龙滩水电站700MW机组主设备配置及其特性

胡镇良，杨振先，陆军，李世龙

(龙滩水电开发有限公司，广西天峨547300)

0 概述

龙滩水电站位于广西天峨县，距天峨县城15 km，是红水河上的龙头电站。电站一期按正常蓄水位375.0m建设，最大水头154m，最小水头97m，装机7台，单机额定容量700MW，总装机容量4900MW，年平均发电量156.7亿kW·h，总库容162.1亿m3，具有年调节水库。二期按正常蓄水位400.0m设计，最大水头179m，最小水头107m，增设2台机组，总装机容量6300MW，年平均发电量187.1亿kW·h，总库容272.7亿m3，具有多年调节水库。龙滩水电站在电力系统中担任调峰、调频和事故备用。电站以500kV电压等级接入电力系统。

龙滩水电站水轮发电机组于2002年3月出售招标文件，2002年9月在广西南宁开标，经过评标和报国家有关部门批准，东方电机股份有限公司中标7台水轮机及其附属设备，哈尔滨电机厂有限责任公司中标7台发电机及其附属设备。龙滩水电站1～5号机组已分别于2007年5月21日、7月20日、10月31日及2008年4月13日、8月24日相继投产发电。

1 电气主接线

龙滩水电站单机最大容量700MW,担负系统调峰任务，机组开停机较为频繁，因此发电机变压器采用运行灵活、布置简单的单元接线。根据运行经验分析，装设发电机断路器的单元接线，开停机操作均由发电机断路器完成，无须操作500kV高压断路器，运行灵活，操作简单，同时ABB公司已能生产额定电流达28000A的SF6发电机断路器，并有挂网运行经验，可满足龙滩要求，因此通过分析比较认为龙滩水电站装设ABB发电机断路器是必要的、可行的。高压500kV侧主要送电至广西、广东两省，出线6回，其中一期4回，二期1回，另有一回出线备用，经综合技术经济比较，高压500kV侧接线采用4/3接线。

经过分析比较，最终确定龙滩水电站电气主接线为:发电机变压器采用单元接线，设置发电机出口断路器，500kV侧接线选用4/3接线。

2 主要机电设备配置与特性

2.1 水轮发电机组及其附属设备

根据国家发改委确定的“依托大型工程，通过引进消化、吸收国外先进技术推动我国重大技术装备创新的战略目标”原则，龙滩水电站一期1～7号水轮发电机组及其附属设备采用国内招标方式采购。水轮机由东方电机股份有限公司(下称东电)中标，主分包商德国伏伊特西门子水电公司(VSH)、上海希科水电设备有限公司(SHEC)负责水轮机设备水力设计、转轮模型试验等工作。调速器由东方电机控制设备有限公司中标，主分包商阿尔斯通(法国)公司。发电机由哈尔滨电机厂有限责任公司(下称哈电)中标，主分包商阿尔斯通(瑞士)公司与哈电联合承担设计任务并提供电站的推力轴承、空冷器等部分产品；东电作为哈电的分包商，负责其中2台发电机部件的制造。

水轮机主要参数：

水轮发电机主要参数：

特性:①结构。龙滩水电站水轮发电机组为设有上导、下导和水导三导轴承的半伞式结构，推力轴承布置在下机架上，水轮机和发电机采用两根轴，机组旋转方位为俯视逆时针。②国内首次在工地现场工厂化制作700MW机组水轮机转轮。龙滩水电站地处高山峡谷，运输条件十分困难，目前路途的各类制约因素导致无法运抵龙滩工地，且整体转轮运输费用高昂，经认真评估后，决定在龙滩水电站工地现场制作转轮。为确保水轮机转轮的工地制造质量，现场对工艺、流程、质量控制方面从难从严要求，一丝不苟，完全按工厂工艺和标准制造，最后经转轮出厂验收证明，龙滩水电站工地现场制造的水轮机转轮各项指标均达到优良标准。③国内首次采用全空冷700MW水轮发电机。哈电在发电机的设计制造中与合作方密切协作，建立了大比尺模型进行通风试验，为合理选取发电机参数创造了条件，同时哈电与阿尔斯通密切合作对发电机设计不断优化，成功将定子铁芯高度降为3.3m，从而降低了发电机制造难度。发电机电磁设计、结构设计和推力轴承设计均采用了当今世界最先进的技术成果，主要解决了空冷机组铁芯压紧难度大、确保风道严密及通风效果、定子热应力增大、定子绕组温度分布不均匀、线圈温度较高和温差较大等一系列难题。在一年多的运行期间，龙滩水电站700MW全空冷机组性能基本稳定，机组出力也已达到或超过了额定出力，实现了全空冷700MW水轮发电机组在龙滩水电站的首次运用，同时也为哈电设计制造三峡右岸、拉西瓦、小湾、锦屏电站等一批巨型全空冷水轮发电机提供了宝贵的设计和制造经验。④龙滩水电站是我国首次立足国内公开招标巨型水轮发电机组，东电、哈电两大国内电力设备制造集团此次承担龙滩水电站水轮发电机组的主要设计和制造，在某些关键技术上由分包商提供技术支持与合作，这种“以我为主”采取总承包与分包形式的招标采购方式，为我国700MW国内大型水电制造企业提供了一个技术提高和自我展示的大平台。

