赵 政 ，李 骅

（1.中国电建集团华东勘测设计研究院有限公司，浙江省杭州市 311122；2.国家能源水电工程技术研发中心抽水蓄能工程技术研发分中心，浙江省杭州市 311122）

1 概述

天荒坪抽水蓄能电站装机容量1800MW，安装6台300MW机组，是当时全国已建和在建的单个厂房装机容量最大、水头最高的抽水蓄能电站。当时排名据亚洲第一，世界第二，具有很大的设计难度。结合天荒坪工程，我们做了许多开创性的工作，电气一次设计具有其一定的特点。

2 电气一次设计特点

2.1 机组参数与结构选择

天荒坪抽水蓄能电站采用300MW、500r/min单级可逆式机组，属大容量、高转速机组，当时投运的类似机组极少。我国抽水蓄能电站建设起步较晚，尤其是大容量高转速机组设备的科研和设计基础较薄弱，国内大型抽水蓄能机组的制造尚属空白，资料极为缺乏。因此，一方面积极争取与国外厂商开展技术交流，并争取高等院校、科研单位的协作和帮助，联合研究探讨天荒坪设计中的重大问题，征集国外厂商对天荒坪机组各项参数的意见和建议；另一方面广泛收集国内外，尤其是国外已建的大型抽水蓄能电站的资料，了解掌握世界上最新的动态。在此基础上结合国内外工程实例，通过对可逆式水泵水轮机和发电电动机主要参数和特性的研究分析，对机组启动方式和水泵水轮机不同拆卸方式优缺点的比较，提出了水泵水轮机和发电电动机主要参数、性能、结构型式和材料强度等方面的选择原则以及计算方法，解决了大型抽水蓄能机组的选型设计问题，为完成“八五”国家重大科技攻关项目“大型抽水蓄能电站机组参数选择”做出了贡献。同时，也加快了天荒坪电站的设计进度，保证了设计质量，为机组的经济、安全和高效运行奠定了基础。天荒坪抽水蓄能电站机组的国际招投标、水泵水轮机转轮模型试验和真机运行均表明，设计提出的机组招标文件的技术规范是合理的和可行的，选定的机组主要参数实现了预期值，达到了世界先进水平。“大型抽水蓄能电站机组参数选择”汇编了国内外大型抽水蓄能电站工程的资料（包括蓄能机组的结构、参数与特性、模型特性曲线和流道尺寸、参数选择计算工程实例等），对后续新建的抽水蓄能电站机组参数的选择具有重要的价值。

2.2 电气主接线

根据天荒坪抽水蓄能电站在系统中担任调峰、填谷、调频、调相与事故备用等任务以及抽水蓄能电站的特点，确定了以最少的出线回路数，接入最近的枢纽变电站的设计原则。天荒坪抽水蓄能电站接入系统方案中，选定以500kV二回出线就近接入瓶窑变电站，避免环入华东主网，为电站采用简化电气主接线创造条件。

2.2.1 高压侧接线

抽水蓄能电站机电设备的投资占电站总投资比例远较常规水电站高，一般约占40%～60%。因此，简化电气主接线对降低蓄能电站的投资具有重要意义。通过多方案分析研究比较，在满足可靠性和运行灵活性的前提下，500kV电压侧最终选定了不完全的单母线三分段接线。这样的主接线为优化机电设备选择和布置、优化保护和控制的设计提供了可能性，进一步降低了电站机电设备投资。

2.2.2 发电机-主变压器组合

1989年初步设计报告《主接线方案选定》中，按三回500kV出线接入系统的原则比较了单元接线、联合单元接线和扩大单元接线3种方式接线，各接线方式选用不同形式变压器（三相变压器、三相双分裂变压器、组合三相变压器和单相变压器组）进行组合，共拟定了5个方案。从对系统影响、运行可靠性、经济性和运输条件、场地布置等方面进行分析，最后选定一机一变单元接线，每2个单元接线在高压侧接成一个联合单元的接线方式，共设3个联合单元。现机组与变压器联合单元的接线形式已成为典型设计。

