银盘水电站机电设计

银盘水电站机电设计（赵鑫王建华）摘要: 银盘水电站水轮机正常运行水头变化范围为13～35.12m，额定水头为26.5m，属于运行水头变幅较大的电站。

根据该电站水头条件，选择轴流转浆式水轮发电机组。

论述了银盘水电站机电设计技术方案和解决的主要技术问题，包括水轮发电机组选型设计和辅助设施的配套选择、电气设计、监控、消防等内容。

关键词: 机电设计;电气设计;监控;消防;银盘水电站;中图分类号: TV734 文献标识码: A1 概述银盘水电站位于乌江下游河段，地处重庆市武隆县，是乌江干流水电开发规划的第11个梯级，上游与彭水水电站衔接，下游为规划的白马梯级，是具有兼顾彭水水电站反调节任务和渠化航道的枢纽工程。

该工程的开发任务是以发电为主，其次为航运。

银盘水电站主要由挡水建筑物、泄洪建筑物、电站厂房和通航建筑物等组成。

大坝坝型采用混凝土重力坝，坝顶高程227.5m，最大坝高约78.5m，坝顶长度约600.10m，从左至右分别为左岸非溢流坝段、厂房坝段、泄洪坝段、船闸坝段及右岸非溢流坝段。

厂房为河床式厂房，电站装机容量为600MW（4×150MW），保证出力161.7MW，多年平均发电量27.08亿kW•h。

银盘水电站机电设计的主要内容有:水轮发电机组的选型设计和辅助设施的配套选择、电气设计、监控与保护、通信、消防、泄水闸门和通航设施的电气拖动与控制等，采用的技术方案和解决的主要技术问题简要论述如下。

2 水轮发电机组2.1 水轮机型式及参数水平银盘水电站水轮机正常运行水头变化范围为13～35.12m。

电站运行水头属低水头范围且水头变幅大，可供该水头段选择的机型有轴流转桨式和混流式。

考虑到该水头段可供选择的混流转轮较少，且该水头范围是轴流转桨式机型较理想的运行范围，轴流转桨式水轮机的主要优点是效率曲线平坦、单位转速高、稳定性较好，更适用于低水头段且水头范围变化较大的电站。

经综合分析比较，轴流转桨方案优于混流方案，因此，本电站选用轴流转桨式水轮发电机组。

根据对国内外大型轴流式水轮机性能参数的统计分析，结合银盘水电站的基本参数及运行特点，本阶段确定的银盘水电站水轮机的性能参数水平如下:比转速ns 520m•kW左右比速系数k 2700左右最优单位转速n′10 132r/min左右最优单位流量Q′10 1.1m3/s左右限制点单位流量Q′1 1.63m3/s左右模型最优效率ηOM ≥92.8%真机最高效率ηOT ≥94.7%模型空化系数σm ≤0.642.2 机组容量选择根据银盘水电站基本参数及运行特点，在前期设计成果的基础上（杨家沱坝址，装机容量600MW），分别对单机容量150MW（装机4台）和单机容量200MW（装机3台）两个方案进行综合分析、比较。

技术方面，两方案的水轮机在设计、制造、施工、运输、运行维护等方面均是可行的，两方案的水轮机参数水平相当，但4台机方案机组制造难度远小于3台机方案，运行灵活性明显优于3台机方案，厂房施工强度和施工难度也小于3台机方案。

经济方面，4台机方案与3台机方案相比，节省投资3040万元，初期运行少发电1.45亿kW•h，正常运行期每年多发电0.012亿kW•h，两方案总体经济指标基本相当。

因此，综合技术经济比较，推荐4台机方案，单机容量为150MW。

2.3 水轮发电机组主要技术参数（1）机组额定转速选择。

根据国内主要水轮发电机组制造厂推荐的方案，机组额定转速有75、79、83.3r/min和88.2r/min4种，因75r/min和88.2r/min两种方案的比速系数k 值、最优单位转速不满足要求不予选用，83.3r/min转速方案与79r/min转速方案相比，发电机重量轻、定子槽电流更合适，其技术经济指标均优于79r/min转速方案，故转速选用83.3r/min。

