水電站柴油發(fā)電機組選型配置方案
水力發(fā)電廠可分為并入國家電網的大型水力發(fā)電廠和不并入國家電網的偏僻地區(qū)的小型水力發(fā)電廠（小水電），前者按照規(guī)范要求：“除了工作電源間互為備用和系統(tǒng)倒送電外，大、中型水電廠還應設置廠用電備用電源”，一般已經設置了保安柴油發(fā)電機組在內的廠用電備用電源，而后者由于獨立組網以及成本限制，以前都很少配置保安柴油發(fā)電機組，較為常用的做法是從保留的施工變壓器或地區(qū)電網引接保安電源，考慮到地區(qū)電網十分不穩(wěn)定，容量也有限制，近年來有些地區(qū)小水電廠已經開始取消從地區(qū)電網引接備用，而開始配套保安柴油發(fā)電機組作備用電源。
一、水力發(fā)電廠保安電源柴油發(fā)電機組的特點和黑啟動要求
水電廠設置廠用電保安電源主要是確保大壩安全度汛和水淹廠房等事故發(fā)生時人身及設備的安全。廠用電保安電源通常選用柴油發(fā)電機組，但由于配套附屬設備相對較多，維護工作量相對較大，所以有的水電廠開始專設水輪發(fā)電機組代替柴油發(fā)電機組等保安電源，例如惠州抽水蓄能電廠就在下庫裝設2臺1000kw水輪發(fā)電機組作為保安電源。
水輪發(fā)電機組與火電、核電發(fā)電機組相比，具有輔助設備簡單、廠用電少，啟動速度快等優(yōu)點，因此電網調度部門通常指定水電廠作為黑啟動電源，水電廠黑啟動電源的設置應符合下列規(guī)定：
1）當電力系統(tǒng)調度部門確定水電廠應具備電力系統(tǒng)黑啟動功能時，該水電廠應設置黑啟動電源。
2）黑啟動電源通常選用能遠方控制快速啟動的柴油發(fā)電機組，也可專設水輪發(fā)電機組。
3）黑啟動電源容量需滿足啟動一臺發(fā)電機組必需的負載，包括發(fā)電機組供水泵、主變壓器冷卻裝置、發(fā)電機組調速系統(tǒng)油壓裝置的主油泵、發(fā)電機高壓油頂起油泵、發(fā)電機組軸承潤滑油冷卻系統(tǒng)、發(fā)電機斷路器操作電源等開機所需負載。發(fā)電機組黑啟動時所需考慮的負載可按規(guī)程附錄規(guī)定選取。
當水電廠需要廠用電保安電源和黑啟動電源時，則宜兼用。此時電源的容量應按保安負載與黑啟動負載二者的最大值選取，但不考慮黑啟動的負載與保安負載同時出現。當大型電廠樞紐布置比較分散、供電范圍廣且距離較遠時，可將供大壩安全度汛或重要泄洪設施的保安電源（柴油發(fā)電機組）單獨布置在壩區(qū)附近。
二、水力發(fā)電廠保安柴油發(fā)電機組的選擇
1、水力發(fā)電廠保安柴油發(fā)電機組型式選擇
按照使用條件分類，柴油發(fā)電機組可分為陸用、船用、掛車式和汽車式。其中在《往復式內燃機驅動的交流發(fā)電機組第1部分用途、定額和性能》gb/t 2820.1-2009的第6.2條中規(guī)定“陸用是指用于陸地上的固定式、可運輸式或移動式發(fā)電機組”。目前，國內大多數水電廠柴油發(fā)電機組采用固定式機房安裝形式。
柴油發(fā)電機組性能等級按照《gb/t 2820.1-2009往復式內燃機驅動的交流發(fā)電機組第1部分用途、定額和性能》的規(guī)定和水電廠保安負載以及黑啟動負載的實際需求，選用適用負載范圍為照明系統(tǒng)、泵、風機和卷揚機等的g2級性能等級，該等級柴油發(fā)電機組性能特點：發(fā)電機組的電壓特性與公用電力系統(tǒng)非常相似，當負載變化時，可有暫時允許的電壓和頻率的偏差。
