主要电气设备及布置-黄河万家寨水利枢纽

（一）水轮发电机

1.主要技术参数

水轮发电机主要技术参数如表6-7。

表6-7　水轮发电机主要技术参数表

2.总体结构

发电机采用3 段轴（含转子中心体）结构。发电机上导轴承布置在上机架中心体内，推力轴承布置在转子下方的下机架中心体上。机组轴系为径向两处支承即发电机上导和水轮机水导轴承。轴向支承为推力轴承。轴系的临界转速为380.2r/min 满足高于飞逸转速125%的要求。

发电机转子支架中心体与发电机主轴连接采用外法兰。发电机主轴与水轮机主轴采用法兰连接。上述联轴螺栓中间均带有一段圆柱销段以便传递扭矩。联轴螺栓20 个均匀分布。发电机主轴直径1600mm，法兰直径2330mm。发电机定子机座置于12 个混凝土支墩内的基础板上，基础板与机座用螺栓连接，并用径向销切向限位，机座热膨胀时可定向位移。定子铁心内径为12130mm，能实现下机架、水轮机顶盖整体吊出。

在转子下方的下机架支臂上平面设置有平台，可供装配与检查推力轴承部件时使用，还便于检查制动系统、磁极绕组和定子绕组的下端部，此平台空间高度1840.0m。在-X 偏+Y10 方向混凝土基础上开一宽1.0m，底面与平台平齐的径向通道，通向风洞中，经由上挡风板和上盖板，吊出检修的零件，发电机上机架的上面设有钢板和框架组成的盖板，在上机架下部设有一平钢板组成的挡风板，检修磁极和空气冷却器时，卸掉对应部位的盖板后即可吊出。

在下机架上面的平台上设置2 个进人门。每个进人门下方设置一个梯子，向下可通向混凝土台上。在定子机座外侧，设置2 个梯子，通向上机架下部的上挡风板进人门，另外在上挡风板进人门上方设置2 个梯子通向上盖板进人门。

发电机机坑内径为17500mm，发电机轮廓尺寸为，轴向高10.9m，径向直径16.8m。

3.分部结构

（1）定子。定子机座外径14600mm，高度3200mm，共分成6 瓣运输，工地用小合缝板把合后组焊成整圆。定子机座分顶环、中环和下环，各层环板通过盒型筋，惯通钢管（兼作起吊钢管）及立筋连接组合。

定子铁心外径12800mm，内径12130mm，铁心长度1850mm。通风槽钢由无磁性材料扎成，高度6mm，由于通风沟数量多，每段铁心薄，使得定子铁心冷却均匀、充分，轴向温度梯度小。

定子绕组采用双层条式波绕组，采用306.9°不完全换位方式，3 个支路“Y”形连接，选择306.9 不完全换位，F 极绝缘，并采用全模压一次成型工艺。为了增加电气寿命、减少最大场强及场强畸变率、改善了场强分布，哈尔滨电机研究所消化了加拿大的技术，研究了工艺并进行了试验和论证，对万家寨水轮机线棒导体的角部作了加大圆角处理（为国产机组制造时首次采用）。对绕组绝缘介质损失角正切的指标要求为原机械部的优等品。

（2）转子。转子支架为圆盘式焊接结构。由中心体和8 个扇形外环组件组成。中心体由上、下圆盘、中心圆钢和立筋等焊接而成。它作为轴系的一部分。

磁轭与转子支架采用切、径向复合键连接结构，其分离转速为额定转速的1.15 倍。磁轭轴向高度为2144mm，有7 个径向通风沟。

发电机主轴上端法兰与转子中心体连接，下端与水轮机主轴连接。顶轴下端与转子中心体连接，上端热套上导轴承滑转子，并在两者之间设置轴绝缘以防止轴电流产生。

励磁绕组由七边形铜排扁绕而成，磁极线圈采用封闭式F 级绝缘，上、下绝缘托板为F 级，在下托板底部有6mm 的铁托板。磁极装设有纵、横轴阻尼绕组，在负序电流为额定电流的10%时，机组能稳定运行。

