浅析一起中小水电站首部大坝应急柴油发电机及其辅助设备的配置方案

张飞

摘 要：中小水电站很多由民营企业投资建设，在工程建设初期均为配置大坝应急柴油发电机，这对大坝汛期安全度汛带来了安全隐患，也不符合相关安全管理要求。为此，本文从机房位置选择、柴发容量的计算及校验等方面，把我本人为我公司所属的云南文山州黄家坪电站大坝应急柴油发电机的配置方案分享与大家，以对有类似水电站尚未配置应急柴油发电机的予以参考和指导。

关键词：大坝；柴发；启动方式；负荷计算；容量选择；电压校验；配套设备

中图分类号：TV7 文献标识码：A 文章编号：1671-2064（2017）05-0152-01

1 引言

目前很多中小水电站的开发为民营投资建设，对电站首部大坝的闸门电源供电可靠性未得到足够的重视，很多均未配置大坝应急电源，这对大坝及电站的安全运行带来一定隐患，现以我公司下属的云南文山州黄家坪电站首部大坝应急电源配置方案为例，以帮助尚未配置大坝应急电源的予以参考。

2 项目概况

我公司下属的文山州黄家坪电站是从民营企业手中收购的，电站装机2×10MW混流式机组，水库库容801万，兴利库容302万，大坝设有1道表孔闸和3道底孔闸，表孔闸和底孔闸均为固定式双吊点平面闸门，启闭方式为固定卷扬式，电源由电站站用电直供（无备用电源）。2009年6月投产至今，大坝尚未配置应急柴油发电机，我公司收购后为确保电站大坝在汛期安全度汛，从应急柴油发机的机房位置选择、容量计算和配套设备选择等方面进行了设计。

3 房位置选择

机房位置选择应尽可能离配电室最近，以便于接线、操作和管理，减少材料、电压和电能的损耗。机房应通风良好、便于散热和排烟，应方便机组的吊装、搬运和检修，应避开潮湿环境。根据以上要求，提出如下方案：

方案1：设置在启闭机房的配电屏附近，投资最省，接线最短，但现场已无安装位置，且柴发运行时的震动会对启闭机房带来一定安全影响。

方案2：設置在大坝闲置房内，该房面积约15平方米，紧邻值班室，该方案投资较少，但占用大坝检修期间人员办公和住宿地点。

方案3：在大坝值班室扩建端新修一间柴发配电房，并将双头切换刀闸安装于此，该方案距离配电变压器最近，但投资相对较大。

综上所述，在征求电站意见后，最终采用了方案2。

4 机组容量选择

（1）负荷统计。根据汛期泄洪操作步骤：先开启大坝表孔闸门，此时如无法满足泄洪要求，再根据洪水情况逐一开启底孔闸门。因此，在汛期可能出现最大负荷为：开启表孔闸、应急照明（预估1kW）和柴发室轴流风机（预估1kW），即：2×18.5kW+2kW=39kW。

（2）柴发容量计算。根据《火电厂厂用电设计技术规定》和《民用建筑电气设计规范》进行柴油发电机组容量选择：

①按汛期出现最大负荷需要进行计算，保证系数K取1.1，η为柴油发电机效率，一般取0.9。

侧：P=KP/η=1.1×39/0.9≈47.7kW

②根据实际启动表孔闸观察到的电流计算。由于电站大坝各闸门电机均为绕线式电机，其启动方式为转子回路串电阻器启动，因此启动电流较小，现场观察到实际启动表孔闸门时的启动电流约95A，而绕线式电机功率因素一般约0.7左右。

侧：P=UIcosθ=1.732×0.38×95×0.7=43.8kW

③按照《民用建筑电气设计规范》6.1.2条，配置柴发容量可按电源变压器容量的10%～20%进行估算，电站大坝配置的变压器容量为315kVA，取20%即为：63kVA，约50kW。

