水利水电工程电缆设计规范
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水利水电工程电缆设计规范范文第1篇
关键词：水利枢纽 混合式抽水蓄能电站 宽尾墩式溢流坝 变速运行 碾压混凝土
1 设计中的几个重大技术问题
1.1 枢纽布置
枢纽布置是整个枢纽设计的关键技术问题之一。
在初步设计批准后，我院在清华大学及本院科研所进行了6个水工模型、5个方案的试验研究，验证了初步设计所推荐的枢纽布置是最优方案，即右岸坝后式水电站的枢纽布置具有布置紧凑、管理运行方便、施工简单、投资省、上下游流态可基本满足运行要求。该方案又经长期的、大量的整体及断面水工模型试验研究后，进一步完善了枢纽布置：
主坝泄洪建筑物由表孔和底孔组成，最大泄洪流量为56200m3／ s，表孔共18孔，孔宽15m，挑流消能。4个泄洪底孔为深式一短管、明流槽以及挑流消能。由于施工的需要，将底孔由电站左侧迁移至表孔中部，表孔则分两段布置即右7孔、左11孔，两段中间布置泄洪底孔。
溢流坝闸墩由流线型改为平尾墩、左3孔又改为宽尾墩、通过试验将挑流鼻坎高程抬高了3m，增加挑射角至30°等措施，达到了充分消能的目的，改善了左岸回流淘刷坝趾和下游冲刷。溢洪道右端导墙加设了导向墩，电站左导墙加长80m，加长部分左折20°。这些措施避免了对厂房的冲击，改善对尾水渠左导墙的冲刷，并大大减少了尾水渠出口淤积，为电站运行提供可靠的保证。
潘家口电站是一座混合式抽水蓄能电站，装机4台，其中1台150MW常规机组、3台90MW抽水蓄能机组。这座电站是我国目前最大的混合式抽水蓄能电站，其特点：一是电站水头变幅巨大；二是常机组布置在同一个厂房内；三是蓄能机组需要安装在一期工程形成在厂房内；四是设备多、且某些设备还有特殊的要求。这些特点和要求，给机组制造与厂房布置带来复杂性。经过周密的布置和详细研究，并与厂家协商，对机组的结构做了修正和调整，才满了运行和设计要求。
保坝措施经技术经济比较，选择了加高大坝2.5m，枢纽泄流能力提高15％，最大泄量为56200m3/s。而枢纽增加投资仅占总投资的2％。因此该方案是经济合理的、也是可靠的。
1.2 关于水库诱发地震的研究
潘家口坝址与库区有东西向、北东向及弧形构造会入，构造复杂，又有历史地震的记录。根据联合国教科文组织的规定，我院开展了关于水库诱发地震的研究，通过扩大的地质测绘、遥感、精密水准测量、地应力测试、地震台网的监测，10余年来还未观测到水库诱发地震的迹象。但根据国内外工程经验，今后还应加强监测工作。
1.3 关于碱活性骨料的研究
本料场的混凝土天然骨料，通过调查发现有燧石、凝灰岩、流纹岩、粗石岩、蛋白石、安山岩等活性骨料，约占总量的30％，诵过岩相鉴定及化学法试验确定，属有害的碱活性反应的材料。为此，又进行了长度法试验。试验结果证明砂、骨料均不产生过量的膨胀，可评价为非活性骨料。由于缺乏骨料在混凝土中使用的经验，为安全可靠，设计仍用抚顺低碱大坝水泥及掺粉煤灰等抑制措施。经近20年的运行均未见异常。
1.4 下池库内往返水流
混合式抽水蓄能电站下池布置在滦河干流上，因此需满足泄洪要求，即建筑物应能抗御大洪水冲淤的作用。下池工程为三级建筑物，要求抵御28000m3／s的大洪水冲击以及淤积造成的不利影响。为此电站左导墙按折线布置，挖除左岸滩地约100万m3砂石，大大改善了尾水渠出口淤积问题。经包括上下池整体水工模型试验，证明大洪水过后，下池有效库容损失约10％左右，而实际设计已留有足够的余地，因此运行是可靠的，设计也是成功的。
1.5 水资源开发与经济效益。
由于京津唐地区缺水严重，因此水资源开发与利用成为当时的一个核心问题，引起各方面的关注。在审查潘家口初设时，华北电管局明确提出在原供水、防洪及季节性电站的基础上，在可能条件下，增设3×90MW抽水蓄能机组扩大装机容量，使季节性电站变为混合式抽水蓄能电站。其优点：（1）结合供水发电，发电不降低供水的效益；（2）可避免在枯水时段或不需要供水时出力受阻甚至停机；（3）常蓄机组互补，可增加尖峰发电量，减少输入电量，提高机组的综合效率；（4）由于增设抽水蓄能机组，大大改善了电站在系统中的地位和作用。提高对系统的调节能力，具有明显的调频效应，为系统提供了一个可靠的调峰电源。量增加了3.87倍，总峰荷电量达4.838亿kW·h.峰荷电量大幅度增长的原因：抽水发电2.307亿kW·h，另外在系统中填谷210～270MW，解放了火电机组调峰500MW。这种混合式水电资源开发的经济效益是十分明显的。 2 设计中采用的新技术
2.1 坝型
主坝采用了低宽缝重力坝，这种坝型是由宽缝重力坝发展而来的。为了区别，可视一般宽缝重力坝为高宽缝重力坝。高宽缝为坝高的1／2。低宽缝重力坝缝腔高为坝高的1／3。其次是缝腔的体形不同，低宽缝尽量避免倒模板，将上下游缝腔的坡度改为竖直坡。这种坝型的优点是：（1）较实体重力坝节省工程量10％；（2）保留了高宽缝重力坝的优点如降低扬压力，便于检修、坝体冷却，便于基础排水和排水设施的布置，便于使用预制模板等；（3）封腔早，便于机械施工、提高工效、加快进度。
2.2 宽尾墩式溢流坝
宽尾墩式溢流坝是由一般带挑流鼻坎消能工的溢流坝发展而来的。即由一般溢流坝加宽尾墩形成宽尾墩式溢流坝。这是我院科技人员在国内外首创的一种消能工。在闸室内宽尾墩强迫水流收缩成水冠，过闸室后水冠扩散，在反弧段内，宽尾墩两侧高速水流相撞，充分掺气，形成高低坎消能效果，增大入水角和扩散面，减弱冲刷能力，达到充分消能的目的，采用宽尾墩后当泄5000年一遇洪水时，坝下冲刷变淤积，消能效果明显，保证了大坝泄洪时安全运行。
2.3 裸露式具有抗冻性的碾压混凝土重力坝
下池左岸挡水坝段经过技术经济比较，以碾压混凝土重力坝代替了常态混凝土重力坝，取消了常态混凝土保护层。碾压混凝土直接接触空气和水，并且要与常态混凝土坝一样，要经受一切大自然如阳光、温度、水的作用等。由于下池处于寒冷区，水位日变幅5.5m，因此要求坝体水位变动区应达到150次冻融循环，其它部位也应达到50次抗冻要求。设计采取了以下措施：（1）总胶凝材料用量177～145kg／m3，水泥用量122～94kg／m3。（2）混凝土内掺用复合外加剂，使碾压混凝土含气量达到4～6％。（3）施工过程中在上下游坝面喷洒胶凝剂，加强了层间结合，使坝体达到一定的抗渗性。
另外简化了断面，取消了廊道、上游直坡、下游阶梯状斜坡等，以适应碾压要求。
这座裸露式具有抗冻性碾压混凝土重力坝，最大坝高24.5m，坝顶长275m，横缝间距57m。该坝已建成5年，运行正常，是国内外首例，对碾压混凝土筑坝技术的发展具有一定的开创性。
2.4 机组变速运行