（2）水轮机安装高程。

按相关规范的要求及适用本电站的水轮机空蚀性能，比较了水轮机最大水头、设计水头、额定水头、最小水头以及最小通航流量等工况的吸出高度和安装高程，控制本电站水轮机安装高程的工况为发额定功率工况，确定的水轮机安装高程为176.4m （以导叶中心高程计）。

（3）推荐方案的机组参数。

推荐方案机组主要技术参数如下:水轮机额定功率 152.6MW最大水头 35.12m最小水头 13.00m加权平均水头 29.66m额定水头 26.50m转轮直径 8.8m额定流量 635.8m3/s额定转速 83.3r/min额定效率 92.5%最高效率 94.7%安装高程（导叶中心线） 176.4m比转速 541.2比速系数 2786飞逸转速 210r/min转轮重量 300t水轮机总重量 1400t发电机额定容量 166.7MVA额定功率 150MW功率因数 0.9额定效率 98.3%额定转速 83.3r/min额定电压 13.8kV额定电流 6973A额定频率 50Hz发电机冷却方式全空冷转子重量 680t发电机总重量 1350t2.4 机组结构（1）水轮机。

水轮机为立轴轴流转桨式，混凝土蜗壳。

从发电机顶部俯视，旋转方向为顺时针。

水轮机转轮由轮毂体、桨叶、桨叶操作机构和泄水锥组成。

桨叶采用具有良好抗空蚀、磨损性能的不锈钢材料VOD精炼制造，五轴数控机床加工而成。

转轮室由上、中、下环组成，采用不锈钢材料制造，适当位置设置1个检修进入门。

机组主轴由水轮机主轴和发电机主轴组成，水轮机主轴采用低合金钢整体锻造而成，中空结构，内设有桨叶接力器操作油管。

水轮机主轴与转轮的连接采用摩擦传递力矩的方式。

水轮机主轴与发电机主轴采用法兰连接方式。

（2）发电机。

水轮发电机为具有上、下2个导轴承的立轴半伞式结构，冷却方式为密闭自循环全空冷。

发电机上端轴和发电机主轴上端均与发电机转子中心体连接，发电机主轴下端与水轮机主轴用螺栓连接。

推力轴承置于下机架上或推力支架上，上导轴承位于上机架上，下导轴承置于下机架上。

发电机上、下机架上均铺有钢盖板，构成发电机风罩。

发电机定子机座采用钢板焊接结构，分瓣运至工地，在工地主厂房安装场拼装组圆焊接，并在安装场叠片，然后整体吊运至机坑，在机坑内安装定子线棒及连线。

发电机转子采用刚度大、通风损耗小、无轴的圆盘式支架焊接结构，转子中心体为整体结构。

发电机主轴采用低合金钢整体锻造而成，中空结构，内设有桨叶接力器操作油管。

3 电气设计电气设计主要包括电站与电力系统的连接、电气主接线和厂用电接线、枢纽电气总体布置、电气设备选择、过电压保护及接地、照明等，主要内容论述如下。

3.1 电气主接线2006年6月14日重庆市电力公司主持召开了银盘水电站接入电力系统专题审查会，会议确定银盘水电站接入电力系统方案为:银盘水电站出线采用220kV一级电压接入系统，220kV 出线二回，落点均为张家坝500kV变电站220kV母线，每回线路长约30km，导线型号暂按LGJ-2×630考虑。

按上述系统条件并保证电站安全运行的前提下进行银盘水电站电气主接线的设计，对发电机和变压器的组合方式进行了单元接线、联合单元接线和扩大单元接线方案比选，因扩大单元接线方式投资相对较低，电站只有两台主变压器，布置比较简单，操作运行维护也较方便，且每台机端装设了发电机断路器，对厂用电源和机组的运行较为有利，因此，推荐采用扩大单元接线方案，即:发电机和变压器的组合方式采用两机一变的扩大单元接线。