2.2.3 电站调压方式

抽水蓄能电站由于工况转换频繁，潮流变化大，高压母线上电压波动范围也可能增大。系统设计部门计算结果常要求电站采取调压措施。对于抽蓄电站通常采用的调压措施有两种：一是加大发电电动机调压范围，例如广蓄Ⅰ、广蓄Ⅱ，由一般的+/-5%加大至+/-7.5%；另一是电站升压变压器采用有载调压，调压范围由+/-2×2.5%加大至+/-8×1.5%，例如天荒坪、十三陵抽蓄电站等。从经济比较来看，这两种措施大致相同；但从可靠性来分析，主变压器加装带有载调压，由于分接开关的故障概率约为变压器故障的25%，可靠性比不带有载调压将有所降低；加之变压器又布置在地下洞室，有载调压开关发生事故后果不堪设想，故天荒坪、十三陵两抽蓄电站从机组投运以来，变压器有载调压一直未投入运行。因此，今后在接入系统设计时，首先应充分考虑抽蓄机组调相与进相能力，力求避免在电站内设调压装置。如确需装设，对变压器标准在地下洞室时尽可能选用加大发电电动机调压范围的方式。

2.2.4 静止变频启动装置（SFC）

利用静止变频启动装置（SFC）作为可逆式蓄能机组电动工况的启动是当今大型抽水蓄能电站的常用启动方式。国外早期抽水蓄能电站，在晶闸管装置运行经验不多、可靠性还没有现在那么高时，对机组台数较多（如6台机及以上）的抽蓄电站，如英国的迪诺维克抽水蓄能电站、日本的奥吉野抽水蓄能电站等采用装设2套SFC；随着晶闸管装置可靠性提高、结构的改进、检修方便、出故障修复费时不多，后期投运的一些多机组抽水蓄能电站，例如美国巴斯康蒂抽水蓄能电站，就只装设1套SFC。基于上述情况，同时考虑到SFC为进口设备，天荒坪原设计按1套SFC启动为主、“背靠背”启动为辅的原则设计的。根据估算，用一套SFC连续启动6台机组约需33min；如用1套SFC加“背靠背”同时启动，6台机组总启动时间约为23min。设计认为，电动工况下这样的启动速度应能满足系统调度的要求。在主机标合同谈判过程中改按安装2套SFC进行设计，且同时仍保留“背靠背”启动作为备用。因此，天荒坪电站的启动母线及闭锁接线十分复杂。

静止变频起动装置（SFC）主要由输入变压器、整流器和逆变器、电抗器、隔离开关、输出变压器、控制系统、保护和监测系统组成。SFC的额定电压可以等于也可以低于发电电动机的额定电压。当采用低于发电电动机额定电压的SFC，其输入和输出均需装设变压器，使SFC的电压能与电源和发电电动机电压相匹配。但当采用等于发电电动机额定电压的SFC，一般输出端可不需再设变压器；至于输入端是否需设输入变压器，则有的工程设置而有的工程未设置。例如天荒坪SFC，输入端除了装设限流电抗器外，还加装变比为18kV/18kV的输入变压器，广蓄二期SFC的输入端仅装设限流电抗器。天荒坪加装输入变压器的目的，主要是为了减少SFC产生的谐波对供电系统的影响，同时也能起到隔离作用与限制故障电流。输入变压器的作用在广蓄Ⅱ电站得到了验证，正是由于其未装设输入变压器，所以在初期运行时曾经发生过SFC投入使用时，其他机组保护发生无故跳闸停机的事故。据分析，可能是受到SFC产生的谐波干扰，导致机组保护误动，后改为加装输入变压器。

华东院对SFC谐波以及设备的配置进行了深入的研究，并进行了多个电站的实测，研究结果表明，抽水蓄能电站SFC启动谐波抑制的合理措施，就是采用SFC和厂用电分支分开引接接线方式，设置电抗器及配置六脉SFC的方案，SFC再配置输入变压器和输入电抗器，不需要配置滤波器。

2.3 机电设计中新技术、新设备

（1）天荒坪是我国第一个采用超高压500kV交联聚乙烯（XLPE）电缆的工程。

以往国内500kV电缆均采用自容式充油电缆，国外大部分也是采用充油电缆。充油电缆存在着火灾危险，施工和维护都不便，损耗又大，价格也不便宜。经过考察、比较，天荒坪工程决定引进交联聚乙烯电缆，成为我国首次在500kV电压级采用交联聚乙烯电缆的工程。挤包绝缘的电缆具有无油化的特点、防火性能好、防火设计简单、安装敷设方便、维护工作量少，而且介质损耗低等诸方面的优越性，尤其适合于水电站地下厂房的高压引出连接线。工程实践表明，该选择是完全正确的。

