(嘉陵江亭子口水利水電開發(fā)有限公司，四川 蒼溪，628400)

亭子口水利樞紐位于四川省廣元市蒼溪縣境內(nèi)，下距蒼溪縣城約15km，是嘉陵江干流開發(fā)中唯一的控制性工程。本工程以防洪、城鄉(xiāng)供水及灌溉、發(fā)電為主，兼顧航運，并具有攔沙減淤等其它綜合功能，工程等級為Ⅰ等，工程規(guī)模為大(1)型，通航建筑物為2×500t級，廠房內(nèi)裝設(shè)4臺單機容量為275MW的水輪發(fā)電機組。亭子口水利樞紐電站是四川電網(wǎng)理想的調(diào)峰電源之一，可以改善四川電網(wǎng)水電站的調(diào)節(jié)性能。本文主要介紹其主要機電設(shè)備及其配置。

1 電氣主接線

亭子口水利樞紐電站在四川省電網(wǎng)500kV上的地位十分重要，承擔著電網(wǎng)調(diào)峰、調(diào)頻的任務(wù)，機組開停機較為頻繁。因此，其發(fā)電機變壓器間采用運行靈活、布置簡單、安全可靠的斷路器單元接線方式，機組啟停時僅發(fā)電機斷路器工作，不用操作高壓側(cè)斷路器，運行靈活，操作簡單；同時選用法國阿爾斯通(ALSTOM)公司生產(chǎn)的FKG1F三相金屬封閉式組合結(jié)構(gòu)的SF6發(fā)電機斷路器，具有成熟掛網(wǎng)運行經(jīng)驗，可以滿足亭子口水利樞紐電站的要求。電氣主接線為角形接線。亭子口水利樞紐電站以500kV一級電壓接入電力系統(tǒng)，第一期出線一回接入500kV巴中變電站，二期一回接入廣元變電所500kV出線，經(jīng)綜合技術(shù)經(jīng)濟比較分析，高壓500kV側(cè)接線采用角形接線。

經(jīng)過比較分析，最終確定亭子口水利樞紐電站電氣主接線為：發(fā)電機變壓器采用單元接線，設(shè)置發(fā)電機出口斷路器，500kV側(cè)接線選用角形接線。

2 主要機電設(shè)備與配置

2.1 水輪發(fā)電機及其附屬設(shè)備

簽于亭子口水庫汛期出庫水體含沙量較高，對轉(zhuǎn)輪的主要過流部件提出了抗磨蝕的要求，通過對水輪機額定水頭等參數(shù)進行技術(shù)經(jīng)濟方案的比選，并對個別參數(shù)進行優(yōu)化調(diào)整，發(fā)電機采用全空冷立軸半傘式結(jié)構(gòu)。經(jīng)過比較和分析，水輪機決定選用上海福伊特西門子水電設(shè)備有限公司(VOITH)提供的轉(zhuǎn)輪，發(fā)電機選用東芝水電設(shè)備(杭州)有限公司提供的SF275-60/14700全空冷立軸半傘式水輪發(fā)電機，調(diào)速系統(tǒng)由長江三峽能事達電氣股份有限公司提供的可編程微機調(diào)速器。

水輪機轉(zhuǎn)輪的主要參數(shù)如下：

型號：HLVS220-LJ-670

額定出力(Pr)：280.6MW

凈水頭(Hr)：73m

額定流量(Qr)：424.6m3/s

額定轉(zhuǎn)速(n)：100rpm

最大水頭(Hmax)：85.4m

飛逸轉(zhuǎn)速(nf)：175rpm

最大出力(Pmax)：280.6MW

水輪機安裝高程：366.6m

水輪發(fā)電機的主要參數(shù)：

型號：SF275-60/14700

額定容量：305.6MVA

額定電壓：15.75kV

額定功率因數(shù)cosΦ(滯后)：0.9

額定轉(zhuǎn)速：100r/min

縱軸瞬變電抗Xd’：≤0.32(不飽和值)

縱軸超瞬變電抗Xd“：≥0.2(飽和值)