目前，國產柴油發(fā)電機組從啟動到安全供電為止的啟動時間可以小于15s，有的制造廠產品啟動時間可在4s～7s，保證值為15s。柴油發(fā)電機組作為水電廠的保安或黑啟動、備用電源的重要設備，要求在應急情況下能夠可靠啟動并投入正常運行，所以柴油發(fā)電機組應采用快速啟動應急型，要求發(fā)電機組應保持隨時準備啟動的熱備用狀態(tài)。當柴油發(fā)電機組連續(xù)3次自啟動失敗，意味著啟動回路或發(fā)電機組本身有故障，再次啟動也無用，因此按3次考慮。根據需要一般可規(guī)定總時間不大于30s。若連續(xù)3次自啟動失敗，應能發(fā)出報警信號，并閉鎖自啟動回路。
近年來發(fā)電機組控制功能已比較完善，可以做到發(fā)電機組無人值守。智能型發(fā)電機組能自啟動、自動調壓、自動調頻、自動調載、自動并車、功率管理（按負載大小自動增減發(fā)電機組）、故障自動處理、輔機自動控制等。根據gb/t 4712-2008《自動化柴油發(fā)電機組分級要求》，其自動化程度分為三級，可依具體水電廠選定。柴油發(fā)電機組除配置上述的快速自啟動裝置外，還需要配置手動啟動裝置，以便在安裝調試及例行試驗時使用。
根據gb/t 2820.1-2009《往復式內燃機驅動的交流發(fā)電機組第1部分用途、定額和性能》的規(guī)定，選型時還需要對柴油機的型式、冷卻方式、啟動電源等提出要求。柴油發(fā)電機組按轉速分高、中、低三類。高轉速不低于1000r/min，低轉速不高于500r/min，除此之外為中轉速。高速及廢氣渦輪增壓型柴油發(fā)電機組具有體積小、質量小、功率大（輸出功率與體積或排量的比率大）、效率高和啟動運行可靠等優(yōu)點，因此推薦采用，但考慮到增壓型柴油機的氣缸平均有效壓力較高的特點，允許首次加載的負載大小比傳統(tǒng)的非增壓型柴油機要低一些，需要按照允許加負載的程序分批投入負載。
柴油機一般可采用壓縮空氣啟動和電啟動兩種啟動方式。由于壓縮空氣啟動需要氣動裝置，占用空間較大，不易布置，運行維護比電啟動復雜，因此推薦采用電啟動方式。柴油發(fā)電機組電啟動蓄電池組的電壓為12v或24v。由于發(fā)電機組不經常工作，應設置整流充電設備，其輸出電壓可根據蓄電池組浮充或均充電壓大小設置，輸出電流不小于蓄電池10h放電率電流。蓄電池容量必須滿足柴油機連續(xù)啟動不少于6次的要求。冷卻方式宜采用封閉式循環(huán)水冷卻。
由于目前國內柴油發(fā)電機組供貨市場上采用10kv或6.3kv柴油發(fā)電機組比同容量400v的發(fā)電機組價格性價比差，柴油發(fā)電機組額定電壓宜采用0.4kv，接線應采用星形聯結，中性點應能引出，其接地方式應滿足下列要求：
1）當廠用電系統(tǒng)中僅裝設一臺柴油發(fā)電機組時，發(fā)電機中性點應直接接地（降低了系統(tǒng)的內部過電壓倍數，當某相接地時，相間電壓為中性點所固定，基本不會升高。同時動力和照明可以由同一發(fā)電機母線供電），發(fā)電機的接地形式宜與低壓廠用電系統(tǒng)的接地形式相一致。