为了适应水头变幅巨大的运行要求，在引进蓄能机组的过程中，经与厂家研究，采用变极双速机组，起动变频器扩大容量为60MW，串连在机组与主变之间，即可实现水泵起动和变速运行，这种定子接线60MW变速运行机组在国内外是首例。60MW变频器能保证蓄能机组在发电工况（36～53m），水泵工况（36～79m）内以最佳转速在高效区运行。机组效率提高：发电工况12％，水泵工况19.2％。机组综合效率由60％提高到80％，替代容量增加15％，气蚀振动大人减轻，提高了机组的寿命。
2.5 碾压混凝土路面
潘家口水利枢纽对外交通7.2km，其中5.9km路段采用碾压混凝土筑路技术。经过试验研究，将干砂浆（无坍落度砂浆）应用于碾压混凝土路面，保证了路面平整不露石子，提高了路面力学强度和耐磨性，成为国内外首创筑路新工艺。全碾压式一级配混凝土、表面铺干砂浆厚5～10mm，一次碾压成高级路面。
2.6 水电站主厂房防火的改进措施
电站防火设计经过唐山市消防支队的审查，设计符合国家、部颁设计规范的要求，并有所创新，国内外首次采用的改进措施：
（1）常开门式封闭楼梯。（2）挡烟垂壁，在机组段之间横梁（梁高0.6m）下设轻钢龙骨，外侧固定石膏板，挡烟垂高0.9m，总壁高1.5m，保护电缆效果明显；（3）自动报警与手动报警相结合；（4）电缆夹层采用固定式卤代烷灭火系统。以上四项措施对厂房结构改动很小、投资少、易实施、效果明显，提高了防火安全性和可靠性。
3 提高效益的设想
3.1 为了进一步发挥混合式抽水蓄能电站的效益，建议再引进两台60MW变频器。
3.2 抬高运行水位
由于在大坝设计中已适当留有余地，可考虑抬高水位运行，每抬高1m，即可增加5000万m3的有效库容。这一措施，效益很高，可在适当时机在不影响大坝安全运行的前提下，予以实施。
3.3 在引滦供水系统中，除潘家口之外，还有大黑汀、于桥、邱庄、陡河水库等，已形成一个关系密切的供水网络，建议在不增加投资的条件下，加强调度与管理，即可达到多蓄水，提高供水效益的目的。如潘家口与大黑汀水库联合运用可多调节水量1.2亿m3，如五库联合运用，其效益更为可观。
3.4 进一步发挥水库排沙对下游入海口冲刷的作用
潘家口水库有4个底孔，这4个底孔泄量尚不能满足现行规范的要求，应该充分发挥现有底孔排沙作用。经过科学计算和研究后在汛期低水位时，在有准备的条件下，泄水拉沙，隔几年进行一次以提高水库寿命。这一措施带来的另一个好处是：利用人造洪峰对入海口进行冲刷，防止海口淤积。
参考文献
1 潘家口混合式抽水蓄能电站、曹楚生.1990年4月国际抽水蓄能会议论集。
2 一期工程概述.曾楚生.李成乾，水利水电工程.1986年2期
3 混合式抽水蓄能电站布置.魏恒德.李启业.水利水电工程.1986年2期
水利水电工程电缆设计规范范文第2篇
关键词：火灾；自动报警系统；控制系统；小孤山水电站
黑河小孤山水电站工程位于甘肃省肃南裕固族自治县境内，黑河干流大峡谷段下游。工程为长压力隧洞引水式电站，主要由拦河闸坝首部枢纽，发电引水系统，地下厂房，开关站等组成。
1火灾自动报警和控制系统的任务
水电站火灾自动报警和控制系统的任务是对电站主厂房,副厂房及重要机电设备场所的火情,防火排烟设备等进行24h不间断监视，并对房火排烟设备进行相应的控制。
2消防设计依据及设计原则
根据《建筑设计防火规范》（GBJ16-87）（2001年版）、《水利水电工程设计防火规范》（SDJ278-90）、《电力设备典型消防规程》（DL5027-93）及《火灾自动报警系统设计规范》（GB50116-98）的要求，采用“一防、二断、三灭、四排”的综合消防技术措施，尽量减少着火根源，避免火灾发生，万一发生火灾也不致蔓延，并能迅速扑灭，使火灾损失降至最低限度。小孤山水电站火灾自动报警系统采用控制中心集中报警系统。电站内设置手动和自动两种触发报警方式，手动和自动触发并行执行。智能火灾报警控制屏设在中控室内，以便中控室的值班人员在火灾发生时，及时了解火情。
主要生产场所设置智能火灾探测器或手动报警按钮，探测器及手动报警按钮与中控室报警器相联，在发生火灾时传递火警信号至中控室，发出声光报警，现场手动控制灭火。
3火灾自动报警和控制系统的功能
3.1火灾自动报警和控制系统的组成。由于水电站环境条件的特殊性，地下厂房多潮湿，阴暗，强磁场，易燃易爆，普通离子感烟探测器不太适用，所以设计考虑采用了海湾安全技术有限公司的产品，该产品防潮性能好，适合于地下厂房。
火灾自动报警系统由智能火灾报警控制器、光电智能感烟探测器、智能感温探测器、红外对射感烟探测器、缆式线型感温探测器（及接口模块）、手动报警按钮、声光报警器、智能控制模块、智能监视模块、切换模块、总线隔离模块等组成。
在电缆密集处，如开关站电缆沟，电缆桥架，电缆夹层等处，选用缆式线型感温探测器，以正弦波方式均匀缠绕在电缆表面上，使其与被保护电缆多点接触。同时也在屋顶设置感烟探测器，实现双重保护。在高大厂房内，则选用红外对射感烟探测器，它具有监护面积大、灵敏度高、探头数量少、经济合理等特点。重点保护下游机旁盘及励磁盘等主要机电设备。在电站内，中控室、直流屏室、蓄电池室、油处理室等重要机电设备场所则设有感烟探测器、感温探测器、手动报警按钮、声光报警器等，便于值守人员及时通报火情或手动启动灭火设备。发电厂房消火栓内设有消火栓报警按钮，当发生火情时，可用手击碎玻璃，火警信号通过总线自动传输到中控室火灾报警控制柜。
火灾事故照明、疏散指示标志采用蓄电池，应急灯作备用电源，照度不低于0.50lx，可连续供电30min。消防照明线路采用专设消防配电线路。厂房的疏散通道、楼梯、安全出口均设有火灾照明及疏散指示标志。
小孤山水电站主厂房主要采用机械排风、自然进风的通风方式；副厂房也采用自然送风、机械排风的通风方式；厂房水轮机层和蜗壳层采用强制循环通风。
电站通风系统，平时由温湿度控制器现地采集信号传至风机控制柜采用在中控室设置计算机自动控制，根据火灾信号控制风机的启停与防排烟，由于风机运转设备相对较为集中，在风机附近又设置控制箱控制风机的启停，这样运用两套控制系统控制全厂通风系统的运行。另外在通风系统的送、排风管，送、排风口等处均加装自动防烟防火阀或防火排烟阀；风管在穿越防火墙时，均设置防烟防火阀。当火灾发生时，通过控制箱自动（或手动）控制风机的启停和防烟防火阀、防火排烟阀的启闭。
本工程厂区主要建筑物包括地下发电厂房、主变兼尾水闸门室、进厂交通洞、通风出线洞、尾水洞、排水洞等。地面建筑物为开关站。报警控制器用于模拟量智能化可编址二总线火灾报警系统中，配合现场系列火灾探测器及其他现场输入模块，输出模块等可编址部件组成了一个全自动火灾报警及消防联动系统。全厂共分八个层面，每个层面安装一个接线端子箱，且每层的总线隔离器安装在接线端子箱。系统中所有设备均为编码型，安装前应先根据生产厂家提供的电子编码器进行“十进制”编码，检查无误后方可进行调试。
