水电站柴油发电机组选型配置方案

水电站柴油发电机组选型配置方案
水力发电厂可分为并入国家电网的大型水力发电厂和不并入国家电网的偏僻地区的小型水力发电厂（小水电），前者按照规范要求：“除了工作电源间互为备用和系统倒送电外，大、中型水电厂还应设置厂用电备用电源”，一般已经设置了保安柴油发电机组在内的厂用电备用电源，而后者由于独立组网以及成本限制，以前都很少配置保安柴油发电机组，较为常用的做法是从保留的施工变压器或地区电网引接保安电源，考虑到地区电网十分不稳定，容量也有限制，近年来有些地区小水电厂已经开始取消从地区电网引接备用，而开始配套保安柴油发电机组作备用电源。
一、水力发电厂保安电源柴油发电机组的特点和黑启动要求
水电厂设置厂用电保安电源主要是确保大坝安全度汛和水淹厂房等事故发生时人身及设备的安全。厂用电保安电源通常选用柴油发电机组，但由于配套附属设备相对较多，维护工作量相对较大，所以有的水电厂开始专设水轮发电机组代替柴油发电机组等保安电源，例如惠州抽水蓄能电厂就在下库装设2台1000kw水轮发电机组作为保安电源。
水轮发电机组与火电、核电发电机组相比，具有辅助设备简单、厂用电少，启动速度快等优点，因此电网调度部门通常指定水电厂作为黑启动电源，水电厂黑启动电源的设置应符合下列规定：
1）当电力系统调度部门确定水电厂应具备电力系统黑启动功能时，该水电厂应设置黑启动电源。
2）黑启动电源通常选用能远方控制快速启动的柴油发电机组，也可专设水轮发电机组。
3）黑启动电源容量需满足启动一台发电机组必需的负载，包括发电机组供水泵、主变压器冷却装置、发电机组调速系统油压装置的主油泵、发电机高压油顶起油泵、发电机组轴承润滑油冷却系统、发电机断路器操作电源等开机所需负载。发电机组黑启动时所需考虑的负载可按规程附录规定选取。
当水电厂需要厂用电保安电源和黑启动电源时，则宜兼用。此时电源的容量应按保安负载与黑启动负载二者的最大值选取，但不考虑黑启动的负载与保安负载同时出现。当大型电厂枢纽布置比较分散、供电范围广且距离较远时，可将供大坝安全度汛或重要泄洪设施的保安电源（柴油发电机组）单独布置在坝区附近。
二、水力发电厂保安柴油发电机组的选择
1、水力发电厂保安柴油发电机组型式选择
按照使用条件分类，柴油发电机组可分为陆用、船用、挂车式和汽车式。其中在《往复式内燃机驱动的交流发电机组第1部分用途、定额和性能》gb/t 2820.1-2009的第6.2条中规定“陆用是指用于陆地上的固定式、可运输式或移动式发电机组”。目前，国内大多数水电厂柴油发电机组采用固定式机房安装形式。
柴油发电机组性能等级按照《gb/t 2820.1-2009往复式内燃机驱动的交流发电机组第1部分用途、定额和性能》的规定和水电厂保安负载以及黑启动负载的实际需求，选用适用负载范围为照明系统、泵、风机和卷扬机等的g2级性能等级，该等级柴油发电机组性能特点：发电机组的电压特性与公用电力系统非常相似，当负载变化时，可有暂时允许的电压和频率的偏差。
目前，国产柴油发电机组从启动到安全供电为止的启动时间可以小于15s，有的制造厂产品启动时间可在4s～7s，保证值为15s。柴油发电机组作为水电厂的保安或黑启动、备用电源的重要设备，要求在应急情况下能够可靠启动并投入正常运行，所以柴油发电机组应采用快速启动应急型，要求发电机组应保持随时准备启动的热备用状态。当柴油发电机组连续3次自启动失败，意味着启动回路或发电机组本身有故障，再次启动也无用，因此按3次考虑。根据需要一般可规定总时间不大于30s。若连续3次自启动失败，应能发出报警信号，并闭锁自启动回路。
近年来发电机组控制功能已比较完善，可以做到发电机组无人值守。智能型发电机组能自启动、自动调压、自动调频、自动调载、自动并车、功率管理（按负载大小自动增减发电机组）、故障自动处理、辅机自动控制等。根据gb/t 4712-2008《自动化柴油发电机组分级要求》，其自动化程度分为三级，可依具体水电厂选定。柴油发电机组除配置上述的快速自启动装置外，还需要配置手动启动装置，以便在安装调试及例行试验时使用。
根据gb/t 2820.1-2009《往复式内燃机驱动的交流发电机组第1部分用途、定额和性能》的规定，选型时还需要对柴油机的型式、冷却方式、启动电源等提出要求。柴油发电机组按转速分高、中、低三类。高转速不低于1000r/min，低转速不高于500r/min，除此之外为中转速。高速及废气涡轮增压型柴油发电机组具有体积小、质量小、功率大（输出功率与体积或排量的比率大）、效率高和启动运行可靠等优点，因此推荐采用，但考虑到增压型柴油机的气缸平均有效压力较高的特点，允许首次加载的负载大小比传统的非增压型柴油机要低一些，需要按照允许加负载的程序分批投入负载。