（3）上、下机架及轴承。上、下机架均由中心体和12 个支臂组成，在上机架中心体内装有12 块导轴承瓦，瓦面浇铸轴承合金，上导轴承采用螺旋形冷却器12 个，每6 个串成一路，再将两路并联。上机架中心体高1410mm。下机架中心体为6 边形，至对边尺寸为4395mm 高2100mm。

推力轴承布置在转子下方的下机架上，采用润滑油在油槽内部自循环的冷却和润滑方式、弹形油箱支撑、双层块瓦结构，瓦面为从俄罗斯进口的弹性金属塑料瓦。

（4）发电机主、中引出线。发电机全部引出线均为线电压级全绝缘结构，主、中引出线各9 根。相间间距为1200mm，排间间距为110mm。

4.附属设备

（1）励磁和电制动系统。励磁装置采用双微机加模拟或手动调节的3 通道励磁调节器，这种调节器可互为备用、并联运行、能自动跟踪、自动切换。电制动装置由制动控制柜、制动功率柜、制动电源变压器和发电机定子短路开关组成。设备均由广州电器科学研究所提供。

（2）空气冷却器。发电机冷却采用转子磁轭供风的、密闭自循环、双路径向、旋转挡风板无风扇端部回风通风方式。在发电机定子机座外壁对称布置12 个空气冷却器。

（3）发电机机械制动和顶起装置。该装置由制动器及其管路以及电动油泵、阀门和机电元件等组成。制动器安装在转子磁轭下方的12 个混凝土支墩上，共24 个制动器。制动器采用气压复位结构，为使油气分开，采用双层活塞结构，活塞能灵活自由起落。制动器还可兼作千斤顶用。顶转子的油压约为10MPa，足以顶起水轮机组的转动部件。制动块采用不含石棉的复合材料压制件，耐磨，粉尘少。此外为消除制动时制动块与制动环板摩擦产生的粉屑污染定子，在制动器外设置吸尘装置。

（4）灭火系统。发电机采用水喷雾灭火方式，共96 个喷头分别布置在定子绕组的上、下端的上、下方。另设有12 个火警感温探测器，8 个火警感烟探测器。

（5）干燥器。在发电机机坑内配置有容量为2kW 加热器12 个，可维持机坑内温度不底于10 C。

（二）发电机出口断路器

1.主要技术参数

发电机出口断路器主要技术参数如表6-8。

表6-8　发电机出口断路器主要技术参数表

2.发电机断路器成套设备

发电机断路器由3 个单相封闭外壳SF6 断路器组成3 相系统，连同操作机构、监控设备全部安装在1 个公共基础上。成套设备焊接到离相封闭母线上。设备内安装有断路器、隔离开关和接地开关。成套设备控制柜柜体的上半部分包括整个成套设备的监控装置以及主回路。下半部分为断路器、隔离开关及接地开关的操动机构。在每相柜体上有可视窗口用于观察各种开关的状况。

（三）离相封闭母线

1.主要技术参数

离相封闭母线主要技术参数如表6-9。

表6-9　离相封闭母线主要技术参数

2.结构简介

主母线和分支母线均为自冷全连式离相封闭母线，导体采用3 绝缘子以120°角均匀布置固定。封闭母线装有防潮硅胶呼吸器和满足密封要求的排水泄放装置既能及时自动泄水，又可防止外壳进入壳内的具有“密封”性能的泄水器。封闭母线导体所有螺栓连接接头、短路器、隔离开关、附属设备的接头处，相应的外壳上设有窥视孔，可以对接头、插头的情况、位置进行观测和检查。离相封闭母线（主母线）的温度检测，导体采用表盘式温度计，相应的外壳位置上设观察窗观测导体温度，具体部位为封闭母线与主变压器、封闭母线与断路器（或隔离开关）等设备的端子螺栓连接接头处。并在相应的外壳位置上埋设Pt100 三线式测温电阻，并将测温电阻、温度计的温度信号引出至机组LCU。

