GN:发电机的额定效率 PGN:发电电动机在发电时的有功功率 发电电动机在电动机运行时的轴功率和水泵水轮机水泵工况下的输入功率应相匹配，即 PMNPPN PMN:电动机输出的轴功率 PPN:水泵水轮机的输入轴功率 SGN=PGN/COSGN GNGNTN COSP 发电的视在
11、功率 SMN=PMN/(COSMN)(MN)MNMNTN COSP 电动机工况容量 可逆机组的设计容量 SN SN=maxSGN,SMN 设计中尽可能满足：SGN=SMN 即 GNGNTN COSP=MNMNPN COSP 电动发电机的效率在两种工况下可以认为是相等的。GN=MN 发电电动机的额定功率因素在发电状态下应略低于电动机状态，因为在发电机状态下 COSGN小，说明发电电动机向电网提供无功多，而在电动机状态下 COSMN略大些，因为在电动机状态下都是电网有功富裕时，电网无功功率的需求不是很大。取 COSMN大些可以减少抽水情况下的电机设计容量。一般设计考虑:COSGN 取 0.90.9
12、5 COSMN 取 1 在这样的情况下一般可以满足：SGN=SMN 桐柏机组经水能计算，水轮机单机超出力为 332.5MW，4 台机组连续运行 2.83 小时或 3 台机连续运行 3.77 小时。根据原水电部部颁标准 SD152-87 规定，水轮机在额定情况下(UN,PN,COSN)，应能在 115%额定容量下连续安全运行，即发电机的过载不能超过 15%额定容量。对于桐柏机组其过负荷容量若按超 15%计算:SMAX=3001.15COS COS 取 0.95=3001.150.95=363.16MVA 若按此选取,过载倍数为:363.16333.3=1.08 倍 若 COS取 0.9 则 SM
13、AX=3001.150.9=383.33 此时过载倍数为 383.33333.33=1.15 倍 这对机组最大容量选择过高,不能与其他设备的选型机配合。138 若最大容量按 350MVA，COS取 0.9 计算，超负荷 5%，此时超负荷能力偏小。因此在最大容量为 350MVA 时的 COS不能与额定负荷时的 COS GN0.9 相同考虑。当 COS取 0.95 时 3003500.95=1.1083 即此时超负荷为 10.83%是较为合理的。其实最大容量 350MVA，也是按超负荷为 10.83%选取的。SMAX=300COSN1.1083=350MVA。若按超负荷为 15%选取，SMAX=3
14、00COSN1.15=383.3MVA，这样对主变压器的选择带来困难，因为正常运行功率与主变压器的额定功率相差过大。2.4 槽电流和并联支路数的选择槽电流和并联支路数的选择 在一定的绝缘及耐热等级下，槽电流的选择与发电机容量、电压、并联支路数及绕组型式有关:过小的槽电流说明发电机定子的有效材料的利用率低、经济性差。槽电流太大,铜损及附加损耗增加(如漏磁通增大)从而使槽绝缘温差增大,另外,线圈截面增大,制造工艺更为复杂。槽电流与槽数、电负荷的关系可以用以下算式表示:IS=ZAsDj 其中，IS：槽电流(A)Dj：为定子铁芯内径 AS：为电负荷(A/cm)Z：为定子槽数 F 级绝缘的空冷机组，当通
15、风设计合理时，IS可超过 6000A 达到 7000A。针对桐柏 300MW 空冷水轮发电机组，当额定电压在 15.75kV18kV 时，日本富士公司认为合理的槽电流选值范围为 44006600A，而日本东芝公司则认为可以取到 7000A 左右,西门子公司则限制在 7000A 左右，阿尔斯通认为可取值范围为 40008000A。可见由于各制造厂家的技术工艺上的不同,取得的最大槽电流也是不同的。桐柏机组的额定容量 SN=3000.90=333.33MVA 时 IN=333.33(183)=10692A 桐柏机组的最大容量 Smax=350MVA 时 Imax=350(183)=11227A 作为