柴油机一般可采用压缩空气启动和电启动两种启动方式。由于压缩空气启动需要气动装置，占用空间较大，不易布置，运行维护比电启动复杂，因此推荐采用电启动方式。柴油发电机组电启动蓄电池组的电压为12v或24v。由于发电机组不经常工作，应设置整流充电设备，其输出电压可根据蓄电池组浮充或均充电压大小设置，输出电流不小于蓄电池10h放电率电流。蓄电池容量必须满足柴油机连续启动不少于6次的要求。冷却方式宜采用封闭式循环水冷却。
由于目前国内柴油发电机组供货市场上采用10kv或6.3kv柴油发电机组比同容量400v的发电机组价格性价比差，柴油发电机组额定电压宜采用0.4kv，接线应采用星形联结，中性点应能引出，其接地方式应满足下列要求：
1）当厂用电系统中仅装设一台柴油发电机组时，发电机中性点应直接接地（降低了系统的内部过电压倍数，当某相接地时，相间电压为中性点所固定，基本不会升高。同时动力和照明可以由同一发电机母线供电），发电机的接地形式宜与低压厂用电系统的接地形式相一致。
2）当两台及以上柴油发电机组并列运行时，发电机组的中性点应经接地刀开关（隔离开关）接地，以便防止发电机中性导体产生三次谐波导致发电机发热；当两台发电机组的中性导体存在环流时，应只将其中一台运行并合闸带载中的发电机的中性点接地，其余所有发电机组的接地刀开关均需要断开，当带载运行中的发电机组发生故障停机、人为换机或者因为优先运行原因需要换机时，接地刀开关需要同时进行切换，保证系统中有且只有一台带载运行中的发电机组的接地刀开关处于合闸状态。其接地刀开关可根据发电机允许的不对称负载电流和中性导体上可能出现的零序电流选择。
当厂用电系统中装设两台及以上柴油发电机组并列运行时，发电机中性点经隔离开关接地，当发电机的中性导体存在环流时，应只将其中一台发电机的中性点接地。
3）当厂用电系统中装设两台及以上柴油发电机组并列运行时，每台发电机组的中性点可分别经限流电抗器接地，以便保持中性母线电位偏移不大的条件下，有效地限制中性点引出导体中的谐波电流。其电抗器的额定电流可按发电机额定电流的25％选择，阻抗值大小按通过额定电流时其端电压小于10v选择。
当受到电站负载分布、电气接线和水电厂枢纽布置等条件限制时，宜采用10kv高压柴油发电机组。
无刷励磁交流同步发电机配置有自动电压调整装置时，其稳态电压调整率最优可达到±0.25％，一般要求为±0.5％～±1.0％，这类机型能适应各种运行要求，易于实现发电机组自动化和发电机组的遥控，因此发电机宜采用快速反应的无刷自动励磁装置；应装设过电流和单相接地保护。容量1000kw以上时应装设纵联差动保护等。柴油发电机组的日用油箱宜按8h耗油量配置。
2、水力发电厂柴油发电机组容量的选择
柴油发电机组容量应根据其用途，按以下方法进行选择：
1）如作为厂用电保安电源，其容量需大于最大保安负载。
2）如作为黑启动电源，其容量需大于启动一台发电机组所必需的用电负载。
3）如既作为厂用电保安电源，也兼作黑启动电源，其容量应按保安负载与黑启动负载二者的最大值选取。柴油发电机组负载计算应考虑水电厂负载的投运规律。对于在时间上能错开运行的负载不应全部计入，可以分阶段统计同时运行的负载，取其大者作为计算负载。
4）如作为备用电源，其容量应满足备用电源容量要求。
柴油发电机组容量除应按上述要求进行容量计算并选型外，还应按下列条件进行校验：确定柴油发电机组容量时，除考虑用电总负载外，应着重考虑启动电动机容量。单台电动机最大启动容量与确定发电机组容量有直接关系。发电机组启动电动机容量应考虑发电机的技术性能、柴油机的调速性能、负载电动机的磁极对数、启动时发电机所带负载大小、功率因数的高低、发电机的励磁和调节方式及负载对电压指标的要求等。为此，设计中确定发电机组容量时，应具体分析计算。
由于电动机的启动转矩与电源电压的平方成正比，为了保证电动机有足够的启动转矩，采用降压启动方式时，启动时电源电压下降不能太低，否则电动机的启动转矩不足以带动电动机带载量。考虑其他负载的正常运行的电压要求，保证开关设备的接触器可靠地工作，希望电动机的启动电源电压下降尽可能低一些，这样与启动电压成正比的启动电流也会相应降低，降低了的启动容量对其余负载的冲击会降至最低，启动瞬间最低电压值就不会过低，这样的话，就存在一个电动机希望的高启动电

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