（四）升压变压器

1.主要技术参数

升压变压器主要技术参数如表6-10。

表6-10　升压变压器主要技术参数表

续表

工频电压升高时的运行持续时间（对应于额定电压）见表6-11。

表6-11　工频电压升高时的运行持续时间（对应于额定电压）

变压器应能承受甩负荷的工作条件，于发电机连接的端子应能承受1.45 倍的额定电压历时5s 钟。

2.结构简介

变压器采用普通三相式，变压器高、低压绕组的所有相间接线应在变压器箱内完成，箱外仅有三个高压端子和一个中性点端子，一个铁芯接地端子。

变压器低压侧端子与离相封闭母线，低压侧相间距离1.2m。高压侧端子与SF6 气体管道母线连接，AB 相相间距离1.9m，BC 相相间距离3.5m。

变压器滚轮均按转向90°设计，纵向轨距1435mm，横向2×2000mm，并有千斤顶支承座和固定轨卡。下节油箱设有水平牵引的装置。

变压器采用优质45 号变压器油。

铁心中心温升值为制造厂设计为39.9K，平面温升值为13.7K，侧面温升值为15.7K。高低压线圈设计计算温升为20.4K。

3.冷却系统

冷却器主要参数如表6-12。

表6-12　冷却器主要参数表

变压器冷却器使用的冷却水，从库区取水，经滤水器过滤后直接使用。本电站水头范围为50～80m。

每台变压器装设6 台冷却器，5 台工作，1 台备用。当1 台工作冷却器退出运行而备用冷却器没有投入运行时，允许变压器额定负荷运行1 小时和在85%及以下负荷时连续运行。变压器在满负荷运行时，当全部冷却油泵电机停运后，在空气温度+40℃时，变压器允许在额定负载下运行30min。

冷却器的控制运行方式见二次相关说明：

变压器装有电阻温度计、线圈温度信号器、瓦斯继电器、示流继电器等测量元件。

主变压器安装在室内，采用的是水冷强油循环型，水冷却器单独布置在1 个房间内，并设有电加热器。在冬季，当变压器停运后，室内温度下降到一定程度时，电加热器应投入运行，以防止水管冻坏。

（五）220kV GIS

1.主要技术参数

220kV GIS 主要技术参数如表6-13。

表6-13　220kV GIS 主要技术参数表(www.xing528.com)

2.结构简介

主母线采用三相共筒式，分支母线及其元件采用分相式。断路器采用立式布置。

GIS 各气室的气压（20 C）约为：额定气压0.5MPa，闭锁气压0.4MPa，报警气压0.45MPa。年漏气率小于1%。

同一回路的断路器与隔离开关之间有电气联锁，同一回路的隔离开关与接地刀闸之间有机械的和电气的联锁。母线接地开关与该母线相接的全部隔离开关之间有电气联锁。断路器两侧的隔离开关在分、合操作时，断路器不得进行合闸操作。断路器分闸完成后，其两侧的隔离开关才能进行合闸。

220kV GIS 共19 个间隔，对应于每一个间隔都有一个汇控柜，每个间隔的元件的操作均可在汇控柜上或在中控室进行操作，但检修接地开关则只能在现地操作。G IS 的元件操作及与出线场之间的隔离开关之间均有严格的联锁。

3.特点

水电站系统220kV 级配电装置，采用SF6 全封闭组合电器达19 个间隔的，在国内也是独一无二的，它必然从设备制造到设备布置都有值得借鉴之处。详细了解可见相关资料介绍，这里只做部分简单描述。