16、二支路的电流显然是偏大，都超过厂家提出的范围。若按三并联支路时IN=7128A，Imax=7485A；若按四并联支路时 IN=5346A，Imax=5613A；若按五并联支路时 IN=4277A，Imax=4491A。桐柏机组最终槽电流在 6000A 左右，并联支路选四最为合理。3 主接线的选择主接线的选择 抽水蓄能电站一般处于或靠近负荷中心,主接线没有穿越功率,不会作为枢纽变电站来考虑。其出线的回路数较少,一般为 12 回,而且从节约投资考虑，主接线一般采用较为简单的接线方式。发电机与主变的连接一般采用单元联结和扩大单元联结。主接线也采用单母、单母分段、桥接线和四边形接线。3.1 桐柏电站在
17、电力系统中的地位、作用及输入方式桐柏电站在电力系统中的地位、作用及输入方式 桐柏电站是一座日调节纯抽水蓄能电站,可以承担如下运行:（1）发电调峰：高峰容量为 1200MW，且能保持 23h。平均日发电量 600 万 kWh，每天发电工况运行 1011h。（2）填谷:电网低谷时抽水容量 1200MW,平均每天抽水 8h，日填谷电量 797 万 kWh。139（3）调频（4）调相及进相（5）紧急事故备用 根据华东电网规划，桐柏电站以 500kV 一级电压接入系统，出线二回与诸暨变电所联接，输电线长约 90km。3.2 500kV 侧电气主接线选择侧电气主接线选择 1）主接线选择主要原则：a.接线可
18、靠性：任一断路器或进、出线检修不应影响系统供电；任一单元故障允许切断全厂 1/2或允许切除全厂容量瞬时停止供电，切换故障设备且隔离后再恢复供电；任一断路器检修时，任一进线或出线回路故障引起断路器跳闸，其切除故障容量为全厂容量的 1/2。b.接线经济性：投资省，耗能低。c.运行特性：适应抽水蓄能电站运行方式多且变化频繁特点，改变运行方式时操作简单，灵活多变。d.布置简单紧凑，减少地下厂房开挖。e.满足分期投运要求，能满足一台机一台机建设投运的过渡运行要求。2）电气主接线比选方案：根据上述原则，桐柏抽水蓄能电站主接线选择桥形接线、四角形接线、单母线三种接线方式进行技术经济比较：a.桥形接线：从技术
19、上分析，桥形接线简单、清晰，便于继电保护配置。由于本站 500kV 母线无穿越功率，机组正常停运一般不切除主变。考虑到线路故障比开关站设备故障机率高，如采用外桥接线，则线路故障后，另一单元输出功率受阻，因此选择内桥接线进行比较。采用内桥接线则当线路故障后，一条线路切除，4 台机组的功率可以通过内桥开关向系统（或从系统）供电（或吸收功率）。当线路开关内侧发生故障时，将造成全厂短时停电，桥开关切除后，相当于一机一变一线运行模式，不会影响全厂 1/2 的出力。从经济上分析桥形开关只需用 3 组断路器，数量较少，节省投资。b.四角形接线：从技术上分析，四角形接线方式较为简单，运行方式灵活。但是继电保护
20、和二次接线配置较其他方案复杂。采用四角形接线方式，任何一组断路器故障时均能确保全厂 1/2 容量正常运行。另一 1/2 容量在瞬时停运并切除故障设备断路器后，仍能输出全厂容量，任一输电线路故障时，跳 2 组断路器后，全厂出力不受影响能连续供电。当任一组断路器切除（故障或检修，例如 1 号断路器）时，会出现开环运行方式。140 43T3-T4T1-T2 这时电站运行的可靠性略受影响，无论是 3 号或 4 号断路器故障时，不会限制全厂出力。但是当 2 号断路器故障后，则会影响 1/2 的全厂出力。该接线的特点是运行灵活，但操作较为复杂。从经济上分析，该接线需要 4 组断路器，增加了投资成本。从二次
21、继电保护分析，此接线的继电保护配置较为复杂。当线路故障时，要跳两组断路器，且跳闸的同时性要求很高，否则迟跳的那组断路器要承受全厂的断路容量，断路器会受到影响。c.单母线接线:该接线十分简单，继电保护配置及二次接线容易满足，设备布置清晰。只有在母线故障时，4 组断路器才全部动作跳闸。当线路故障或主变故障时，只跳一组断路器，不影响其他回路的正常运行。2 组断路器没有同时性跳闸的要求。当任何一组断路器故障时，会瞬时影响全厂出力，切除后才能恢复供电。该接线操作简单灵活，便于运行。可以满足本电站各种运行工况的要求。其不足在于增加了一条母线。母线故障或检修时将会影响全厂停运，可靠性较差。从经济角度讲，采用