综上所计算，结合柴发市场实际规格等级，拟配置50kW（即：视在功率62.5kVA，功率因0.8）柴发即可满足要求。

5 过负荷能力和电压等校验

（1）根据《火电厂厂用电设计技术规定》，柴发带负荷启动一台最大容量的电动机短时过负荷能力要求进行校验。

由：≥〔n+（1.25-K）〕/1.5

：计算负荷，K=0.8×38=30.4

：最大电机额定功率

：最大电机启动电流倍数（绕线式电机一般为2～3倍），

则：≥〔30.4+（1.25×2-0.8）×37〕/1.5=62.2kV而拟配置的柴油发电机容量为62.5kVA，故62.5≥62.2。

因此，拟配置的50kW（62.5kVA）柴油发电机可满足启动最大电机时的过载能力要求。

（2）根据《火电厂厂用电设计技术规定》，按最大电机启动时对母线电压水平校验。

由公式：=/（+1.25）

：为拟选定柴发容量

：最大电机启动电流倍数（绕线式电机一般为2～3倍）

：最大电机额定功率

：柴发机暂态电抗，一般为0.2～0.25。

则：=/（+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，根据《火电厂厂用电设计技术规定》启动最大一台电机时母线电压以不低于额定电压的75%为宜，由此可见校验可满足要求。

（3）母线电压达到75%时启动最大电机时，对现场配置的空开是否过流跳闸进行校验。

由上一步进行的母线电压校验知，最低电压将达到73%～77%之间，因此，选择电压达到75%（285V）进行反算电机启动瞬间现场PLC配置的空开是否过流跳闸进行校验。

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

此时计算电流107A大于现场PLC配置的空开额定电流（100A），但该空开设有两种过流保护：一是带长延时反时限过流脱的反时限过流保护（对于22kW以下电机带重载启动时间约0～15秒），二是瞬时过电流脱扣器瞬时过流保护（对绕线式电机按启动电流的1.7倍整定）。因此，现场PLC柜配置额定电流100A的空开可满足启动瞬间电压达到75%时不跳闸的要求。

因此，通过以上的计算和校验，电站大坝应急柴油发电机拟配置容量为50kW柴油发电机，可满足要求。虽然拟选择的50kW柴发，考虑了1.1保证系数，并通过校验亦可满足要求，但为了更可靠、更安全，并考虑到多年运行后和国内柴油发电机组的效率等因素，最终考虑选择大一等级的柴油发电机，即：选择60kW级的柴油发电机，而且价格相差不大。

6 配套设备的选择

（1）柴发机房面积。根据最终选择的60kW柴油发电机规格为1800×750×1200，以及設计规范要求，柴发的维护通道需大于1m，操作通道需大于2.5m。因此，柴油发电房面积需约12平方米（长4.5米、宽2.5米、高3米）。

（2）柴油机房通风设备。为确保柴油发电机运行中充分散热和可靠运行，根据拟选择的60kW柴发排气量约4L，以及柴发配电室面积约12平方米。因此，柴油机房拟对称开启两扇窗户进行自然通风散热或者设一台边墙式DWXE-300D4型的轴流风机进行换气。

（3）户内双头切换刀开关。根据表孔闸门启动时观察的电流约95A左右，以及现场PLC控制柜配置的空气断路器额定电流为100A，以及以上计算最大电机启动瞬间电压降低到75%时启动电流达107A，再加上应急照明和柴发室轴流风机负荷。考虑短路时短路电流，并结合通用刀开关规格型号，拟选择带防护罩的三相四线防误HS11-200/160/4F型双头切换刀开关。

（4）电缆选择。仍选择原大坝变至启闭机房配电柜同规格电缆，即：（YJVV22---3×70+1×35）。长度为30米，一是首部枢纽水泥双杆变至应急电源柴发机房双头切换刀闸约需20米，二是应急电源柴发出口至双头切换刀闸约需10米。

（5）热镀锌接地扁铁。预计70米，本次应急电源柴发用20米；完善首部枢纽其它设备接地，预计50米。

（6）槽钢。根据拟60kW的柴油发电机组，其重量约1顿，因此拟选择10型的槽钢，约需6米，用于柴发基础。如选择成套柴油发电机组，大部分厂家出厂时已经配置了基础和缓冲垫，只需提供平整地面即可。

（7）茶油发电机组出口断路器及保护配置。由于多数柴油发电机组均为成套设备，其出口均已配置出口断路器和相应保护。

7 方案实施情况

该方案于2016年11月实施完毕，经启动试运行和带负荷试运行，完全满足要求，带表孔闸启动瞬间电压最低达额定电压的82%。