对于间隔较多的GIS 的布置，是采用分开布置，还是采用集中布置，应根据开关站的具体情况确定，需要根据设备的造价、土建的投资以及布置的总体要求综合考虑后确定。

间隔多必然母线长，母线气室的划分不宜过大。万家寨工程在设备招标及在设计联络会上，工程设计方也曾强调过，但现在实际还是有些过大。

弹簧操作机构以后也许会逐渐取代气动机构，但现国内的220kV 级GIS 主流还是气动操作机构，要注意供气管路的漏气。

主母线及分支母线长，安装过程中的积累误差也会大，应注意伸缩节的设置。

（六）220kV 交联干式电缆

1.主要技术参数

220kV 交联干式电缆主要技术参数如表6-14。

表6-14　220kV 交联干式电缆主要技术参数表

2.结构简介

电缆的导体由4 股扇形铜绞线组成，在导体外是1 层半导体屏蔽层，屏蔽层外为交联聚乙烯绝缘（XLPE）材料，这3 层采用3 层共挤压的工艺。在这3 层之外又为半导体屏蔽层和一层特殊的阻水膨胀带，然后为不锈钢金属护套，外层为PVC 护套。该PVC 为RPPVC，具有阻燃特性，不过在燃烧时会产生一定浓度的黑烟和有害气体。最外层有一层石墨涂层。

3.运行要求

220kV 交联电缆的导体设计的正常运行时的最高温度为90℃，事故过负荷的允许温度为130℃2h，短路时的最高温度250℃4s。在现地及中控室可以监测到电缆的运行温度，当温度超过允许值时，将会报警。在电缆的末端有一个保护金属护层绝缘的保护器，该保护器带有计数器，通过计数器可以了解保护器的动作次数，保护器设计为20次不损坏。超过20 次应予以更换。

在对GIS 或电缆进行耐压试验时，均要求将GIS 与电缆拆开。

（七）厂用变负荷开关组合柜

负荷柜的外形尺寸为800mm×1720mm×2000mm（宽×深×高）。

1.额定参数

（1）额定电压：24kV。

（2）额定电流：1250A。

（3）同期性：小于5ms。

（4）断路器型号：HB24G 单相SF6 断路器配弹簧操作机构。

（5）额定开断电流：25kA。

（6）额定动稳定电流：63kA。

（7）额定热稳定电流：25kA/3s。

（8）工频耐压：50kV。

（9）冲击耐压：125kV。

2.结构特点

（1）外壳。外壳用钢板或绝缘板分隔成手车室、母线室、电缆室和低压室四个部分，制成金属封闭间隔室开关设备。外壳防护等级为IP3X，当手车处于试验或隔离位置时，外壳防护等级为IP2X。

当手车处于试验或隔离位置时防护帘板能自动地防护静触头座，能确保维护时的安全。开关柜的侧壁上设置有薄钢板罩壳的布线槽能方便地进行控制线及外部低压电缆的布线。

（2）母线室。母线室是断路器与外部连接的通道，设置在柜体的后部，用钢板分隔成独立的小室。柜体顶部或下部侧面、后面装设升高座，加装法兰面，则可与封闭母线相接。

（3）电缆室。如果采用电缆出线，则将下部母线室改为电缆室。电缆是通过电缆头和电源相连接的，固定支架用于安装电缆夹头。在电缆室里可装设电流互感器，电压互感器，接地隔离开关和避雷器。电流通过安装在电缆室内的电器元件，一直通向动静触头，三相静触头装设在聚胺脂发泡静触头座上，并紧固在外壳上。

（4）低压室。保护继电器、仪表和操作信号灯装设在柜体低压室的门上，其他的保护开关、熔断器、接线板及辅助继电器则装设在低压室内的后壁板上。每台柜均设有左右两侧用薄钢板的布线槽作外部低压电缆接线用，在低压室侧板上开有孔，以便安装低压电缆，当孔不用时则应塞子遮盖。与手车相连接的控制线是通过低压插接件相连接的。

（5）手车室。该室内固定地装上下静触头座，当手车处于试验或隔离位置时开关柜所具有的防护帘板自动地防护静触头座能确保维护时的安全，手车的导轨和接地导轨安装在柜体的底版上。开关柜底板上的异型支架作接地用，相邻柜的异型支架通过搭接压板相连，并最终与系统接地相连。柜体左右两侧面的仿形定位板使手车固定在工作或试验、隔离位置。