22、 4 组断路器和一条母线增加了投资费用。若全部采用 GIS（GAS INSULATED SWITCHGEAR），由于设备的可靠性较高，三种接线方式的可靠性无需再讨论。再从建设的分期投运来看，桥形接线采用变压器线路组合接线方式，最后再投桥断路器，这样对布置和二次接线都不会带来太大的影响；对于四角形接线，分期投运会受到接线变化的影响，对于设备布置和二次接线都会受的影响，过渡会较不便；对于单母线接线方式，分期建设投运不会受影响，采用每一进、出各连接一组断路器组合方式过渡，二次接线也不会有较大的改进。综合上述比较，采用内桥接线对桐柏电站来说无论从满足运行和二次保护的配置上以及经济上都是一个较为合适的方
23、案。4 电动发电机的起动与换相接线方式电动发电机的起动与换相接线方式 抽水蓄能电站在电动机运行方式时的启动是一个很大的问题。为使发电电动机的启动电流不过大，对电网不产生过大的扰动,可采用专门的电气设备进行启动如异步启动、同步启动和变频启动。桐柏抽水蓄能电站采用以变频起动为主，同步（“背靠背”）起动为辅，进行设计和建设。这两种起动方式的结合其优点是显而易见的。目前由于可控硅元件的质量不断提高而价格却不断下降，以及变频技术的日趋完善，技术经济比较都有了很大的提高。由于同步（“背靠背”）启动所需增加的设备不多，作为备用起动方式不会增加过多的投资。4.1 变频启动装置变频启动装置 变频启动装置精确的描
24、述是静态变频起动装置（SFC）。采用交流直流交流方式。另一种变频装置是采用交流到交流的变频。交流交流变频的优点在于：只用一次交流，且使用电网换相，提高了交流效率；可以方便的实现四象限工作；低频时输出波形接近正弦波。其主要缺点为：接线复杂，使用晶闸管多，由三相桥式变流电路组成的三相交流交流变频电路至少需要 36 只晶闸管；受电网频率和交流电路脉波数的限制，输出频率较低；采用相控方式，功率因素低。静态变频启动装置（SFC）一般采用交直交的变频方式，其原理简述如下。起动过程中变频器分成两个功能不同的阶段：第一阶段以强制换流方式工作；第二阶段为自然换流方式工作。正常情况下，静止变频器是以自然换流方式工
25、作。即用连接逆变输出端的交流电压去切除逆变器可控桥各支路间的电流。由于发电电动机开始启动时电压太低，不足以实现其逆变换流，因此不得不利用强制换流方式。在强制换流阶段，被起动机组经 S2 开关直接接到逆变器上。整流器是将交流电流变成低频脉冲电流，每一脉冲所对应逆变器可控硅桥的开通支路是改变的，故将三相电流提供到被启动机组上。此时，电动机的励磁电流比较低,为保证在强制换流的最后阶段，电动机的电压水平仍处于安全阶段，当频率达到 5Hz 时，将强制换流变成自然换流,这是因为电动机电压已达到一 141定值,可以靠其电压实现换流，同时改变主回路接线，将电动机经 S1和 S3 通过逆变变压器接入到逆变回路中
26、。在此阶段将励磁电流保持在空载状态，随着转速的上升，到达同步转速时使电动机端电压等于电网电压，此时并入电网，将 SFC 退出运行。发电机电动机（3相）S2S3S1逆变变压器逆变器整流器电抗器电网电源 静态变频启动装置（SFC）SFC 主电路设计时必须确定的参数有：整个机组的惯性常数；启动过程机组损耗所引起的制动力矩；所需的加速时间。在整流阶段，目前国际上采用两种：一种是六相裂相，一种是十二相裂相。十二相裂相比六相好，造价也高。4.2 桐柏抽水蓄能电站桐柏抽水蓄能电站 SFC 的基本技术要求的基本技术要求 1）容量要求：a.水轮机转轮在压水条件下启动。b.机组加速时间不大于 5min，即在 5m
27、in 内机组从静止状态加速到额定转速。c.连续逐台启动 4 台机组，连续工作时间不小于 36 分钟。d.满足电站工况变换时间：静止 满载发电 90s 静止 发电调相（空气中）180s 静止 满载抽水（SFC）460s 静止 抽水调相（空气中）340s 满出抽水 满出发电（正常）360s 满出抽水 满出发电（紧急）90s 2）可靠性指标：a.可用率99.9%；b.平均无故障工作时间40000h；c.平均修复时间14h；d.可用寿命40 年。4.3 桐柏抽水蓄能电站桐柏抽水蓄能电站 SFC 启动回路接线启动回路接线 142 5 结束语结束语 桐柏抽水蓄能电站目前已进入机电安装的实施阶段，到 2005 年年底，首台机组就要投入运行，2006 年年底四台机组将全部投入运行。上述参数、接线和设备的选择，将得到实践的检验。