淺析一起中小水電站首部大壩應急柴油發電機及其輔助設備的配置方案

張飛

摘 要：中小水電站很多由民營企業投資建設，在工程建設初期均為配置大壩應急柴油發電機，這對大壩汛期安全度汛帶來了安全隱患，也不符合相關安全管理要求。為此，本文從機房位置選擇、柴發容量的計算及校驗等方面，把我本人為我公司所屬的云南文山州黃家坪電站大壩應急柴油發電機的配置方案分享與大家，以對有類似水電站尚未配置應急柴油發電機的予以參考和指導。

關鍵詞：大壩；柴發；啟動方式；負荷計算；容量選擇；電壓校驗；配套設備

中圖分類號：TV7 文獻標識碼：A 文章編號：1671-2064（2017）05-0152-01

1 引言

目前很多中小水電站的開發為民營投資建設，對電站首部大壩的閘門電源供電可靠性未得到足夠的重視，很多均未配置大壩應急電源，這對大壩及電站的安全運行帶來一定隱患，現以我公司下屬的云南文山州黃家坪電站首部大壩應急電源配置方案為例，以幫助尚未配置大壩應急電源的予以參考。

2 項目概況

我公司下屬的文山州黃家坪電站是從民營企業手中收購的，電站裝機2×10MW混流式機組，水庫庫容801萬，興利庫容302萬，大壩設有1道表孔閘和3道底孔閘，表孔閘和底孔閘均為固定式雙吊點平面閘門，啟閉方式為固定卷揚式，電源由電站站用電直供（無備用電源）。2009年6月投產至今，大壩尚未配置應急柴油發電機，我公司收購后為確保電站大壩在汛期安全度汛，從應急柴油發機的機房位置選擇、容量計算和配套設備選擇等方面進行了設計。

3 房位置選擇

機房位置選擇應盡可能離配電室最近，以便于接線、操作和管理，減少材料、電壓和電能的損耗。機房應通風良好、便于散熱和排煙，應方便機組的吊裝、搬運和檢修，應避開潮濕環境。根據以上要求，提出如下方案：

方案1：設置在啟閉機房的配電屏附近，投資最省，接線最短，但現場已無安裝位置，且柴發運行時的震動會對啟閉機房帶來一定安全影響。

方案2：設置在大壩閑置房內，該房面積約15平方米，緊鄰值班室，該方案投資較少，但占用大壩檢修期間人員辦公和住宿地點。

方案3：在大壩值班室擴建端新修一間柴發配電房，并將雙頭切換刀閘安裝于此，該方案距離配電變壓器最近，但投資相對較大。

綜上所述，在征求電站意見后，最終采用了方案2。

4 機組容量選擇

（1）負荷統計。根據汛期泄洪操作步驟：先開啟大壩表孔閘門，此時如無法滿足泄洪要求，再根據洪水情況逐一開啟底孔閘門。因此，在汛期可能出現最大負荷為：開啟表孔閘、應急照明（預估1kW）和柴發室軸流風機（預估1kW），即：2×18.5kW+2kW=39kW。

（2）柴發容量計算。根據《火電廠廠用電設計技術規定》和《民用建筑電氣設計規范》進行柴油發電機組容量選擇：

①按汛期出現最大負荷需要進行計算，保證系數K取1.1，η為柴油發電機效率，一般取0.9。

側：P=KP/η=1.1×39/0.9≈47.7kW

②根據實際啟動表孔閘觀察到的電流計算。由于電站大壩各閘門電機均為繞線式電機，其啟動方式為轉子回路串電阻器啟動，因此啟動電流較小，現場觀察到實際啟動表孔閘門時的啟動電流約95A，而繞線式電機功率因素一般約0.7左右。

側：P=UIcosθ=1.732×0.38×95×0.7=43.8kW

③按照《民用建筑電氣設計規范》6.1.2條，配置柴發容量可按電源變壓器容量的10%～20%進行估算，電站大壩配置的變壓器容量為315kVA，取20%即為：63kVA，約50kW。