（6）自然通风。保证让冷空气顺利地流过柜门的通风口，不让冷凝物形成来降低柜体的性能。

（7）加热。当配电室内的相对湿度超过70%时，每台柜内安装加热器，加热器固定在接地异型支架上。

（8）手车。手车用钢板弯制后用螺栓组装而成，其前端的面板作为标准型柜的前门，底部装有滚轮自由转动，还装有接地触头，导向装置及手车推进机构。在柜体内部，手车的移动是借助于塑料定轮自由移动。

（9）制动机构及联锁系统的操作方式：

1）手车插入试验或隔离位置时，检查分合状态指示器，使断路器处于分闸状态，断路器传动装置解除闭锁。握住手车面板上的手柄把手车插入柜体内，手车连锁掣子沿着仿形定位板落入试验或隔离位置槽内，这时手车在试验或隔离位置定位，用手将低压二次插头座接通，此时一次隔离头未接通，静触头被防护帘板罩住，这时可对断路器进行操作试验。

2）手车插入工作位置时，检查分合闸状态指示器，使断路器处于分闸状态，将手柄逆时针方向旋转约30°，使联锁掣子从试验位置的槽中提出。将手车碰到停档为止，用操作棒的嵌入件插入开口槽之中，将操作棒按顺时针方向转动180°，手车两个连锁杠杆从后面起导向滑动作用的型钢接合，使手车固定于柜内，连锁掣子签入仿行定位板中的工作位置槽内，此时手车进入工作位置，断路器传动装置的连锁耳轴处于闭锁解除位置，联锁托架受到弹簧向上作用力，而焊接凸耳放在导环的槽内，该导环装在制动轴上。此时可将断路器操动合闸，即完成了手车插入柜内的工作过程。

3）手车从工作位置抽出时，把操作棒的嵌入件插入开口槽之中，将手柄逆时钟方向旋转约30°至顶部，柄在那儿将它固定，这时连锁杆顶着弹簧压力向下运动，使连锁托架转动，焊接凸耳从导环的槽内拉出。操作棒按逆时针方向移动180°，使手柄转动到其初始位置，并将它放开，通过制动轴将连锁杠杆移动90°，从而使手车脱离工作位置。此时断路器传动装置被闭锁，通过连锁杆、连杆以及杠杆的作用使连锁尔轴将操动机构闭锁，而使断路器不能合闸。在抽出期间如果手柄被固定住，手车就能从柜中完全抽出，否则连锁掣子先移仿行定位板滑动，最终就会插到试验或隔离位置的槽内。

（10）输出端接地：

1）带有接地线装置。为了接地，接地杆配有带翼形螺母的接地支架，借助于接地棒将三相接地电缆的夹紧端与接地杆连接，带有螺栓接头的接地端与电缆室静触头螺栓相连。或带有螺孔接头的接地端与电缆端连接母线相连。

2）带有接地隔离开关。柜内装有三相接地隔离开关，接地隔离开关的机座与开关柜外壳连接。每一相电缆连接件上装有接地隔离开关动触刀与静触头，动触刀所共有转轴和主接地系统相连接。

（八）主要电气设备布置

在进行电气设计总体布置设计时，考虑了当地的环境和地形条件、枢纽建筑物总体布置，以及电站接入电力系统的要求和电气主接线、电气设备制造情况、按装机顺序的过渡方案及有利于提前发电等方面，对可能选用的电气设备布置及出线方式进行了综合技术经济比较。

1.机压电气设备布置

发电机主引出线位于第一象限+y10℃，引出线高程为907.58m发电机中性线位于第三象限-y40℃，引出线高程为907.58m。

发电机出口断路器或隔离开关布置在厂坝间副厂房的902.00m 离相封闭母线室内。主引线经隔离开关后穿过顶板，进入909.00m 离相母线室，并引向主变压器室，接入主变压器低压侧。电制动开关布置在发电机主引线出口处，励磁变压器柜、电压互感器柜则布置在902.00m 母线室内。1 号、3 号、5 号机的电压互感器和避雷器柜安装在909.00m 母线室，2 号、4 号、6 号机的避雷器柜安装在909.00m 母线室。发电机中性点消弧线圈柜安装在主厂房电缆层904.00m 内。