3.2控制系统功能。设置在电站各个部位的火灾探测器，在检测到火情时自动向值班室火灾控制器报警。控制器在接到报警信号后，通过PC软件编程设定的各种联动关系，进行信息处理。在控制器的面板上以液晶显示方式，显示出火情部位。当火情确认后，通过面板上设置的按钮和柜内预制的程序，可自动或由电站值守人员手动对发生火灾部位防烟防火设备，灭火设备进行点对点的控制操作。
通常，报警控制器的控制输出设置在手动位置。当各种火灾探测器或手动报警按钮接收到信号后，立即将信号传输至智能火灾报警控制器，智能火灾报警控制器立即响应，发出声、光报警，并显示时间、地点、报警性质，打印记录，通过输出接口将火灾信号送至计算机监控系统。
正常时，智能火灾报警控制器通过两总线对在线的所有探测部件进行巡回检测，发现有故障时，能发出故障报警信号，显示出时间、编码、区域，并打印出来。报警控制器电源为交流220V，由厂用交流电源供电，当厂用交流电源消失时，可自动切换到逆变电源供电，保证了交流电源供电的可靠性。同时，装置内还设有25Ah的蓄电池作为控制器的备用电源。
4主变压器火警系统
本电站主变压器设3台，水冷油浸式，每台主变压器均设置在专用房间内，变压器安装在铺有卵石阻燃的集油坑上，设3套固定式排油充氮灭火装置。在主变室附近设置事故油池，事故油池总容积约27.50m3。
3台主变压器均采用固定式排油充氮灭火方式，每台变压器设有独立的充氮灭火装置。变压器充氮灭火装置由火灾探测器、控流阀、消防柜、电气控制柜四个部分组成。火灾探测器安装于变压器箱盖顶部强度相对薄弱，容易引起火灾的环节处。控流阀安装于变压器油枕与瓦斯继电器之间，一旦变压器发生火灾时能迅速切断油枕与变压器本体之间的油通路。消防柜内主要有重锤排油机构、重锤充氮阀及高压氮瓶，安装于变压器附近，与变压器本体之间连接有排油管和充氮管。电气控制柜用于运行方式的设定、手/自动切换和起动控制，安装于电站中控室内。
当变压器充氮灭火装置的火灾探测器与瓦斯继电器同时发出动作信号后，快速排油阀立即打开，将油箱中油降低于顶盖下方25cm左右，减轻本体内压力，防止变压器爆炸。关闭控流阀，切断油枕与变压器本体之间的油通路。在排油阀打开数秒后，氮气从变压器底部充入本体，使变压器油上下充分搅拌，迫使油温降至燃点以下迅速灭火，充氮时间持续10min以上，使变压器充分冷却，阻止重燃。
5机组的火警系统
电站的发电机组是由兰州电机厂制造的，机组的火灾探测器和水喷雾灭火设备和数量，设备选型及安装均由电机厂负责设计，安装及成套供货。每台机组构成一个独立的火警监控系统。探测器安装在发电机风罩内，其信号总线通过发电机外壁的接线端子箱接入，通过风罩外电缆桥架接至发电机专用火灾自动报警器，火灾自动报警器安装在中控室火灾控制屏中。当机组发生火灾时，由火灾报警控制器通过开关量输出接点将机组的火情信号，传递到中控室火灾报警控制屏，并由值守人员确认火警部位后再手动启动消防灭火系统。
所以，对于“无人值班（少人值守）”新建的大中型水电站，火灾自动报警的设计可保障水电站安全运行。
参考文献
[1] 火灾自动报警系统设计规范.(GB50116-98).
水利水电工程电缆设计规范范文第3篇
关键词：水利工程 投资控制
工程概况:赵庄扬水站位于宁河县芦台镇赵庄村西北津榆公路与芦宝公路交口,蓟运河右堤,设计流量8m3/s。该站始建于1976年,是一座灌排两用扬水站,场区占地面积13.38亩。控制范围为芦台镇蓟运河右堤以西、大艇庄以东、芦台农场以北区域,总面积约18.9平方公里。由于其设计年代久远,设备功能老化,现已不能满足辖区排涝、灌溉需求量。因此,列入我县扬水站更新改造计划,并于2009年由天津市水利勘测设计院设计,天津市水务局审核批准拆除重建。工程总投资1152万元,其中建筑工程531.06万元,机电设备及安装工程329.63万元,金属结构设备及安装工程73.83万元,临时工程52.97万元,独立费100.25万,基本预备费55.08万元,水保、环保费9.18万元。主要建设内容为重建泵站引水渠、进水池、泵房、压力箱、排水涵闸等,购置安装4台潜水轴流泵、闸门及启闭机4台套、更新变压器3台及其配电设备、电线电缆等。开工日期为2009年9月16日,竣工日期为2010年9月10日。
该项工程建设在投资决策阶段、设计阶段进行优化工程设计方案,在发包阶段、建设施工阶段以及竣工结算阶段加强工程造价的管理,在工程发包、建设施工过程中推行建设项目法人责任制、工程招标投标制、工程建设监理制、合同管理制和工程量清单管理控制。按照设计要求,保质保量完成了所有建设内容,通过竣工验收合格,实际竣工决算1105.9527万元,节约投资46.0473万元。
从赵庄扬水站重建工程建设的实践经验,探讨水利工程的投资控制。随着我国社会主义经济体制改革的深入,水利水电工程建设管理也逐步实施了建设项目法人责任制,招标投标制,合同管理制、建设监理制。做为天津市宁河县国有扬水站更新改造项目中的重点工程赵庄扬水站重建工程,严格执行国家基本建设程序,执行“四制”建设管理,对工程投资起到了很好的控制作用。
1、建设项目法人制是控制水利工程投资、降低工程造价的主体
宁河县水利工程建设管理处为赵庄扬水站重建工程的项目法人,下设工程技术部、合同管理及招投标部、财务审计部、质检及安全生产部和办公室等五个部室。在工程设计阶段及工程建设期间认真履行项目法人的职责,建管处领导、各职能部门及工程技术人员按照各自的分工与职责,在保证建设工期及工程施工质量的前提下,有效节约工程次要开支,降低工程造价,深入施工第一线监督检查,认真开展调研工作。在工程建设中,对工程投资控制发挥了主导作用。
2、招投标制和合同管理制是水利工程投标控制的重要基础
招标投标制就是通过公平竞争,在保证建设工期和质量的前提下,选择最优报价、确定信誉好的施工企业、设备供应商,从而降低工程造价。
赵庄扬水站工程是利用政府资金进行建设的县重点工程项目,严格按照《招投标法》及《天津市招标投标条例》的有关规定进行招标,确定承包单位。通过招标有效地控制了工程项目的合同资金运用。在工程建设过程中,严格按照工程合同执行,工程价款的结算完全依据建设合同,通过合同信息的管理有效地控制了工程投资。
3、工程建设监理制是水利工程投资控制的直接保障
在赵庄扬水站工程建设中,全面实行了建设监理制,签订了工程建设监理合同。建设监理的主要内容是进行工程建设合同管理,按照合同约定项控制工程建设的投资、工期和质量,协调有关工程施工方面的工作关系。工地监理工程师是工程项目建设管理方面的专家,客观、公正地处理工程实际问题,保证合同条款的正确贯彻履行。切实保护好项目法人与承包人的利益,在保证工程质量、工程进度的前提下,对有效的降低工程造价、控制工程投资,起到直接的保障作用。
4、加强工程量清单管理有效控制水利工程建设投资