（2）采用GIS设备占地面积小，降低了高边坡开挖带来的风险。

GIS具有占地面积小、运行安全、可靠、配置灵活、环境适用性好、维护工作量少且安装方便等优点，特别适合于地形陡峻的抽水蓄能电站。由于采用GIS的开关站可减小开关站的面积，因而可减小开关站的开挖量，降低开挖边坡的高度，节省土建投资，提高开关站开挖边坡的稳定性。虽然GIS价格较贵，但经过技术经济比较，GIS的综合费用并不比敞开式开关站高多少。因此，天荒坪抽水蓄能电站选择采用GIS。

（3）500kV断路器不加合闸电阻，操作过电压仍满足规范要求，取消合闸电阻。

对于500kV断路器是否需加装合闸电阻的问题，由于当时有关标准尚未修订，规定仍需安装。加装合闸电阻不仅增加断路器的价格，而且使结构复杂化，反而降低运行的操作可靠性。基于天荒坪抽水蓄能电站500kV线路很短的特点，经清华大学、国家电科院进行TNA模拟试验和EMTP数值计算，证明不装设合闸电阻，依靠氧化锌避雷器就可限制操作过电压，满足各种运行方式下统计操作过电压均小于规程规定值，且有一定裕度，从而使各方取得了共识，同意取消合闸电阻，节省了投资。

（4）发电电动机采用无外加风机的径轴向通风方式，提高了机组运行可靠性和效率。

天荒坪抽水蓄能电站发电电动机由于转速高（每极容量为27.25MVA），如果通风冷却采用过去常用的外加风机方式，噪声大，运行条件差，众多的外加风机故障几率高，将降低机组运行可靠性，同时也增加厂用电容量。因此，设计对采用无外加风机的径向通风方式进行了研究，认为存在采用这种通风方式的可能。但是当时国际上尚无如此高的容量机组采用无外加风机的径向通风方式的先例。为了避免重蹈国外某些电站失败的教训，采购合同要求制造厂在真机制造之前先做通风模型试验，试验成功之后才能投产，以确保真机能一次投产成功。运行多年来的实践证明，天荒坪工程采用无外加风机的径轴向混合通风方式是成功的。

3 抽水蓄能电站电气一次技术发展

3.1 电气主接线

抽水蓄能电站电气主接线与抽水蓄能电站厂房结构型式及位置（地下或地面）、电站输电电压等级、电站的换相与同期方式选择（高压或低压侧）、机组的启动方式、厂用电源的引接、电站及机组在电力系统中所占比例等因素有关。由于抽水蓄能电站工况转换频繁，操作次数多的运行特点，要求电气主接线设计满足电网对电站运行安全、可靠、灵活的要求，简化接线，节省电站投资。

随着科技的进步、机电设备国产化进程的发展、500kV断路器造价的降低等，为蓄能电站电气主接线的优化提供了可能。机组与变压器采用2台机联合单元接线，可简化高压侧GIS接线和布置；高压侧接线采用可靠性计算分析，从供电的连续性、充裕度和安全性等进行分析，结合经济性，从技术经济进行综合比较。对于4台机方案，如出线为二回，一般采用四角形、单母线分段接线方案，对于6台机方案，如出线为二回，一般采用双母线、五角形接线方案。

就当今抽水蓄能电站而言，6台机组可选用两台SFC，取消背靠背启动方式的典型接线；4台机组的电站，普遍采用的是1台SFC加背靠背启动方式的典型接线。

对于兼有定速、可变速机组的抽水蓄能电站，应结合变速机组的变速范围、定/变速机组的启动方式等，设计相应的电气主接线。对于变速机组，若变速范围小，交流励磁装置容量小，不足以满足机组电动工况的自启要求，必须利用SFC装置进行电动工况的启动。而随着机组变速范围加大，交流励磁装置容量足以满足机组电动工况的自启要求。因此，应对兼有定速、可变速机组的抽水蓄能电站的电气主接线进行多方案的比较，确定最佳的电气主接线。

3.2 发电电动机

随着我国抽蓄事业的迅猛发展，蓄能机组已逐步在向大容量、高转速方向发展，现已在设计、制造最高水头 大 于 700m、350MW-500r/min、350MW-600r/min及400MW-500r/min的蓄能机组。对于大容量、高转速的发电电动机，转子结构设计、推力轴承设计、通风设计、转子材料选择，主要部件刚强度、轴系稳定、机组振动及厂房振动等，是关注的重点。近年来，充分利用先进的计算工具，对机组关键部件进行有限元计算和疲劳分析；进行综合物理场的数值分析；开展高速大容量机组的振动研究；对多个抽水蓄能电站进行实测，全方位开展抽蓄电站的厂房结构动力计算和动力特性研究以及抽蓄电站的厂房振动控制标准的研究。