2.厂用电电气设备布置

厂用电的6kV 开关柜共28 台（1G、2G、3G、4G）布置在厂坝间副厂房的902.00m，位于900.20m 母线室的右侧，紧靠6kV 配电室的右侧为400V 低压配电室，布置有24 面低压配电盘，以及4 面照明配电盘。3 台公用变压器（11t、12t、13t）及2 台照明变压器（41t、42t）布置在主安装场下的900.30m 层变压器室内。其他配电点的配电盘或箱的安装位置及数量见表6-15。

表6-15　部分配电盘或箱的安装位置及数量

续表

3.主变压器布置

主变压器布置在厂坝间副厂房的909.00m 高程，每台主变压器单独安装在封闭的变压器室内，变压器的水冷却器则也单独安装在主变压器旁边的水冷却器室。主变压器的中性点隔离开关、避雷器和放电间隙安装在变压器的左侧。主变压器低压端子与发电机出口离相封闭母线连接，高压端子与220kVGIS 分支母线连接。

4.220kV 配电装置

（1）开关站。220kV 配电装置采用的是六氟化硫全封闭组合电器（GIS）共19 个间隔以及6 进6 出的分支母线。GIS 室位于厂坝间副厂房的921.80m 高程，它的下层为管道电缆层，其高程为917.50m，再下层为主变压器室。GIS 的断路器为立式布置，每个间隔均为分相式，主母线为共筒式。为减少分支母线长度，GIS 采用了非紧凑型布置.每个间隔的汇控柜对应布置在每个间隔的上游侧。

（2）出线平台。根据两省区的出线及枢纽的布置情况，出线平台分为两个，一个位于厂坝间921.80m 高程，是用于安装内蒙古侧的出线设备，安装有阻波器、耦合电容器、电容式电压互感器和避雷器。内蒙古侧的两回出线从大坝下游侧的吊点引出，另预留了一回出线位置。另一个位于2 号、3 号坝段的引黄平台，用于布置山西侧的出线设备。主要安装有隔离开关，阻波器、耦合电容器、电容式电压互感器和避雷器。山西侧3 回出线从1～3号坝段的下游侧吊点引出。

（3）220kV 电缆。从220kV GIS 室至山西侧的出线平台，是通过3 回220kV 交联聚乙烯干式电缆连接的。该电缆经GIS 下的管道电缆曾、大坝内917.50m 高程电缆廊道、917.50m 至958.00m 高程的电缆竖井，再经958.00m 高程的电缆廊道到山西出线平台。电缆的敷设采用每个回路3 相水平布置，3 个回路则为上、中、下三层布置。每层之间设有防火隔板。在竖井内电缆采用蛇形敷设。

5.电缆敷设

在厂坝间902.00m 高程，离相封闭母线室上游侧布置一条宽3.0m、高6.0m 贯穿全厂的电缆廊道。廊道右端通过副厂房电缆竖井与中控室电缆夹层相连，并由此与副厂房的电梯井旁的电缆竖井连通。电缆廊道中部从顶部与厂坝间副厂房的电缆竖井相连，至GIS 下的电缆管道层。电缆廊道左端则转至坝内910.00m 廊道，并与10 号坝段的低压电缆竖井廊道连接，该竖井至943.00m，拐至11 号坝段的电缆竖井与坝顶配电室及坝顶电缆沟相连。坝顶电缆沟为从1 号坝段至22 号坝段全坝贯通。

在主厂房每个机组段间909.00m 和904.50m 楼板底下设有电缆桥架，在厂坝间902.00m 的离相封闭母线室的每个机组段设有2 条电缆沟，供各机组段连接上、下游侧电气设备敷设电缆用。