2.2 调速器

机组发电质量考核指标主要有频率与电压两个方面，其中频率质量由调速器系统性能决定，电压质量由励磁系统性能决定。龙滩水电站调速器系统由法国ALSTOM的T.SLG型功能组合式数字调节器组成的双冗余微机数字控制器和东方电机控制公司研发的全液控电液随动系统组成，采用“双冗余微机数字控制器＋双冗余伺服比例阀电液随动系统＋纯机械液压手动”结构，具有转速调节、功率调节、导叶开度控制及限制、频率跟踪控制、适应式控制、在线自诊断及其处理功能。

特性:由于国内外设计、运行理念的不同，导致调速器系统自投产以来存在水土不服的一些情况，经参建单位合作，有些问题目前仍未解决，如调速器T.SLG目前仍未实现与监控系统的通讯，有些问题已基本解决，如:①1号机组投产初期，调速器手动运行状态时，自动不能跟踪手动运行参数，造成手动不能切换至自动运行。法国ALSTOM公司在程序中没有纯机械手动的运行方式，在纯机械手动运行方式下没有导叶反馈的跟踪。通过对软件修改，完善了手/自动相互切换的功能，目前调速器纯机械手动与自动可以相互切换。②机组频率PT信号和齿盘SSG信号不能冗余。目前修改程序完成了机组频率PT信号和齿盘SSG信号的冗余功能，PT/SSG信号均消失时切换至机械手动，保持导叶开度不变。③伺服比例阀发卡后，靠伺服比例阀自身故障报出后由外部自动回路来完成切换，但调速器电柜T.SLG却不做判断。目前已修改程序，调速器电柜T.SLG实时监测调速器液压系统的偏差量，当超过设定值后自动报大故障做切换处理。④未考虑到出口开关的组合。龙滩电站的机组除了发电机出口开关可以并网外，还可以通过500kV双母线上两个开关并网。现已通过外部开关辅助接点的组合再送调速器电柜T.SLG解决了此问题。

2.3 励磁系统

龙滩水电站发电机励磁系统采用的是整流式静止自并励励磁装置，励磁电源取自发电机机端励磁变压器，经三相全控整流桥整流后向发电机提供励磁电流。励磁系统由励磁变压器、三相全控桥式结线型可控硅整流装置、灭磁装置、转子过电压保护回路、变送器、保护与检测装置、起励装置、励磁调节器等组成。

特性:①在励磁变压器低压侧设置了RNT4-13 P型交流电动隔离刀闸并作为灭磁开关，可作为检修时隔离用。②发电机正常停机采用逆变灭磁，事故停机磁场断路器跳闸非线性电阻灭磁，龙滩水电站非线性电阻采用SiC，同时励磁系统在国内首次采用了优化软件系统，在机组正常运行期间励磁系统瞬间过电压保护动作时，可确保过电压保护动作后，瞬间切断脉冲、瞬间形成反压关断过压保护晶闸管，确保了机组的安全运行。

2.4 发电机断路器

为满足龙滩水电站无人值班(少人值守)要求，提高机组运行方式可靠性、发电机与变压器的安全性及机组同期操作的灵活性，通过专题论证后认为在龙滩地下厂房现有尺寸条件下设置发电机出口断路器是可行的。瑞士ABB公司生产的HEC8型SF6发电机断路器额定持续工作电流为2.7kA,额定开断电流为6.3kA，额定短时耐受电流(有效值，3s)为160 kA，满足龙滩水电站700MW水轮发电机额定电流2.4948kA要求，因此龙滩水电站在每台水轮发电机出口均装设了1台ABB产发电机断路器(GCB)，一期共设置了7台HEC8型SF6发电机断路器。

2.5 离相封闭母线

龙滩水电站离相封闭母线的额定电流为26000 A，鉴于国内厂家已具备生产700MW机组自冷式离相封闭母线的能力，因而龙滩水电站采用了结构相对简单、可靠性高、维护方便、价格便宜的自冷式离相封闭母线。

特性:①三相导体分别密封在独立的铝外壳内，在两端将三相外壳用铝板焊接起来，形成全连式离相封闭母线，三相外壳由于电磁感应产生环流，其电流值约等于导体电流但方向相反，这就使壳外磁场大部分消失，彻底解决了附近钢构发热并大大减轻了导体及外壳的电动力。②发电机接口采用通风屏蔽罩结构，同时在屏蔽罩外侧和离相封闭母线本体跨接铜编织线，成功的解决发电机接口周围钢构发热与散热的问题。③龙滩水电站封闭母线的成功运行，为以后国内大型的空气自冷水电封闭母线生产与改进提供了宝贵的经验。