短路比(SCR)：≥1.05

飛輪力矩(GD2)：≥85000t·m2

定子繞組絕緣等級：F級

勵磁繞組絕緣等級：F級

額定效率：98.66%

特性：①亭子口水利樞紐電站水輪發(fā)電機組為設(shè)上導、下導、水導三導軸承的全空冷立軸半傘式結(jié)構(gòu)，下導和推力軸承共用1個油箱，推力軸承和下導布置在下機架上，水輪機和發(fā)電機采用兩根軸，機組旋轉(zhuǎn)方向為俯視順時針；②轉(zhuǎn)輪為組焊結(jié)構(gòu)，葉片采用VOD精煉方法冶煉和整體鑄造，五軸數(shù)控機床加工，下環(huán)、上冠整體鑄造，轉(zhuǎn)動止漏環(huán)整體加工，然后組焊成整體轉(zhuǎn)輪。轉(zhuǎn)輪泄水錐焊接在轉(zhuǎn)輪上，作為引導水流的延伸部分，以防止泄水錐脫落。轉(zhuǎn)輪葉片、上冠、下環(huán)和泄水錐均采用不銹鋼材料制造；③定子機座由軋制鋼板焊接而成，并根據(jù)運輸?shù)南拗茥l件分成最少的瓣數(shù)，在工地進行組圓焊接。定子機座應(yīng)能適應(yīng)發(fā)電機運行期間產(chǎn)生的熱膨脹和收縮變形，定子機座下環(huán)板與定子鐵芯的結(jié)合形式采用大齒壓板結(jié)構(gòu)，定子鐵芯由高導磁率、低損耗、無時效、優(yōu)質(zhì)冷軋薄硅鋼片疊成，鐵芯壓緊方式采用穿芯螺桿拉伸方式壓緊，定子鐵芯用足夠數(shù)量的鴿尾形定位筋固定于定子機座上。定子繞組由單根線棒組成，各支路并聯(lián)，“Y”形連接。線棒之間的連接方式，采用端部接頭少的波繞方式，線棒對地的絕緣采用真空液壓成型，定子線棒對地絕緣的外側(cè)用半導體復合物作防暈處理；④轉(zhuǎn)子采用無軸結(jié)構(gòu)，由轉(zhuǎn)子支架、磁軛、磁極等部件構(gòu)成。轉(zhuǎn)子支架(包括轉(zhuǎn)子中心體)為圓盤式結(jié)構(gòu)，磁軛是由經(jīng)鈍化處理的高強度熱軋薄鋼板疊片組裝成的堅實結(jié)構(gòu)，裝配好的轉(zhuǎn)子磁軛采用高強度穿心拉緊螺桿壓緊，以形成一個整體，磁軛與轉(zhuǎn)子支架采用徑切向復合鍵連接結(jié)構(gòu)。

2.2 調(diào)速器

機組發(fā)電質(zhì)量考核主要有頻率與電壓兩個重要指標。其中，頻率指標由調(diào)速系統(tǒng)的性能決定，電壓質(zhì)量指標由勵磁系統(tǒng)的性能決定。電站調(diào)速系統(tǒng)由長江三峽能事達電氣股份有限公司提供，為雙冗余微機數(shù)字控制器+伺服比例閥+伺服電機+純機械液壓手動電液隨動系統(tǒng)可編程微機調(diào)速器，型號為MGC4004PP-D150/63。主要由機械液壓系統(tǒng)與微機調(diào)節(jié)器組成，用于水輪發(fā)電機組的自動調(diào)節(jié)和自動控制，其主要作用是實現(xiàn)水輪機轉(zhuǎn)速的單機調(diào)節(jié)和控制，實現(xiàn)機組按規(guī)定操作程序進行正常的自動啟動和自動停機、空載、單機或并網(wǎng)帶負荷穩(wěn)定運行。調(diào)速器滿足表1調(diào)節(jié)保證計算。

表1 調(diào)節(jié)保證計算結(jié)果

項 目數(shù)值工 況蝸殼末端最大壓力值(m)120最大水頭甩額定負荷最大轉(zhuǎn)速上升率(%)52額定水頭甩額定負荷尾水管最大真空值(m)7 0最大水頭甩額定負荷

2.3 勵磁系統(tǒng)

亭子口水利樞紐電站發(fā)電機勵磁系統(tǒng)采用EXC9000型全數(shù)字式靜態(tài)勵磁系統(tǒng)，勵磁電源取自發(fā)電機機端勵磁變壓器，經(jīng)三相全控整流橋整流后向發(fā)電機提供勵磁電流。整個勵磁系統(tǒng)主要由勵磁調(diào)節(jié)器、電源系統(tǒng)、可控硅整流器單元(三個功率柜)、勵磁變壓器、起勵單元、滅磁及過壓保護單元和對外接口等組成。