首先,设计部门在施工图设计阶段的工程量应控制在初步设计工程量范围内,在施工中尽量减少设计变更;其次,在施工过程中严格控制超挖、超填工程量。水利工程由于其本身的复杂性,在前期的勘探测量工作中尽量全面细致,为设计提供可靠准确的地质资料,使初步设计阶段工程量合理,这样才能保证施工阶段的工程量控制在设计工程量范围以内,施工中才会减少设计变更的机率。在水利工程施工过程中,建设各方应严格控制超挖、超填工程量。监理工程师严格依据工程建设合同条款规定执行命令,对于设计规范、施工规范允许之外的超挖、超填工程量应是承包单位责任的,建设、监理单位一律不予签证认可。因此有效地控制了工程量,另一方面有利于施工单位提高工程施工的管理水平。
5、加强工程竣工结算阶段造价控制
水利水电工程电缆设计规范范文第4篇
关键词：电站监控系统；电流电压互感器配置；微机继电保护
1、自动控制
1．1电站监控系统
根据国内水电站监控设备发展现状以及国家相关政策要求，某水电站采用全计算机监控系统，实现电站的控制、测量、信号及信息管理等功能。并按照“无人值班（少人值守）”的管理模式进行总体设计。系统由主控级（电站控制级）和现地控制级组成分布式系统，主控级和现地控制级采用交换式双以太网通信。局域网按IEEE802．3设计，通信规约采用TCP/IP，网络的传输速率≥100Mbps，通信介质为多模光纤。
1.1.1电站控制层
主控级由2套主机/操作员工作站、2套通信工作站、1套工程师/培训工作站、1套报表及语音报警工作站以及网络设备和电源设备等组成，是电站的实时监控中心，负责全站的自动化功能（开停机自动流程控制、AGC、AVC等），历史数据处理（事故分析处理，各种运行报表、重要设备的运行档案、各种运行参数特征值等）及全站的人机对话（全站设备的运行监视、事故和故障报警，对运行设备的人工干预及监控系统各种参数的修改和设置等）。
1.2.2现地单元层
现地单元层共设置7套现地控制单元（发电机LCU5套，升压站及公用LCU1套，泄洪闸门LCU1套）。发电机LCU主要完成数据采集处理、机组监控及保护、调速器和励磁装置的调节、同步操作等功能。
升压站及公用LCU主要完成升压站设备的数据采集处理、断路器操作及监视、同步操作、主变及线路保护等功能以及电站公用设备（如直流电源系统、空压机系统、技术供水泵、水力监测系统等）的监视及数据采集处理、备用电源自投操作等功能。
坝区LCU分别通过现场总线与各闸门启闭机电气控制装置通信，完成闸门的集中控制、闸门的成组顺序控制、闸门的开度及位置信号和故障信号的采集处理和现地显示；坝区LCU通过光纤通道接入电站计算机监控系统局域网，与电厂控制级进行通信，并按电厂控制级的命令完成对所有被控对象的监视和控制。
1．2机组励磁系统
发电机励磁方式采用自并激静止可控硅整流励磁。励磁调节器采用微机型双通道双容错励磁调节器，强励顶值倍数为1.8倍。起励电源采用残压起励及以直流220V作为备用的方式。可控硅功率柜采用三相全控桥接线。励磁调节器具备与电站计算机监控系统机组LCU的通信接口，以实现监控系统对发电机励磁的监控和调节功能。
2、继电保护
2．1继电保护方案
某水电站电力设备和出线按照《水利水电工程继电保护设计规范》（SL455—2010）的要求配置了相应保护和系统安全自动装置，并全部采用微机型装置。
1）发电机配置的保护：纵联差动保护，复合电压起动的过电流保护（记忆），失磁保护，定时限过负荷保护，过电压保护，定子单相接地保护，转子一点接地保护。
2）主变压器配置的保护：纵联差动保护，复合电压起动的过电流保护，轻、重瓦斯保护，零序电流保护，温度升高保护。
3）35kV线路配置的保护：光纤纵差距离保护，电流速断保护，三段式相间距离保护，四段式过电流保护，三相一次重合闸。
4）厂用变配置的保护：电流速断保护，过电流保护，温度保护。
2.2安全自动装置配置
某水电站配置了低周低压振荡解列装置、备用电源自投装置以及检同期、检无压三相一次自动重合闸装置等，以满足电力系统安全运行的要求。
3、二次接线
3.1二次接线系统设计方案
电站机组调速器油压装置、低压空压机、机组检修排水泵、厂房渗漏排水泵等，原则上就地控制，自成体系，与电站监控系统仅有信息交换，不纳入监控系统集中监控。
3.2电流电压互感器的配置
电流、电压互感器的配置按满足电站保护、监测、测量的原则配置。
测量与电站计算机监控系统统一考虑设置。根据《电测量及电能计量装置设计技术规程》（DL/T5137—2001）有关规定，除现地保留少量必要的常测仪表作为现场调试和备用监视表计外，需要集中监测和远传的电气量，均通过各现地LCU的智能交流采样装置进行采集、处理，并送主控级记录、显示和打印。
3.3同期系统
同期装置与电站计算机监控系统统一考虑设置。发电机出口断路器、主变高压侧断路器和线路出口断路器均设为同期点。发电机出口断路器采用（单对象）自动准同期方式，另设手动准同期方式作为备用。主变高压侧断路器和线路出口断路器采用（多对象）自动准同期方式。
3.4信号系统
某电站不设常规中央音响信号系统，电站事故及故障信号均由计算机监控系统语音报警装置和操作员工作站显示器进行报警和显示。现地控制保护设备配置信号灯或显示装置以提供现地信号，现地设备信号以继电器无源接点或计算机通信方式上送计算机监控系统。
3.5控制电源
全厂二次控制系统电源分为交流和直流两种。
电站设置220V交流逆变电源屏一面，逆变电源由电站220V直流系统和厂用380V交流系统双电源供电。作为计算机监控（上位）系统以及励磁、调速、保护等的交流工作电源。电站监控系统现地单元为交、直流双电源供电，电压均为220V。
电站另设一套200Ah/220V高频开关直流电源，作为控制、保护、事故照明、灭磁开关和断路器操作的工作电源。蓄电池按照浮充电方式运行，采用微机监控仪完成充、放电控制，母线绝缘监测、各馈电支路绝缘监测、电池容量监测等，以RS485接口与公用LCU相接，上送直流系统有关参数。
4、工业电视系统
为满足电站集中监控的需要，作为全厂综合自动化系统的重要配套设施之一，某水电站设置了一套由前端设备、控制设备和传输设备及线缆等部分组成的工业电视监控系统。该系统可对全厂各重要生产部位进行直观的实时画面监控，亦可和厂内火灾监控系统联网，当发生突发事故时直接调出事故现场画面。
根据某水电站工程建筑物布置特点，电视监控系统采用分层式网络结构，整个系统分为控制级和现地级。系统按监控点设备布置位置划分为电站和大坝两个分区。其中电站分区包含15个监视站点，大坝分区包含13个监视站点。
布置在电站和大坝两个分区内的各个摄像机的视频和控制信号利用电缆各自分别传输至电站计算机室和泄水闸集控室的现地级设备（嵌入式数字硬盘录像机），通过各自分区内的数字硬盘录像机实现图象视频的矩阵切换、录像、画面分割处理、编码和压缩等，各分区图象视频通过100M以太网路由接口传输至电站中控室控制级设备（视频工作站），实现图像监控和管理。
控制级与现地级的数字传输，采用高速以太网，通过交换式以太网交换机相连接，网络传输速率为100Mbps，采用TCP/IP协议。控制级与电站现地级传输介质为双绞线；控制级与大坝现地级传输介质为光纤。
5结束语