220kV侧接线进行了双母线接线、内桥接线、单母线接线、四角形接线方案比选，分析4种接线方案可知:内桥接线配置断路器最少，投资最省，在电气设备投资方面该方案具有较大优势，但运行灵活性及安全可靠性最差，故不选用此方案;双母线接线和单母线接线、四角形接线相比，双母线接线配置断路器数量多，投资相对较高，而运行可靠性及灵活性相对一般，因此也不宜选用此方案。

单母线和四角形方案投资相当，且单母线接线简单清晰，但考虑银盘水电站为上游彭水电站的反调节电站，利用小时较高，若故障导致停机，会造成大量弃水及电能损失，故电站的主接线方案应安全可靠且运行灵活;因此，结合本电站的特点，从主接线方案应安全可靠且运行灵活的设计原则考虑，本电站220kV侧接线采用四角形接线。

3.2 主要电气设备选择银盘水电站主要电气设备有220kV配电装置、主变压器、大电流母线等，其选型和主要技术参数介绍如下。

（1）220kV配电装置。

220kV配电装置型式通常有全封闭组合电器（GIS）、敞开式电器（CS）、混合式电器（H-GIS）3种。

受银盘水电站周围地形条件限制，混合式配电装置开关站需在岸边山坡上平整出场地，因此土建费用加大，其总体投资高于GIS方案，而可靠性却比GIS要低，另外国内实际投入运行的此类设备甚少，运行经验不多，因此在银盘水电站配电装置选型时不考虑混合式电器，重点比较、研究GIS配电装置布置和普通敞开式配电装置两种方案。

通过比较可知，GIS配电装置方案的运行可靠性、使用寿命、设备检修、运行维护等多方面均优于敞开式配电装置方案;另外，根据武隆县气象资料记载和统计，武隆县属于多冰雹地区，平均每年出现3～4次冰雹天气，冰雹最大直径达20余毫米，气候条件较差。

敞开式配电装置受到冰雹袭击受损的概率远大于GIS方案，敞开式设备大部分为瓷套管，容易受冰雹袭击而损坏，显然，采用GIS配电装置具有明显的优势。

而在经济比较中，敞开式配电装置方案虽然电气设备投资较少，但土建工程量及投资很高，整个方案的投资比GIS配电装置方案高出3640万元，其经济性较差。

故综合考虑，银盘水电站220kV配电装置采用GIS，其主要技术参数如下:额定电压 252kV额定电流 2000A额定短路开断电流（有效值）交流分量 40kA直流分量百分比≥40%额定短路关合电流（峰值） 100kA首相开断系数 1.3额定操作循环分-0.3s-合分-180s-合分额定短时耐受电流（有效值） 40kA额定短路持续时间 3s额定峰值耐受电流 100kA绝缘水平相对地隔离断口雷电冲击耐受电压（峰值，1.2/50μs） 950kV 1050kV工频耐受电压（有效值） 395kV 460kV（2）主变压器。

银盘水电站发电机和变压器组合采用扩大单元接线，增大了发电机电压短路容量，为了限制短路电流，电站主变压器低压侧可以考虑采用分裂线圈。

经过向国内大型变压器生产企业咨询，了解到目前大型低压分裂升压变压器尚处于课题研究阶段，生产制造技术还不成熟，实际运行经验缺乏，目前不推荐采用，故本电站主变压器选用普通双卷升压变压器。

银盘水电站单机容量150MW，采用扩大单元接线，220kV主变压器额定容量选择340MVA。

根据电站的地理位置和交通情况，主变压器的选型需要考虑运输条件。

340MVA的三相双卷变压器运输重量约为200t、运输尺寸约为9.5m×3.5m×4.3m（长×宽×高），当采用铁路运输时，根据厂家提供的资料，可以使用210t凹型车运输。