2.6 主变压器

龙滩水电站7台主变压器均采用组合、三相、双圈、强迫油循环、水冷升压电力变压器。由于众多铁路桥梁不可能按多年通过一次重达数百吨荷载为标准进行设计，一般情况下铁道部门要求荷载运输重量不超过200t，龙滩水电站三相变压器采用充氮后单相运输，运输质量为154t，完全符合铁道部运输要求。变压器低压侧经油/空气套管与18kV离相封闭母线连接，高压侧通过油/SF6套管与500kV GIS相连。

变压器主要参数。

特性:①有效解决了大容量、高电压、高电流变压器局部过热问题。龙滩水电站主变压器容量为780MVA，高压侧电压为500kV，低压电流达25000 A以上，为控制低压大电流引线所产生的交变磁场在变压器金属结构件上产生局部过热，在设计、制造和后期处理方面，采取了一系列措施:主变压器低压通道所有钢质结构件均采用低磁钢，紧固件采用不锈钢材质；在通道内部加装了电磁屏蔽，有效的控制了漏磁，消除了局部过热现象；在主变压器低压通道翼板部位焊接厚12mm、宽200mm的低电阻率铜板，以旁路钢材质翼板的发热电流、降低功耗、改善散热效果等。②符合铁道部运输重量限制。变压器可单相运输，满足铁道部对荷载不大于200t要求。③适用于地下式厂房等空间、面积狭小的特定区域。三相特殊组合式变压器无需设置相间防火隔墙，布置比较宽敞；低压侧母线连接在变压器内部完成，可减少现场离相封闭母线安装，相应降低造价。该类型变压器适用于空间、面积要求较为严格的地下厂房等狭小特定区域。④与普通变压器相比，龙滩水电站主变压器每相一个单独油箱，低压侧三相共用一个低压通道，低压侧母线在低压通道内完成，三个单相变压器油路通过低压接线盒连通。变压器可在地下厂房现场进行组合，组合后油箱外仅有3个高压套管、3个低压套管、1个中性点套管，铁心接地套管和铁心夹件套管分相设置。⑤满足现场安装精度要求。高压出线与GIS相连，低压通过一个共用的低压通道与封闭母线连接，设计采用每个单相的GIS套管与变压器之间通过波纹管连接，这样三相组合的变压器在高度方向及长度方向上尺寸都可以进行调整，解决了现场安装的精度问题。⑥国内首次成功应用的意义。500kV/780MW三相组合式强迫油循环水冷变压器是迄今为止国内外首次投产容量最大、电压等级最高的三相组合变压器，该型变压器在龙滩水电站的成功应用，验证了国内企业在变压器领域的自主创新能力，同时对国内后续水电项目的变压器设计、制造及应用有一定的推广意义。

2.7 500kVSF6气体绝缘金属封闭开关设备

龙滩水电站地处峡谷，两岸山势峭峻，500kV配电装置采用敞开式电器，需要大量开挖土石方，并存在高边坡稳定问题。经技术经济比较，决定500 kV配电装置选用SF6全封闭组合电器(GIS)，其布置在地面，已综合考虑一、二期工程计20个间隔(5个完整串)的要求，主变压器高压侧采用SF6油气套管与SF6管线连接，SF6管线与500kV挤包绝缘电缆头连接，500kV挤包绝缘电缆经电缆竖井和电缆平洞与地面500kVGIS连接，500kV出线并联电抗器经SF6管线与500kVGIS连接。

500kVGIS主要参数:

特性:龙滩水电站一期工程550kVGIS设备共16个间隔(4/3接线共计4个完整串)，GIS灭弧室采用了国际上最流行的复合压气室结构，开断性能优越，GIS设备壳体采用异形密封槽，密封圈装入后形成三条有效密封线，使年漏气率控制在0.5%以下。

2.8 500kVXLPE绝缘电缆

龙滩水电站500kV主变压器到GIS落差大、距离长，采用500kV交联聚乙烯绝缘电缆(XLPE)连接，电缆每回长度400～600m，总长约9800单相米，布置在主变洞内电缆层、电缆竖井、电缆平洞和500kVGIS室电缆层，电缆两端均分别与地下、地面500kVGIS管线连接，电缆垂直落差约100m。