综上所述；本文根据某工程的功能特性和特殊地位，论述了某水电站在设计时，采用了当前国内最先进的技术和设计理念，选用了目前市场主流的、先进且成熟的计算机监控、微机继电保护以及工业电视等设备，使该电站完全具备实现“无人值班（少人值守）”的条件，大大提高了电站的综合自动化水平，使电站运行更加安全可靠、经济高效，在地区电力市场中的竞争力大为提高。
参考文献：
水利水电工程电缆设计规范范文第5篇
1.输水系统布置方案选择
1.1地形、地质条件
输水系统沿线地形陡缓相间，冲沟较发育，高差大，基本无全风化带，风化裂隙较发育。输水系统自上而下依次通过中奥陶系上马家沟（O2S）组、下马家沟（O2X）组、下奥陶系亮甲山（O1L）组、冶里（O1Y）组、上寒武系凤山组（∈3f）、长山组（∈3c）、崮山组（∈3g）、中寒武系张夏组（∈2Z）的地层。岩性为灰岩、白云岩、页岩、砂岩等，平均饱和抗压强度为92.8～128.2MPa，根据《水利水电工程地下洞室围岩分类》围岩分类为Ⅱ～Ⅲb类围岩，构造发育部位为Ⅳ～Ⅴ类。
地下水以基岩裂隙水为主，局部有少量的岩溶裂隙水，主要接受大气降水的补给。∈2Z2、∈3c1、O1L2－1、O2x1、O2s1-1组岩层为区域性岩溶作用的相对隔水层，岩溶相对发育，其间为相对含水层，相对隔水层与相对含水层呈“互层”状，并且常在含水层底部形成少量上层滞水。上层滞水共有三层，即①上部为上、下马家沟上层滞水；②中部为冶里、凤山上层滞水；③下部为崮山上层滞水。
厂区及输水系统位于区域地下水分水岭，不利于地下水的赋存，地下水埋藏较深，且围岩属中等透水～弱透水，输水系统围岩渗透条件比较好。
输水系统位于西河～耿家庄宽缓背斜的NW翼，尾水隧洞段位于背斜的SE翼，岩层基本水平，倾角3～10°，工程区发育的主要构造有F112、F114、F118、F116、fp21、fp27、fp30等断层和P5张性断裂带等，构造发育的主要方向为NE30～NE60°。输水系统区域内主要发育有4组裂隙，产状为：①NE5～30°SE∠70～80°；②NE30～50°SE∠70～88°；③NE50～60°SE∠70～89°；④NW330～360°SE∠70～85°。以第②组裂隙最为发育。
1.2输水线路的选择
在进行输水系统线路选择时应尽可能布置成最短的直线，综合考虑地形、地质、枢纽布置等条件选择了3条线路布置方案进行比较，即东线、直线和西线三个方案，详见图1。
由于上、下水库在平面上呈NE54°左右方向展布，采用线路最短的直线布置方案时，管线走向为NE50°左右，与站址区主要构造线走向、区内最为发育的第2组主要裂隙及P5破碎带基本平行或成10～20°的小角度相交，且岩层层面与陡倾的构造、裂隙和开挖临空面很容易形成不稳定块体，对围岩稳定非常不利。所以对直线方案不做重点比较。
工程区大小冲沟较发育，地形比较破碎，适合线路布置的位置并不多。为合理确定输水系统线路，对东线和西线两个方案进行了比较。
(1)西线方案
西线方案在平面上沿山脊布置，输水系统走向从NE85°折向NE26°。高压管道部分位于由F112、F116、F118、F208、F209、F114等断层组成的断层密集带中，断层走向为NE20°～NE40°、倾角70°～80°，在满足地形条件下，高压管道难于避开这些断层。在平面和立面上都与高压管道基本平行或成小角度相交，且高压管道与工程发育的第1和第2组主要裂隙基本平行，围岩稳定问题比较突出。
输水系统的惯性时间常数Tw=2.0s左右，在立面布置上，可不设置调压井，但增加了高压管道长度，经过比较,设置上游调压井方案比不设调压井方案可节省投资1140.5万元，所以重点以设置调压井方案与东线方案进行综合技术经济比较。
(2)东线方案
东线方案线路走向从NE15.5°折向NE70°。高压管道部分走向NE70°与P5张性断裂带、F112等构造夹角皆大于30°，与工程区发育的裂隙夹角较大，围岩稳定条件较好。输水系统总长为1811.15m，Tw=2.0s左右，不需设置调压井。投资与与西线方案相当。
经棕合比较后，东线方案围岩稳定条件比较好，工程布置简单，投资与西线方案相当，所以推荐东线方案线路布置。
1.3电站开发方式选择
在输水系统线路确定后，对电站开发方式进行综合比较。根据本电站的特点即上、下水库距离比较短，电站设计水头较高，输水系统距高比较小，L/H在2.0左右，地下厂房可布置的范围不大等，在此仅就首部和尾部两种电站开发方式进行了综合比较。
(1)工程布置
首部布置方案输水系统是由上水库进/出水口、高压管道、尾水调压井、尾水隧洞和下水库进/出水口组成。输水系统总长为L=2123.77m。详见图2。首部布置方式,高压管道比较短，尾水隧洞大于临界长度，需增设尾水调压井。地下厂房可以布置在地质条件相对好的崮山组∈3g和张夏组∈3z2地层中,由于受地形所限,交通洞、通风兼安全洞、出线兼安全洞等附属洞室洞口位置与尾部布置基本相同。从而使附属洞室长度增加。
尾部方案输水系统由上水库进/出水口、高压管道、尾水隧洞、下水库进/出水口等组成。输水系统总长为1859.28m，详见图5。高压管道比较长，地下厂房布置在地质条件相对较差∈3z地层中,但是附属洞室及高压出线电缆较短，且可不设调压井。
(2)工期
首部方案与尾部方案施工组织设计基本相同，不会因厂房位置而改变工程的关键线路,也就是说2个方案总工期相同。因首部方案增设尾水调压井，导致施工支洞和通风洞长度的增加,使地下厂房施工工期比尾部方案增加3～5个月,地下厂房系统需提前安排施工。
(3)工程造价
首部、尾部方案输水系统和地下厂房系统工程静态投资分别为：68848.17、61883.86万元，动态投资为95203.24万元、85076.23万元。首部方案与尾部方案相比，静态投资增加6964.31万元,动态投资10127.01万元。
首部和尾部开发方式综合技术经济比较见表1。
表1电站开发方式比较表
方案
首部方案
尾部方案
工
程
特
性
输水系统总长
m
2123.77
1859．28
高压管道长度
m
1188.11
1424．62
发电工况水头损失
m
18.045
20.152
是否设置调压井
需设尾水调压井,尾水事故闸门室与尾水调压井结合。
否
输水及地下厂房系统主要工程量
洞挖
万m3
77.58
58.29
砼
万m3
23.22
20.80
钢筋
t
11333
10471
钢衬
t
9062
10064
厂房预应力锚索
根
918
1182
水道预应力锚索
根
6562
4477
地下厂房位置
崮山组∈3g和张夏组∈3z2地层，埋深450m左右
张夏组∈3z2地层,埋深230m左右
工期
年
首部方案厂房工期比尾部方案长3-5个月,总工期相同
静态投资
万元
68848.17
61883.86
动态投资
万元
95203.24
85076.23
主要优缺点
1.厂房围岩地质条件相对较好。
2.高压管道较短。