綜上所計算，結合柴發市場實際規格等級，擬配置50kW（即：視在功率62.5kVA，功率因0.8）柴發即可滿足要求。

5 過負荷能力和電壓等校驗

（1）根據《火電廠廠用電設計技術規定》，柴發帶負荷啟動一臺最大容量的電動機短時過負荷能力要求進行校驗。

由：≥〔n+（1.25-K）〕/1.5

：計算負荷，K=0.8×38=30.4

：最大電機額定功率

：最大電機啟動電流倍數（繞線式電機一般為2～3倍），

則：≥〔30.4+（1.25×2-0.8）×37〕/1.5=62.2kV而擬配置的柴油發電機容量為62.5kVA，故62.5≥62.2。

因此，擬配置的50kW（62.5kVA）柴油發電機可滿足啟動最大電機時的過載能力要求。

（2）根據《火電廠廠用電設計技術規定》，按最大電機啟動時對母線電壓水平校驗。

由公式：=/（+1.25）

：為擬選定柴發容量

：最大電機啟動電流倍數（繞線式電機一般為2～3倍）

：最大電機額定功率

：柴發機暫態電抗，一般為0.2～0.25。

則：=/（+1.25）

=62.5/（62.5+1.25×2×37×0.20～0.25）

=62.5/（81～85.625）≈0.77～0.73

因此，根據《火電廠廠用電設計技術規定》啟動最大一臺電機時母線電壓以不低于額定電壓的75%為宜，由此可見校驗可滿足要求。

（3）母線電壓達到75%時啟動最大電機時，對現場配置的空開是否過流跳閘進行校驗。

由上一步進行的母線電壓校驗知，最低電壓將達到73%～77%之間，因此，選擇電壓達到75%（285V）進行反算電機啟動瞬間現場PLC配置的空開是否過流跳閘進行校驗。

由：P=UIcosθ，得I=37/（1.732×0.285×0.7）≈107A

此時計算電流107A大于現場PLC配置的空開額定電流（100A），但該空開設有兩種過流保護：一是帶長延時反時限過流脫的反時限過流保護（對于22kW以下電機帶重載啟動時間約0～15秒），二是瞬時過電流脫扣器瞬時過流保護（對繞線式電機按啟動電流的1.7倍整定）。因此，現場PLC柜配置額定電流100A的空開可滿足啟動瞬間電壓達到75%時不跳閘的要求。

因此，通過以上的計算和校驗，電站大壩應急柴油發電機擬配置容量為50kW柴油發電機，可滿足要求。雖然擬選擇的50kW柴發，考慮了1.1保證系數，并通過校驗亦可滿足要求，但為了更可靠、更安全，并考慮到多年運行后和國內柴油發電機組的效率等因素，最終考慮選擇大一等級的柴油發電機，即：選擇60kW級的柴油發電機，而且價格相差不大。

6 配套設備的選擇

（1）柴發機房面積。根據最終選擇的60kW柴油發電機規格為1800×750×1200，以及設計規范要求，柴發的維護通道需大于1m，操作通道需大于2.5m。因此，柴油發電房面積需約12平方米（長4.5米、寬2.5米、高3米）。

（2）柴油機房通風設備。為確保柴油發電機運行中充分散熱和可靠運行，根據擬選擇的60kW柴發排氣量約4L，以及柴發配電室面積約12平方米。因此，柴油機房擬對稱開啟兩扇窗戶進行自然通風散熱或者設一臺邊墻式DWXE-300D4型的軸流風機進行換氣。

（3）戶內雙頭切換刀開關。根據表孔閘門啟動時觀察的電流約95A左右，以及現場PLC控制柜配置的空氣斷路器額定電流為100A，以及以上計算最大電機啟動瞬間電壓降低到75%時啟動電流達107A，再加上應急照明和柴發室軸流風機負荷。考慮短路時短路電流，并結合通用刀開關規格型號，擬選擇帶防護罩的三相四線防誤HS11-200/160/4F型雙頭切換刀開關。

（4）電纜選擇。仍選擇原大壩變至啟閉機房配電柜同規格電纜，即：（YJVV22---3×70+1×35）。長度為30米，一是首部樞紐水泥雙桿變至應急電源柴發機房雙頭切換刀閘約需20米，二是應急電源柴發出口至雙頭切換刀閘約需10米。

（5）熱鍍鋅接地扁鐵。預計70米，本次應急電源柴發用20米；完善首部樞紐其它設備接地，預計50米。

（6）槽鋼。根據擬60kW的柴油發電機組，其重量約1頓，因此擬選擇10型的槽鋼，約需6米，用于柴發基礎。如選擇成套柴油發電機組，大部分廠家出廠時已經配置了基礎和緩沖墊，只需提供平整地面即可。

（7）茶油發電機組出口斷路器及保護配置。由于多數柴油發電機組均為成套設備，其出口均已配置出口斷路器和相應保護。

7 方案實施情況

該方案于2016年11月實施完畢，經啟動試運行和帶負荷試運行，完全滿足要求，帶表孔閘啟動瞬間電壓最低達額定電壓的82%。