随着优化新能源运行及提升优质电网的需要，大容量变速机组的应用日益迫切。作为一种先进的电网稳定运行的调节手段，可变速蓄能机组也是常规定速蓄能机组发展到一定规模后的有益的补充和具备强大调节功能的关键节点。变速机组的发展也是柔性电力技术的体现，用基于整流桥的发电机励磁装置代替直流发电机励磁，使电力系统在稳态及暂态控制中的响应速度、精确度大大提高。国内首座交流变速机组电站丰宁抽蓄电站已在设计建设中，变速机组设计时，应特别关注转子结构、大型交流励磁装置、机组自启动性能等。

迄今为止，蒸发冷却水轮发电机已在国内大寨、安康、李家峡、三峡地下电站4个水电站的6台机组上成功采用。随着发电电动机容量及转速的提高，如何保证发电电动机安全、可靠、稳定、高效运行将是极大的挑战。由于发电电动机频繁启停、负荷陡变，由此产生的交变热应力是影响机组安全稳定的关键因素。发电电动机采用蒸发冷却可以降低频繁启停过程中定子铁芯所受热应力，提高槽电流，减少定子槽数，减少转子直径从而提高转子的安全可靠性，冷却风量减少从而降低风摩损耗及噪声等。不久的将来，有望设计、制造拥有我国自主知识产权的蒸发冷却发电电动机。

3.3 500kV高压电缆

继天荒坪工程后，华东院相继在桐柏、宜兴、宝泉、响水涧、仙游、仙居、洪屏、绩溪、长龙山等抽蓄电站中采用500kV交联聚乙烯（XLPE）电缆。随着500kV电缆及电缆终端国产化进程的发展，国内抽水蓄能电站几乎全部采用XLPE电缆（除个别采用GIL母线）。单根电缆的长度已从1000m向1300m甚至更长的方向发展，预计到2025年单根长度超过1500m的应用工程将投入运行。

3.4 其他

3.4.1 电气设备布置

随着工作的不断改进和优化设计，相继在抽水蓄能电站设计中采用三维设计、通用设计及通用工艺设计等，以提高设计水平。借助三维设计减少设计差错，提高设计效率，缩短设计周期，解决了多专业协同问题。通用工艺设计统一了抽水蓄能电站工艺设计原则，对抽水蓄能电站的预埋管、预埋件、接地、电缆桥架及电缆敷设、小口径管路、支吊架、盘柜接线等工艺设计进行了细致的规定和统一。

3.4.2 厂用电设计

鉴于抽水蓄能电站的运行逐步向无人值班过渡，遇有故障时应能自动处理，不需要现场人工即时干预，本着“故障导向安全”的设计原则，建议中压厂用电系统中性点采用经低电阻接地方式，同时保证保护的选择性和灵敏度满足要求，以确保电站的安全稳定运行。

3.4.3 水淹厂房反事故措施

针对减少水淹厂房的风险，进行了厂用电接线的设计优化。厂用电系统设计时加强上下水库区域及开关站、生产控制楼等地面建筑及设备设施供电可靠性，采取通过引接地区电源或柴油发电机等措施提高供电可靠性；涉及水淹厂房安全的电气设备尽量考虑放置在水轮机层以上，对于不具备条件的尽量采用保护等级为IP67的设备；注意应急照明电源的供给、分级和分层设计和布置、断路器设置原则、灯具及其开关的防水功能等。更进一步对水淹厂房事故后的排水系统进行应急电源设计，及疏散通道的设计。

3.4.4 电缆防火设计

关于电缆防火设计，严格按照电缆设计规范、电站消防设计规范、厂用电设计规程等进行。正确选择电缆型号，采取不同电压等级的电缆分层布置、分段封堵、动控分离等相应措施等，以减少火灾隐患。

4 结束语

天荒坪抽蓄电站的设计，为华东院后续抽水蓄能电站的设计打下了坚实的基础。随着更高水头、更高转速、更大容量的蓄能机组的设计及建造，抽蓄机组参数选择及结构设计面临着更大的挑战，发电电动机转子结构、推力轴承、通风等设计，转子材料选择，主要部件刚强度、轴系稳定、机组振动及厂房振动等均需要重点关注，需要我们总结经验并不断进步。