3.需增设尾水调压井和尾水事故闸门。
4.各附属洞室及高压出线电缆较长。
5.总工期相同,但厂房工期增长。
6.投资较大,静态比尾部方案多6964.31万元，动态多10127.01万元。
1.厂房围岩地质条件相对较差。
2.高压管道较长。
3.不需设置调压井和尾水事故闸门室。
4.各附属洞室及高压出线电缆较短，比首部方案减少465m。
5.工程投资小。
从地形条件、地质条件、工程布置、工期、工程投资等方面综合比较可以看出，尾部方案明显优于首部方案，所以推荐尾部布置方案。
1.4供水方式比较
1.4.1引水道供水方式比较
在保证电能损失基本相等基础上，对一管四机、一管二机、一管一机3个方案进行比较。
一管四机方案的投资最少，但管径大，输水系统最大PD＝5360m2，钢管最大厚度达83mm（HT-80,）。已超过世界最高水平，无论从加工制造和现场安装都是很困难的。技术可行性比较差，另外，电站运行灵活性差，也不利于提前发电；一管一机方案管径小，钢管最大厚度为44mm，比较薄，制造、安装容易，且不设岔管，运行灵活，但工程量大，工程造价高，较一管两机方案投资增加6596.6万元；一管两机方案最大PD＝3800m2左右，钢衬厚度为40～60mm。类比国外工程，如日本的今市和蛇尾川电站的最大钢衬厚度都已达到62～64mm。所以无论从制造加工、现场安装条件来说，一管两机方案在技术上是可行的；较一管一机方案工程量少，投资省，因此本阶段引水道供水方式推荐一管两机方案。
1.4.2尾水隧洞数量比较
电站采用尾部开发方式，尾水隧洞较短，不需设尾水调压井。尾水隧洞比较了一机一洞、两机一洞、四机一洞三个方案。一机一洞方案不需另设尾水事故闸门，及尾水岔管，工程量小和投资最少，布置简单，运行灵活。故选用一机一洞布置方式。
1.5竖井、斜井方案比较
相应于选定的尾部开发方式，输水系统在立面布置上受P5和F112等不利地质构造的控制，为将P5和F112等地质构造对输水系统围岩稳定的影响减少至最小，对上竖井下斜井、上斜井下竖井、斜井、竖井4个布置方案进行了综合比较。比较结果见表2。
表2竖斜井综合比较表
方案
上竖井下斜井
上斜井下竖井
斜井
竖井
输水系统总长(m)
2023.68
1952.21
1859.28
2121.07
高压管道长度(m)
1589.02
1517.55
1424.62
1686.41
惯性时间常数Tw(s)
2.30
2.15
2.07
2.40
3#机组引水系统主要工程量
洞挖(万m3)
6.44
6.06
5.46
7.24
砼(万m3)
2.84
2.62
2.36
3.14
钢衬（t）
10137.0
8550.4
8009.8
11320.6
投资（万元）
25704.4
21725.1
20433.9
28812.3
优
缺
点
比
较
地
质
条
件
P5和F112在下平段与高压管道相交，围岩稳定条件较好，
P5可能与高压管道中平段相交，但F112与下竖井以小角度相交，围岩稳定条件较差.
P5可能与中下平段相交，围岩稳定条件较好，F112与下斜井大角度相交，对围岩稳定影响不大。
P5和F112在下平段与高压管道相交，围岩稳定条件较好，
施工
条件
高压管道成洞条件较好，但钢衬厚度较大，最大为62mm
下竖井围岩稳定条件较差，施工难度较大。钢衬厚度较薄，为57mm
下斜井上段围岩稳定条件较差，施工难度较大,钢衬厚度较薄，为57mm
高压管道成洞条件较好，但钢衬厚度较大，为59mm
工程量及费用
工程量较大。投资比3方案高5270.2万元
工程量较小。投资比3方案高1291.2万元
工程量最小。投资为20433.9万元
工程量最大。投资比3方案高8378.4万元
综合比较
地质和施工条件都比较好，但工程量与投资比较大。惯性时间常数也较大。
虽然工程量比较小，但下竖井难于避开F112。围岩稳定条件较
差。
工程量与投资最少，P5与中平段相交，围岩稳定条件较好。惯性时间常数最小。
，但工程量与投资最大。惯性时虽然围岩稳定条件较好间常数也最大。
斜井方案明显优于其它3个方案。P5、F112等构造对输水系统围岩稳定的影响相对其它方案是比较小的，且工程量和工程投资也是最小的，惯性时间常数最小，电站运行稳定性较好,所以设计推荐斜井方案。
2输水系统衬砌型式选择
通过供水方式综合比较，确定引水系统采用一管两机的供水方式，高压管道最大PD值高达3500m2以上。输水系统衬砌型式的确定对其造价有着举足轻重的影响。对于高PD值高压管道，衬砌型式的选择尤为重要。目前大PD高压管道常采用的衬砌型式有：钢筋砼衬砌、预应力砼衬砌、钢板衬砌等。
2.1砼衬砌方案的布置与设计
从经济角度来讲，充分利用围岩的弹性抗力，不衬或采用砼衬砌是比较经济的，但是砼衬砌对围岩的地质条件要求比较高，要想使砼衬砌可行，必须同时满足应力条件和渗透条件。砼衬砌方案的布置详见图3。
2.1.1应力条件
应力条件是指沿管线各点的最大静水压力要小于围岩的最小主压应力。为便于确定管线的布置，首先根据挪威准则初步验算覆盖层的厚度，再根据地应力资料最终确定输水系统管线布置。
对输水系统各控制点覆盖层厚度分别进行计算，除部分高压支管外，其它部位均能够满足挪威准则的要求。
为了解输水系统压力管道范围内的地应力情况，对输水系统上平段ZK97-27、中平段位置ZK97-26、下平段附近的ZK97-21等钻孔进行了地应力测试。高压管道埋藏较深的部分，最小主压应力皆大于内水压力静水头，是能够满足应力条件的。通过三维地应力场回归结果可知，岔管部位的最小主压应力为9.0MPa左右，大于内水压力静水头，也能满足应力条件。从地形、地质条件来讲，具备了采用钢筋砼衬砌条件，而高压支管部分，经过P5张性断裂带、F112、fp38等地质构造，且不能满足应力条件，所以岔管后的高压支管采用钢板衬砌。
2.1.2渗漏条件
渗漏条件是指输水系统渗漏量应在设计允许范围之内。本工程上、下水库皆为人工库，无天然径流补给，且下水库为悬库，高于滹沱河床180m左右，补水费用比较高。鉴于本工程特点，对渗漏条件要求比较高。
输水系统沿线上马家沟组（O2S2）、下马家沟组（O2X1）、冶里组（O2Y）、凤山组（∈3f）、崮山组（∈3g）地层岩溶相对比较发育，属中等透水～弱透水，占高压管道砼衬砌段长度的77%左右，渗透系数为0.8×10-5～1.2×10-5cm/s。尾水隧洞及高压管道下平段，发育有P5、F112、fp38、fp28、fp30、F207、fp11、fp13、F118、F114、F116、F209等地质构造，容易形成集中渗流通道。
地下水类型以基岩裂隙水为主，局部有少量岩溶裂隙水，主要接受大气降水补给。工程区O2S1-1、O2X1、O1L2—1、∈3C1、∈2Z2为相对隔水层，其间为相对含水层，在含水层底部存在少量上层滞水。由于输水系统位于西河—耿家庄宽缓背斜的轴部附近，地下水位很低，通过厂房平洞PD95-1内各钻孔水位长期观测结果，张夏组岩层的地下水位为716.0～719.0m,崮山组岩层地下水位为768.0～769.0m。