特性：①在勵磁變壓器低壓側(cè)設(shè)置QS71型交流電動隔離刀閘并作為滅磁開關(guān)，可作為檢修時隔離用；②發(fā)電機正常停機采用逆變滅磁，事故停機時用滅磁開關(guān)加高能容性非線性電阻滅磁；電站非線性電阻采用SiC，同時勵磁系統(tǒng)通過軟件的優(yōu)化，在機組正常運行期間勵磁系統(tǒng)瞬間過電壓保護動作時，可確保過電壓保護動作后，瞬間切斷脈沖、瞬間形成反壓關(guān)斷過壓保護晶閘管，確保機組的安全運行。

2.4 發(fā)電機斷路器

經(jīng)過技術(shù)和經(jīng)濟比較，法國阿爾斯通(ALSTOM)公司生產(chǎn)的FKG1F三相金屬封閉式發(fā)電機出口斷路器(GCB)，斷路器操動機構(gòu)為全彈簧操動機構(gòu)，三相機械聯(lián)動。其性能參數(shù)為：額定電流為13.5kA，額定開斷電流為80kA，額定短時耐受電流(有效值，3s)為102kA，完全滿足亭子口水利樞紐電站水輪發(fā)電機的各項參數(shù)要求，且其有相當成熟的市場。因此，亭子口水利樞紐電站在每臺水輪發(fā)電機出口，均安裝1臺由ALSTOM公司生產(chǎn)的FKG1F型SF6發(fā)電機斷路器。

2.5 離相封閉母線

根據(jù)《水力發(fā)電廠機電設(shè)計技術(shù)規(guī)程》規(guī)定，200MW及以上發(fā)電機組應(yīng)選用大電流離相封閉母線。亭子口水利樞紐電站發(fā)電機單機容量275MW，功率因數(shù)0.9，額定電壓15.75kV，額定電流為11203A，機端短路電流為131.61kA。由于全連式離相封閉母線具有安全可靠、外殼屏蔽效果好、母線載流量大、占據(jù)空間小、便于安裝維護等優(yōu)點，因此電站發(fā)電機至主變壓器間的連接以及三相主母線連接的分支回路，均采用結(jié)構(gòu)相對簡單、可靠性高、維護方便、價格便宜的全連式自冷離相封閉母線。

特性：①離相封閉母線外殼通過采用外殼起筋，母線密封水平可達IP65，絕緣水平非常好；②主回路和分支回路IPB均為全連式離相封閉母線，同相外殼各段都有良好的電氣連接，并裝設(shè)有短路板，構(gòu)成三相外殼間的閉合回路；③封閉母線導體均設(shè)置可拆卸的軟銅編織線進行聯(lián)接。母線導體與軟銅編織線用螺栓連接、連接部位鍍銀，鍍銀厚度大于12μm；④設(shè)備與封閉母線間相連接部分的所有外殼、導體連接的緊固件，其金屬部分均采用了非磁性材料。

2.6 主變壓器

主變壓器額定容量應(yīng)與所連接的水輪發(fā)電機額定容量相匹配，發(fā)電機單機容量為275MW、功率因數(shù)0.9，則500kV亭子口水利樞紐電站4臺主變壓器均采用組合、三相、雙圈、強迫油循環(huán)、水冷升壓變壓器。根據(jù)電站的地理位置和交通情況，主變壓器的選型需要考慮運輸條件，310MVA的三相雙圈變壓器運輸重量約為189t、運輸尺寸約為8.9m×3.3m×3.85m(長×寬×高)，完全滿足公路運輸限制200t的要求。變壓器低壓側(cè)經(jīng)油/空氣套管與IPB相連接，高壓側(cè)通過油/SF6套管與500kVGIS相連。

變壓器的主要參數(shù)如下：

型號：SSP-310000/500

型式：三相雙繞組強迫油循環(huán)、水冷、無勵磁調(diào)壓電力變壓器

鐵芯結(jié)構(gòu)型式：單相四柱式結(jié)構(gòu)

額定容量(60K)：310/310MVA

額定電壓：525±2×2.5%kV/15.75kV

高壓側(cè)最高運行電壓：550kV

連接組標號：YN，d11

短路阻抗(75℃)：14.59%

效率：99.79%

空載損耗：113.24kW

負載損耗：703.51kW

冷卻方式：ODWF

2.7 500kVSF6氣體絕緣金屬封閉開關(guān)設(shè)備

根據(jù)亭子口水力樞紐周圍地理條件位置，500kV配電裝置宜采用全封閉組合電器(GIS)、敞開式電器(AIS)。經(jīng)過技術(shù)和經(jīng)濟比較，決定500kV配電裝置選用SF6全封閉組合電器(GIS)，布置在上游副廠房的430.5m的高程上，主變高壓側(cè)采用SF6油氣套管與SF6管線連接。

