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: A

1 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 ≤0.64

2.2 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 1350t

2.4 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。若不用铁路运输，可采用水陆联运方式，经过长江运入，然后转乌江，直到工地重件码头上岸。初步了解电站至乌江口的航道现有状态，每年的4～10月部分时间可通行运输三相主变压器的船只，故选择三相主变压器。

主变压器的冷却方式选择，需考虑主变压器的布置位置。本电站主变压器布置在厂房尾水平台上，主变压器的通风、散热条件比较好，故冷却方式采用强迫油循环风冷却方式。

主变压器的主要参数如下:

型式 三相、双卷、强迫油循环风冷升压变压器

额定容量 340MVA

额定电压 （242±2）×2.5%/13.8kV

阻抗电压 13%～15%

额定频率 50Hz

高压出线方式 油/SF6 套管

中性点接地方式 直接接地或不接地

连接组别 YN，d11

（3）发电机电压设备。发电机电压设备主要由发电机主回路母线、发电机断路器等组成。根据《水力发电厂机电设计技术规范》DL/T5186-2004的规定，100MW及以上发电机组应选用全连式离相封闭母线。银盘水电站单机容量150MW，功率因数0.9，发电机回路出线额定电压13.8kV，额定电流为7321A，发电机机端短路电流系统侧为114.28kA，推荐发电机至变压器间的引出线型式采用全连式离相封闭母线，与三相主母线连接的分支回路亦相应地选用全连式离相封闭母线;主回路中的发电机保护断路器选用目前通用的24kV大电流SF6 开关，主要参数如下:

封闭母线

型式 自冷、离相封闭式

额定电压 18kV

额定电流 16000（8000）A

额定频率 50Hz

额定短时耐受电流（有效值，3s） 120kA

额定峰值耐受电流 340kA

（注:括号内参数为单回路母线参数。）

发电机断路器

型式 户内SF6

额定电压 24kV

额定电流 10kA

额定频率 50Hz

额定短时耐受电流（有效值，3s） 120kA

额定短路开断电流

交流分量 120kA

额定峰值耐受电流 324kA

3.3 电气总体布置

根据推荐的电气主接线、配电装置型式及开关站位置，在满足电气设备性能要求的基础上，考虑节省占地、运行维护方便和总体布局合理性等因素，确定了银盘水电站电气总体布置。其中，在主厂房水轮机层（186.0m高程）主要布置有发电机引出线和中性点设备;在副厂房发电机层，每个机组段布置3台单相励磁变压器;在200.0m层，每个扩大单元的设备有单相电压互感器及避雷器柜、高压厂用单相变压器、发电机断路器等;220kV设备布置在下游尾水平台上，包括2台室外220kV主变压器、220kV GIS配电装置室。

220kV高压出线设备选择在左岸非溢流坝段下游、靠近主厂房安Ⅰ段的一块平地上，出线设备与GIS配电装置之间采用SF6 管道母线连接，220kV SF6 管道母线经223m高程楼板下的固定支架引至户外出线设备区，再由户外出线设备引出架空线至线路终端塔。

4 大件运输

银盘水电站位于西南高山峡谷地区，在设计中落实机电设备大件运输条件、选择运输方式十分重要，事关水轮机转轮、主变压器等主要设备的选型。银盘水电站工程所需运输的机电设备重大件尺寸及重量见表1。

由于重大件运输受公路桥涵、隧道等的限制，部分重大件陆路运输至工地困难，涪陵→坝址的乌江航道为Ⅴ级，中水期可通行载运水轮机转轮体、主变压器等大件设备的船舶。机电设备重大件运输选择每年的4～10月适当时间通过水运至坝址重大件码头卸船、起坡，然后用平板车运至工地现场。银盘上游梯级彭水水电站（5×350MW）已采用相同的水运方式运输大件至工地。

5 电站计算机监控系统

考虑到银盘水电站在系统中所处的地位以及电站厂房型式特点，为保证电站安全可靠、经济运行，提高电站运行和管理的自动化水平，最大限度地发挥枢纽的综合效益，电站采用全计算机监控，即电站集中监控和现地监控单元均采用计算机监控，不另设常规自动监控系统。电站计算机监控系统可根据电力系统要求及电站设备的运行条件，完成对电站设备的自动监控，主要包括:

（1）准确、及时地对整个电站设备运行信息进行采集及处理;

（2）对电站机组及主要机电设备进行实时监控，保证电站安全运行并实现电站运行与管理自动化;

（3）根据上级调度和电站运行要求，进行电站最佳控制和调节;

（4）按照电网要求对系统稳定性进行监控，保证系统安全运行;

（5）枢纽内外通信，并能与厂内录波系统、工业电视、直流系统、通风系统、消防系统、机组局放气隙系统、信息管理系统等系统实现通信。

电站计算机监控系统具有较强的实时性、高可靠性、高可利用率等技术性能，满足系统开放性、可扩充性及运行灵活性等方面的要求，可实现电站无人值班（少人值守）。电站计算机监控系统采用分层分布式系统结构，计算机监控系统分为电站厂站层和现地控制级两层，厂站层采用功能分布结构，硬件配置包括系统主计算机（信息管理工作站）、操作员工作站、工程师工作站、中控室大屏幕投影设备（不设置模拟屏）、路由器及通信服务器等。现地控制级按监控对象的分布设置现地控制单元，共配置6套现地控制单元，其中4套机组现地控制单元（LCU1～4）;1套全厂公用设备现地控制单元（LCU5），1套220kV交流开关站现地控制单元（LCU6）。

6 电力拖动与控制

为满足水工对泄洪闸门的控制要求，溢流闸门控制设置1套集中控制装置，并结合工业电视系统，对闸门启闭机运行情况等进行集中监视。集中控制系统采用2台工业控制机作为集中控制主机互为备用，对现地控制设备进行集中监视、控制和管理。该方案的特点是配置简单，操作控制方便，控制、监视和管理功能强，通过集控监视器可以直接显示现地设备运行情况，同时对现地设备进行操作控制，并与电站计算机监控系统进行通讯，实现信息上传和接受电站计算机监控系统控制调度指令。

为了使船闸运行过程可靠、安全和畅通，减少操作人员劳动强度，船闸设置1套集中控制系统，该系统采用分散控制、集中管理的两层分布式控制系统结构，由1套集控站、4个现地控制站和相应的通航指挥信号装置、工业电视、广播系统及通讯设备组成，完成过船作业的集中自动控制和监视指挥。每个现地控制站均采用可编程序控制器作为主控制装置。集控站负责控制、监视船闸各现地站设备的运行和对船闸的通航调度管理。

7 消防

消防设计贯彻“预防为主，防消结合”的方针和确保重点、兼顾一般、便于管理、经济实用的原则。满足防火、监测、报警、控制、灭火、排烟、救生等几方面的功能要求。消防总体设计方案为以水消防为主，部分不适宜采用水消防的部位、场所，采用移动式化学灭火器;重要的生产用机电设备配有专用消防设施，相关建筑物内外配置一定数量的消火栓和移动式灭火器;生活管理区及电站公用区主要灭火方式是消防车机动灭火和室内、外消火栓固定灭火。

按照有关规定，电站设置1套火灾报警及联动控制系统，采用1套集中报警控制器+2套区域报警控制器的结构形式。为了使电站火灾报警及消防联动控制设备达到集中报警、总体灭火的目的，同时防止电气故障误报警干扰电站的正常工作生产，将电站的集中报警控制器布置在电站中控室内。在电站厂房和220kV GIS室各设1台区域报警控制器并均具有紧急广播功能，分别设于电站厂房的发电机层和220kV GIS室的继电保护室。在中控室内设置1套主控微机完成电站火灾报警及消防联动控制系统与电站计算机监控系统、泄水闸火灾报警与控制系统、工业电视系统等的通信。

8 结语

银盘水电站作为乌江流域的大型水电工程，其机电设计体现了近期大型水电工程机电技术的进步与发展，可为其它大型水电工程的设计及机电设备的研发制造提供值得借签的经验。

作者简介: 赵 鑫，男，长江水利委员会设计院机电处副总工程师，教授级高级工程师。