特性:①高压电缆采用全干式终端头，该类型终端具有更高的介电强度、没有火灾危险、没有爆炸危险、不需任何维护，而且安装方式可采用水平、垂直或倒装。②龙滩水电站6～7号机组采用的是国产的500kV电压等级高压电缆，随着6号机组在2008年12月初的正式投产，第一回国产的500kV等级高压电缆也在龙滩水电站相应正式带电投运，这为其它水电站及输变电线路的设计和建设提供了宝贵经验和可靠的技术保证，具有重大使用价值，标志着国产500kV电缆制造技术实现了重大突破，是中国电力史上的一个重要里程碑，实现了依托大型工程，引进、消化、吸收国外先进技术，推动我国重大技术装备技术创新和国产化的国家战略目标。

2.9 计算机监控系统

龙滩水电站采用全计算机监控系统，即电站集中控制及各现地控制单元均采用计算机控制，洞内无人值班、少人值守，洞外少人值班，集中控制。系统选用开放式、全分布的系统结构，系统配置和设备选型适应计算机发展迅速的特性，具有先进性和向后兼容性。软件采用模块化、结构化设计，保证系统的可扩性，满足功能增加及规模扩充的需要。各LCU能脱离主控级独立运行，系统具有冗余容错设计。特性:在龙滩计算机监控系统设计、调试和投远过程中应用了有别于普通水电厂机组的关键技术。①开出重漏选技术。每套LCU内均配置了DOP-1型开出保护技术的专利产品。采用该技术后，在任意时刻，所有参加开出保护的开出点只可以有一点动作,不参加保护的输出点可以有多点同时动作。当参加保护的开出点未经允许有2点或2点以上同时动作时,重漏选保护动作,参加开出保护的所有继电器均不能动作，从而起到了开出保护作用。在经过DOP-1型输出保护的硬闭锁和PLC控制程序中的控制使能软闭锁的双重保护闭锁下，一切非正常的输出都无法启动监控系统的控制输出中间继电器，使龙滩电厂现地控制单元的可靠性得到了真正的提高。②PLC与上位机通讯连接技术。监控系统采用Client/Server模式和媒体流相结合的方式，协同事件驱动机制，具体采用的技术有:数据分组技术、媒体流处理技术、事件驱动技术、通信请求批量处理技术。③独立的测温LCU配置。④采用了数据采集和处理中的可靠性措施。

2.10 发电机变压器保护

龙滩水电站发电机变压器保护遵循国调《防止电力生产安全事故的25条实施细则》与GB14285-2006《继电保护和安全自动装置技术规程》等相关电力行业标准，采用了继电保护双重化配置，即双套主保护、双套后备保护、双套异常运行保护，单套保护采用主备一体化装置，具有设计简洁、二次回路清晰、安全可靠、便于运行和维护等优点。特性:龙滩水电站发变组保护系统技术先进，具有部分技术上突破与创新点。①注入式定子/转子接地保护技术。龙滩水电站发变组保护系统基于RCS-985系列保护高性能硬件平台，实现了不受机组运行工况影响的高性能发电机注入式定子和转子接地保护。RCS-985新型注入式定子接地保护，由RCS-985U辅助电源装置从发电机中性点接地变压器负载电阻上注入低频电压信号注入到发电机定子绕组对地的零序回路中，RCS-985检测注入的零序电压、电流信号，经过滤波和测量环节的补偿，通过导纳方法计算出接地故障的过渡电阻，从而实现发电机100%定子接地保护。RCS-985新型注入式定子接地保护首次采用了安全电流限制技术、精确回路补偿技术以及辅助电源一体化设计等采用多项关键技术，实现了高灵敏的100%定子接地保护。该保护在龙滩水电站的成功运用，打破了国外保护在这一领域的技术垄断，为国产大型水电机组的安全稳定运行提供了可靠保障。②注入式转子接地保护技术。RCS-985新型注入式转子接地保护，根据现场发电机转子绕组引出方式，在转子绕组的正负两端或其中一端与大轴之间注入低频方波电压，注入电压的频率可根据转子绕组对地电容的大小进行自适应调整，通过测量泄漏电流和方波电压的大小，实时求解转子对地绝缘电阻。RCS-985新型注入式转子接地保护首次采用了自适应有源切换技术、注入式原理接地故障定位技术等采用多项关键技术，克服了进口保护受RC轴电压专用吸收回路影响可能引起误动的缺陷，实现了高灵敏的100%转子接地保护。

3 总结

龙滩水电站机电设备经一年半的运行考验，已被证实是安全、可靠、稳定的。经过龙滩水电工程的洗礼，中国水电行业已经从三峡水电建设时期的“国外巨头承包，国内企业提供劳务”过渡到目前“以我为主，国外企业提供协作”的良性发展阶段，同时也给国内电力行业提供了一个自主创新、自我展示的技术平台，实现了国家发改委制定的依托大型工程，通过引进，消化、吸收国外先进技术，推动我国重大技术装备创新的战略目标,为700MW大容量机组设备全部国产化设计、制造、安装、发电运行积累了宝贵经验。