500kVGIS主要參數(shù)如下：

型號：550SR

額定電壓：550kV

額定電流：4000A

額定短時耐受電流/時間：63kA/3s

額定峰值耐受電流：170kA

每個氣體隔室年漏氣率：<0.3%

斷路器合閘時間：≤100ms

斷路器額定開斷時間：≤40ms

斷路器額定短路電流開斷次數(shù)：

噪音水平：≤90dB

操作機構(gòu)型式：集成液壓操作機構(gòu)

2.8 計算機監(jiān)控系統(tǒng)

亭子口水利樞紐電站為保證計算機監(jiān)控系統(tǒng)具有較強的實時性、高可靠性、高可利用率等技術(shù)性能，并滿足系統(tǒng)開放性、可擴充性及運行靈活性等方面的要求，實現(xiàn)電站無人值班(少人值守)原則。主控級系統(tǒng)采用全分布式Oracle數(shù)據(jù)庫，系統(tǒng)應(yīng)用軟件選用面向?qū)ο蟮腘C2000計算機監(jiān)控系統(tǒng)軟件，包含了多層分布式對象架構(gòu)，具有功能強大的數(shù)據(jù)庫、報表、通信接口文件、Oncall系統(tǒng)軟件的組態(tài)工具，系統(tǒng)用戶管理工具，畫面編輯工具，順控流程編輯及調(diào)試工具，以及多種接口標準。系統(tǒng)工具軟件選用C語言及編譯軟件、VisualC/C++編程軟件、南瑞遠程診斷服務(wù)系統(tǒng)軟件、Oracle客戶端軟件、MySQL數(shù)據(jù)庫、MySQL管理工具、MySQL查詢工具、SJ30通訊管理裝置組態(tài)工具。電站生產(chǎn)信息查詢網(wǎng)與監(jiān)控系統(tǒng)之間通過橫向物理隔離裝置隔離，所有外部節(jié)點對監(jiān)控系統(tǒng)的訪問均被禁止。亭子口水利樞紐電站計算機監(jiān)控系統(tǒng)充分考慮和采用了先進的現(xiàn)代計算機監(jiān)控技術(shù)，實現(xiàn)了容錯和冗余功能，確保了水電站的安全性、可靠性和穩(wěn)定性。

2.9 發(fā)電機變壓器保護

亭子口水利樞紐電站發(fā)電機變壓器保護，遵循《防止電力生產(chǎn)安全事故的25條實施細則》與GB14285-2006《繼電保護和安全自動裝置技術(shù)規(guī)程》等相關(guān)電力行業(yè)標準，采用繼電保護雙重化配置，即雙套主保護、雙套后備保護的配置、非電量類保護完全獨立的原則，具有設(shè)計簡潔、二次回路清晰、安全可靠、便于運行和維護等優(yōu)點。保護均按雙套配置且并列運行，采用WFB-800A系列微機發(fā)變組保護裝置保護功能最大化原則，即各保護裝置包含了其對應(yīng)被保護對象相關(guān)的全部保護，軟件采用模塊化編程方式，可利用專用配置工具Prate-800A，根據(jù)不同的需求對保護功能模塊進行配置。A套采用了許繼電氣股份有限公司W(wǎng)FB-801A+WFB823+WFM801C保護裝置，B套采用了許繼電氣股份有限公司W(wǎng)FB-801A保護裝置。A、B柜除發(fā)電機定子接地保護、轉(zhuǎn)子接地保護配置有區(qū)別外，在A柜增設(shè)一套發(fā)電機轉(zhuǎn)子匝間短路監(jiān)測裝置，其它保護配置和功能完全相同。A柜定子、轉(zhuǎn)子接地保護采用注入式原理，B柜定子接地保護采用基波+三次諧波原理，轉(zhuǎn)子接地保護采用兵乓式原理。

3 結(jié)語

目前亭子口水利樞紐電站4臺機組已經(jīng)全部投產(chǎn)，機組運行穩(wěn)定、安全、可靠，機組設(shè)備各方面性能參數(shù)滿足設(shè)計要求，證明了主設(shè)備選型的正確性。