输水系统沿线大部分岩层属中等透水～弱透水，且地下水位比较低，为减少渗漏量，输水系统钢筋砼衬砌采用限裂设计，最大裂缝开展宽度为0.2mm。
(1)钢筋砼衬砌结构设计
根据钢筋、砼、围岩的变形协调条件，计算围岩、钢筋砼承担内水压力的比例，其中钢筋砼承担的内水压力按限裂设计，不足部分通过高压灌浆使衬砌产生预压应力来承担。钢筋砼衬砌计算结果见表3。输水系统钢筋砼衬砌采用限裂设计，最大灌浆压力为9.8MPa。目前我国采用灌浆压力最高的为天荒坪抽水蓄能电站，最高值为9.0MPa。南非的德拉肯斯保抽水蓄能电站预应力砼管，最大灌浆压力为8.0MPa,因此从结构方面来说除下斜井下部灌浆压力比较大外，钢筋砼衬砌基本是可行的。
表3钢筋砼衬砌计算结果
部位
R
(m)
Rr
(m)
Rs
(m)
P(MPa)
E(MPa)
Pr
(MPa)
Ps
(MPa)
Pg(MPa)
P0
(MPa)
中平段
2.35
2.95
2.29
6.45
8500
4.77
0.24
1.44
4.81
下斜井中下部
2.1
2.7
2.04
9.0
8000
6.30
0.28
2.42
8.00
下平段
2.1
2.7
2.04
10.1
6000
6.87
0.28
2.98
9.8
(2)输水系统渗漏量估算
采用钢筋砼衬砌还必须满足渗漏条件，按围岩与砼衬砌厚壁组合圆筒进行估算。输水系统沿线各段渗漏量估算结果见表4。从计算结果来看，整个输水系统渗漏量为6.064m3/s,单位管道长度平均渗漏流量为4.04×10-3m3/s.m。与站址选择补充报告中羊老蹄—李家庄方案输水系统三维有限元渗流计算结果（整个输水系统渗漏流量为10.484m3/s,单位管道长度平均渗漏流量为4.5×10-3m3/s.m）相当，说明渗漏量估算结果是基本可信的。
表4输水系统渗漏量估算结果
部位
围岩
渗透系数KR
10-6m/s
内径D
m
砼衬砌
厚度
m
各管段
长度L
m
单位管长
渗流量QC
m3/s.m
各段渗
漏流量
m3/s
上平段
10
4.7
0.6
318.12
0.000745
0.237×2
上竖井O2S1O2X2
10
4.7
0.6
140
0.00129
0.181×2
上竖井O2X1
0.004
4.7
0.6
120
0.0000169
0.002×2
上竖井O1L2
10
4.7
0.6
165.07
0.00297
0.490×2
中平段
10
4.7
0.6
92.98
0.00331
0.308×2
下斜井
8
4.2
0.6
349.63
0.00424
1.482×2
尾水隧洞
0.4
4.3
0.6
424.66
0.00039
0.166×4
合计
6.064
整个输水系统的渗漏流量是很大的，既使内水压力较低的上平段及尾水隧洞渗漏流量分别为0.474m3/s和0.664m3/s也是比较大的，整个输水系统每天渗漏量可达52万m3，占调节库容的12%,钢筋砼衬砌难以满足渗漏条件，应采用预应力砼或钢板等无渗漏衬砌型式。
2.2预应力砼衬砌
根据预应力的施加方法，预应砼衬砌可分为二种类型，一是依靠围岩约束，通过高压灌浆来施加预应力的高压灌浆法预应力砼衬砌；二是通过张拉预应力筋来实现预应力的后张法预应力砼衬砌，也称环形锚索预应力砼衬砌。
2.2.1高压灌浆法预应力砼衬砌
高压灌浆法预应力砼衬砌，能够利用围岩约束，充分发挥围岩的弹性抗力，利用高压灌浆在砼衬砌上产生的预压应力来抵消由内水压力产生的拉应力，使衬砌结构处于受压状态或拉应力不大于砼抗拉强度的状态。是一种比较经济的衬砌型式，但对围岩条件要求比较高。
高压灌浆法预应力砼衬砌计算结果见表5，通过计算可知，既使压力不太高的中平段，所需灌浆压力达11.72MPa，灌浆压力作用下，砼衬砌的压应力为51.3MPa，既使C60砼也不能满足强度要求。
表5高压灌浆法预应力砼衬砌灌浆压力计算成果
项目
单位
计算位置
引水隧洞
中平段
尾水隧洞
围岩单位弹性抗力系数K0
kN/cm3
2.5
2.8
1.0
设计内水压力P
MPa
1.18
6.45
1.16
洞径D
m
4.7
4.7
4.3
衬砌厚度
m
0.6
0.6
0.6
灌浆压力q0/设计内水压力p
1.88
1.82
2.23
灌浆压力q0
MPa
2.22
11.72
2.60
q0作用下砼衬砌的压应力σθ
MPa
15.31
51.3
10.7
备注
C30砼即可满足要求
既使C60砼也不能满足要求
C25砼即可满足要求
目前大规模灌浆所实现的压力为8～9MPa，11.72MPa以上的灌浆压力实现难度比较大，所以整个输水系统采用高压灌浆法预应力砼衬砌实现难度比较大，只有根据各段不同条件，采用不同的衬砌型式。
虽然上平段及尾水隧洞设计内水压力比较低，所需最大灌浆压力也不大，考虑到上平段位于上马家沟组地层，围岩分类属Ⅲb类，岩溶比较发育，高压灌浆难度比较大；尾水隧洞位于张夏组地层中，构造比较发育，围岩分类为Ⅲb类，构造发育部位为Ⅳ～Ⅴ类，围岩条件较差，且洞间距不大，所以对于上平段及尾水隧洞，也不推荐高压灌浆法预应力砼衬砌型式。
2.2.2环锚预应力砼衬砌
环锚预应力砼衬砌由于受锚具布置所限，能实现PD值不高，一般在1600m2以下，而本工程最大PD=3500m2以上，整个输水系统采用环锚预应力砼衬砌是难以实现的，只有PD值不高的部位可考虑。
环锚预应力砼衬砌是通过张拉预应力锚索来实现，内水压力基本由预应力锚索承担，对围岩条件要求比较低。上平段和尾水隧洞PD=510m2左右，据国内小浪底无粘结预应力混凝土衬砌及隔河岩有粘结预应力混凝土衬砌工程经验,预应力混凝土衬砌投资比钢板衬砌方案可节约30%左右。国外高压管道工程实践也证明了预应力混凝土衬砌比钢板衬砌方案可节省10%～30%的造价；经工程类比认为在此内水压力条件下进行后张预应力混凝土衬砌是可行的。从我国已完成的清江隔河岩、天生桥及正在施工的黄河小浪底排沙洞情况看，目前我国在设计、施工与材料方面均具备采用环锚预应力混凝土衬砌的条件，上平段及尾水隧洞PD值不高具各采用后张预应力混凝土衬砌的条件。技施阶段，考虑环锚衬砌施工工艺较复杂，而且需进行必要的试验，通过补充分析研究，上平段和尾水隧洞采用钢板衬砌。
2.3钢板衬砌
钢板衬砌也就是地下埋管，对围岩条件要求比砼衬砌方案低的多，钢衬方案布置见图5。地下埋管结构是按钢衬—砼—围岩联合作用，共同承担内水压力来设计。
通过过渡过程计算，压力管道末端的最大水击压力为944.47m水头。最大设计内水压力为10.15MPa高压管道最大PD=3553m2。经过计算，高压管道最大钢衬厚度为57mm（HT-80）。从国外工程实例可以看出，钢衬厚度大于57mm的工程实例比较多，最大的是日本的今市抽水蓄能电站钢衬厚度为77mm，且我国已建的十三陵抽水蓄能电站高压管道，已有较大规模采用80级钢材的经验，因此高压管道采用钢衬方案技术上是可行的。