2）當兩臺及以上柴油發(fā)電機組并列運行時，發(fā)電機組的中性點應經接地刀開關（隔離開關）接地，以便防止發(fā)電機中性導體產生三次諧波導致發(fā)電機發(fā)熱；當兩臺發(fā)電機組的中性導體存在環(huán)流時，應只將其中一臺運行并合閘帶載中的發(fā)電機的中性點接地，其余所有發(fā)電機組的接地刀開關均需要斷開，當帶載運行中的發(fā)電機組發(fā)生故障停機、人為換機或者因為優(yōu)先運行原因需要換機時，接地刀開關需要同時進行切換，保證系統(tǒng)中有且只有一臺帶載運行中的發(fā)電機組的接地刀開關處于合閘狀態(tài)。其接地刀開關可根據發(fā)電機允許的不對稱負載電流和中性導體上可能出現的零序電流選擇。
當廠用電系統(tǒng)中裝設兩臺及以上柴油發(fā)電機組并列運行時，發(fā)電機中性點經隔離開關接地，當發(fā)電機的中性導體存在環(huán)流時，應只將其中一臺發(fā)電機的中性點接地。
3）當廠用電系統(tǒng)中裝設兩臺及以上柴油發(fā)電機組并列運行時，每臺發(fā)電機組的中性點可分別經限流電抗器接地，以便保持中性母線電位偏移不大的條件下，有效地限制中性點引出導體中的諧波電流。其電抗器的額定電流可按發(fā)電機額定電流的25％選擇，阻抗值大小按通過額定電流時其端電壓小于10v選擇。
當受到電站負載分布、電氣接線和水電廠樞紐布置等條件限制時，宜采用10kv高壓柴油發(fā)電機組。
無刷勵磁交流同步發(fā)電機配置有自動電壓調整裝置時，其穩(wěn)態(tài)電壓調整率最優(yōu)可達到±0.25％，一般要求為±0.5％～±1.0％，這類機型能適應各種運行要求，易于實現發(fā)電機組自動化和發(fā)電機組的遙控，因此發(fā)電機宜采用快速反應的無刷自動勵磁裝置；應裝設過電流和單相接地保護。容量1000kw以上時應裝設縱聯差動保護等。柴油發(fā)電機組的日用油箱宜按8h耗油量配置。
2、水力發(fā)電廠柴油發(fā)電機組容量的選擇
柴油發(fā)電機組容量應根據其用途，按以下方法進行選擇：
1）如作為廠用電保安電源，其容量需大于最大保安負載。
2）如作為黑啟動電源，其容量需大于啟動一臺發(fā)電機組所必需的用電負載。
3）如既作為廠用電保安電源，也兼作黑啟動電源，其容量應按保安負載與黑啟動負載二者的最大值選取。柴油發(fā)電機組負載計算應考慮水電廠負載的投運規(guī)律。對于在時間上能錯開運行的負載不應全部計入，可以分階段統(tǒng)計同時運行的負載，取其大者作為計算負載。
4）如作為備用電源，其容量應滿足備用電源容量要求。
柴油發(fā)電機組容量除應按上述要求進行容量計算并選型外，還應按下列條件進行校驗：確定柴油發(fā)電機組容量時，除考慮用電總負載外，應著重考慮啟動電動機容量。單臺電動機最大啟動容量與確定發(fā)電機組容量有直接關系。發(fā)電機組啟動電動機容量應考慮發(fā)電機的技術性能、柴油機的調速性能、負載電動機的磁極對數、啟動時發(fā)電機所帶負載大小、功率因數的高低、發(fā)電機的勵磁和調節(jié)方式及負載對電壓指標的要求等。為此，設計中確定發(fā)電機組容量時，應具體分析計算。
由于電動機的啟動轉矩與電源電壓的平方成正比，為了保證電動機有足夠的啟動轉矩，采用降壓啟動方式時，啟動時電源電壓下降不能太低，否則電動機的啟動轉矩不足以帶動電動機帶載量。考慮其他負載的正常運行的電壓要求，保證開關設備的接觸器可靠地工作，希望電動機的啟動電源電壓下降盡可能低一些，這樣與啟動電壓成正比的啟動電流也會相應降低，降低了的啟動容量對其余負載的沖擊會降至最低，啟動瞬間最低電壓值就不會過低，這樣的話，就存在一個電動機希望的高啟動電

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