2.4衬砌型式比较结论
(1)由于输水系统沿线围岩属中等透水～弱透水，且地下水位比较低，虽然采用钢筋砼衬砌在结构上是基本可行的，但渗漏比较严重。因此无论是从电能损失还是从运行期水量补给角度上看，钢筋砼衬衬都是不能满足要求的。
(2)为减少渗漏量，若输水系统全部采用高压灌浆法预应力砼衬砌，由于高压管道PD值比较大，即使压力不太高的中平段所需灌浆压力已将达11.72MPa，目前大规模灌浆所实现的压力一般最大为8～9MPa，整个输水系统采用高压灌浆法预应力砼衬砌实现难度比较大；且在灌浆压力作用下，砼衬砌的强度也难以满足要求。上平段及尾水隧洞设计内水压力比较低，所需最大灌浆压力也不大，但考虑到上平段岩溶比较发育，高压灌浆难度比较大；同时尾水隧洞围岩构造比较发育，围岩条件较差，且洞间距不大，所以对于上平段及尾水隧洞，也不推荐高压灌浆法预应力砼衬砌型式。
(3)高压管道采用钢板衬砌，所需最大钢衬厚度为57mm（HT-80），类比国外工程实例和我国设计、施工经验来看，这种规模的高压钢管技术上是可行的。
3经济管径比较
根据输水系统的具体情况，整个输水系统大至分为三段，即上斜井、下斜井和尾水隧洞。对上述各管段分别拟定三个管径方案，共组合成27个方案，采用费用现值最小法进行比较。从能量损失和电站运行稳定性考虑，6方案(上平段及上斜井为4.7m、中平段及下斜井为3.8m、高压支管为2.8m、尾水隧洞为4.3m)为较优方案。
由于高压管道的设计水头比较高，钢板衬砌厚度较大。为了降低PD值，减少钢板衬砌和钢岔管的设计、制造难度，在上述确定的输水系统管径方案的基础上，针对下斜井的洞径又作了进一步优化，将3.8m直径的下斜井分为2段，上段直径为4.2m，下段直径为3.5m，高压支管直径为2.5m。经对此方案经济分析与方案6相比，其费用现值减少了52万元；水头损失为20.15m，减少了2.28m；电站综合效率提高到0.75，明显较优。
最终确定输水系统管径为：上平段及上斜井为4.7m、中平段及下斜井上段为4.2m、下斜井下段及下平段为3.5m、高压支管为2.5m、尾水隧洞为4.3m。
4水力计算
输水系统水力计算主要包括水头损失和水力过渡过程分析两部分。计算的主要目的是预测整个输水系统发电、抽水工况的能量损失，过渡工况机组转速变化和输水系统压力变化及其极值，选定导水机构合理调节时间和启闭规律，使输水系统结构设计和机组参数的确定做到经济合理。
4.1水头损失计算
水头损失包括沿程水头损失和局部水头损失，水头损失计算结果见表6。
表6输水系统水头损失计算结果
工况
1#输水系统
2#输水系统
双机发电
双机抽水
双机发电
双机抽水
水头损失计算公式
1.6481×10-3Q2
1.7698×10-3Q2
1.6134×10-3Q2
1.7366×10-3Q2
流量(m3/s)
111.76
93.28
111.76
93.28
水头损失值(m)
20.585
15.400
20.152
15.110
注：Q为2台机组的相应引用流量。
4.2水力过渡过程计算
由于抽水蓄能电站具有一机多用，工况转换频繁的特点，复杂多变的工况转换产生的瞬变水力过程，因水体惯性的存在及系统中的能量不平衡，将造成输水系统内水压力急剧上升或下降和机组转速的急剧上升。为使输水系统的压力上升和机组转速上升保持在经济合理的范围内，选定导水机构合理调节时间和启闭规律，因此本阶段委托清华大学进行各工况的水力过渡过程计算。计算成果如下:
（1）输水系统最大水击压力为944.47m水头，发生在机组蜗壳进口管道中心线处。压力升高值为201.11m水头，相对升高为27.1%。高压管道上弯点中心线最小压力为11.81m水头，上弯点顶部的最小水头为9.46m，大于规范规定的不小于2.0m正压的要求。输水系统的最小水击压力为6.86m水头，发生在下水库进/出水口处。
（2）上游闸门井最高涌浪水位为1496.91m，低于闸门井顶高程（1499.5m）2.59m。下游闸门井最高涌浪水位为843.73m，低于闸门井顶高程(844.5m)0.77m；上游闸门井的最低涌浪水位为1438.65m，闸门井处隧洞顶最小正压力为25.3m。下游闸门井的最低涌浪水位为788.84m，闸门井处隧洞顶最小正压力为5.79m。上、下游闸门井的最低水位均满足规范规定的不小于2.0m正压的要求。
(3)机组最大转速为706.5rpm，最大转速上升率为41.3%。
(4)通过小波动稳定分析可知，在小负荷变化情况下，输水系统的过渡过程也是稳定的。
因此证明输水系统的布置是合理的。待下阶段取得水泵水轮机可靠的特性曲线后，将进一步核算水力过渡过程。
5进/出水口设计
上水库位于上马家组第2段O2s2地层中,由于O2s地层中O2s2-2、O2s2-4、O2s2-6为岩性较软的白云岩，而且存在软弱夹层，为使高压管道的上平段避开O2s2-4组地层，改善上平段围岩稳定条件，结合总体布置，上水库进/出水口采用井式。
为了对上水库进/出水口的设计体形的合理性进行验证和优化，委托天津大学水利工程科学研究所对上水库进/出水口进行1:39.17的水工模型试验，试验成果表明：上水库进/出水口在发电和抽水工况下，进/出水时的库水位均较平稳，未出现有害的吸气漩涡，各孔口的流量分配均匀，水头损失也较小，流速分布较均匀，均能满足抽水蓄能电站进/出水口水力学的要求。但是，经多次修改模型试验，均未能完全消除出水口底部的反向流速问题，虽然反向流速不大，仍有待下阶段进一步试验研究。
下水库对侧式和塔式进/出水口进行综合比较后，推荐侧式进/出水口。
6岔管设计
本阶段比较了钢筋混凝土岔管和钢岔管两种结构型式，详见专题报告之八《高压岔管型式研究报告》。推荐采用内加强月牙肋钢岔管。从输水系统总体布置（见图4）来看,岔管采用非对称Y型是比较顺畅的。在岔管体形设计时，初步选用不对称Y形岔管。岔管主管两支管轴线夹角为50°，设计内水压力为10.15Mpa，为减少岔管不对称性，在主锥前通过两节园锥过渡，将分岔角增大到72°。通过采用三维有限元进行优化，岔管主体最大壁厚为82mm，肋板最大厚度为180mm。在钝角区和肋板存在明显侧向弯曲。为改善受力状态，减少钢板厚度，对岔管布置进行调整，采用对称Y形布置形式，经多方案优化后，确定岔管主体最大壁厚为68mm，肋板最大厚度为150mm，两个岔管布置方案应力水平相当，而钢板厚度却大大减薄。减少了制造安装难度。
7输水系统结构设计
7.1高压管道结构设计
压力管道为地下埋藏式，最大PD=3500m2以上。按钢衬、砼、围岩三者联合受力设计，考虑三者之间存在初始缝隙，并假定砼只传递径向荷载，砼厚度均为57cm。根据《水电站压力钢管设计规范》（SDJ144-85）和参考已建抽水蓄能电站经验进行压力钢管设计。
