農(nóng)村水電站的設(shè)計探討

裴成道，金龍哲， 呂悅慧，鄭立坤

（1.吉林省通化市地方水電管理站，通化 134001；2.吉林省長白朝鮮族自治縣水利局，長白 134400）

我國東北地區(qū)疆域遼闊，河流眾多，蘊藏著極為豐富的水能資源。建國60多年來，水電事業(yè)取得了長足的發(fā)展，已成為我國能源的重要組成部分，特別是水電農(nóng)村電氣化工作在全國的普遍開展，為節(jié)能環(huán)保的小水電事業(yè)提供了一個良好的契機，國家投入大量的資金支持小水電的發(fā)展，如何用好這筆資金，發(fā)揮其最大的經(jīng)濟效益，對我國的能源建設(shè)具有十分重要的意義。但是近年來我國農(nóng)村微型水電站在設(shè)計和規(guī)劃上存在很多問題：比如設(shè)計深度不夠、水文資料不全，設(shè)備選型不合理，大馬拉小車或小馬拉大車現(xiàn)象較普遍，夏季豐水期棄水、枯水期停機，汛期垮壩，給人民生命財產(chǎn)造成了很大損失。因此農(nóng)村微型水電站要達到科學(xué)有效地利用水能資源的目的，首先，在設(shè)計上要充分掌握水文資料，電站設(shè)計方案的比較要科學(xué)合理,自動化程度和環(huán)保節(jié)能要達到水利部 《農(nóng)村水電技術(shù)現(xiàn)代化指導(dǎo)意見》的要求。下面就農(nóng)村微型水電站在設(shè)計方面應(yīng)注意的幾個問題進行探討。

1 溢流壩、沖砂閘及進水閘布置

1.1 溢流壩

在徑流式電站溢流壩壩型選擇上，用三個壩型比較后確定，一、漿砌石面板重力壩；二、砼面板堆石壩；三、砼支墩壩。溢流壩設(shè)計標準要達到二十年一遇，校核為三十年一遇。壩的設(shè)計不要太高，按設(shè)計引用容量來設(shè)計。

1.2 進水閘布置

進水閘為鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，進水口前布置一道或兩道攔污柵，攔污柵面積要閘門的3倍為好，防止漂浮物進入引水洞（引水渠道）。

1.3 沖砂閘布置

設(shè)計左沖砂閘底板高程比進水口底板高程要低0.7米右，進水口在河的左岸時沖沙閘要布置在靠近河的右岸，進水口在河的右岸時沖沙閘要布置在靠近河的左岸，防止沖沙閘排雜物時進水口堆滿雜物。

2 水輪機的選擇

水輪機是水電站一個十分重要的設(shè)備，水流的動能和勢能轉(zhuǎn)換成機械能就是通過水輪機來實現(xiàn)的。水輪機選擇合理與否，直接影響到機組的效率和運行的安全性和經(jīng)濟性。

2.1 水輪機臺數(shù)的確定

農(nóng)村水電站機組臺數(shù)與電站的投資、運行維護費用、發(fā)電效益以及運行人員的組織管理等有著密切的關(guān)系。多年設(shè)計和運行經(jīng)驗表明：東北農(nóng)村微型水電站機組臺數(shù)一般為1～4臺，且型號應(yīng)盡量相同，以利于零部件通用和維修管理，其中每座電站2臺機組居多。而且必須要選一臺冬季 （枯水期）能保證出力的小機組，因為冬季基本上最枯季節(jié)來水量很小。

2.2 水輪機型號的選擇

水輪機型號的選擇合理與否，直接影響到水輪機的運行效率、汽蝕和振動等。選擇型號時，既要考慮水輪機生產(chǎn)廠家的技術(shù)水平和運輸?shù)姆奖愠潭?，又要確保水輪機常處于較優(yōu)的運行工況，即盡量處于水輪機運轉(zhuǎn)特性曲線圖的高效區(qū)。尤其是機組運行時，水頭的變化不要超過水輪機性能表的水頭范圍，否則會加劇水輪機汽蝕和振動，降低水輪機效率。

2.3 機組安裝高程的確定

水輪機的安裝高程過大，則理論吸出高度（hs）偏小，水輪機安裝偏低，加大廠房基礎(chǔ)開挖量；反之，若水輪機的安裝高程偏小，則理論吸出高度（hs）偏大，會引起水輪機可能在運行時轉(zhuǎn)輪產(chǎn)生汽蝕、振動等不良現(xiàn)象，因而縮短機組的運行壽命。

根據(jù)水利電力出版社出版的小型水電站 （中冊）水輪機部分，第二章、第二節(jié)水輪機允許吸出高度的計算方法公式進行計算：

①臥式機組：▽安=Z下+hs-▽/900-D/2

②立式機組：▽安=Z下+hs-▽/900

式中Z下——尾水渠最低水位（m）；

hs——水輪機理論吸出高度（m），查水輪機應(yīng)用

范圍圖及 hs=f（H）曲線；

D——水輪機轉(zhuǎn)輪直徑（m）；

▽——水電站廠房所在地的海拔高程（m）。

為了消除或減輕水輪機汽蝕，可將計算出的▽按降低0.2～0.3m確定安裝高程。

2.4 調(diào)速器的選擇

我國水輪機調(diào)速器的發(fā)展經(jīng)歷了由機械液壓調(diào)速器、電子管電液調(diào)速器、晶體管電液調(diào)速器、集成電路電液調(diào)速器和微機調(diào)速器等幾個階段。大多屬于并列PID電子調(diào)速器式系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，但其伺服系統(tǒng)已由開始的電液隨動系統(tǒng)單一模式發(fā)展為目前的多種形式，使微機調(diào)速器的伺服系統(tǒng)呈顯出多樣化的局面。根據(jù)電液轉(zhuǎn)換元件的不同可以分為電液伺服系統(tǒng)和數(shù)液伺服系統(tǒng)。而且傳統(tǒng)的低油壓水輪機調(diào)速器及油壓裝置現(xiàn)在發(fā)展為高油壓水輪機調(diào)速器。高油壓調(diào)速器具有十分顯著的技術(shù)經(jīng)濟優(yōu)勢：

（1）高油壓水輪機調(diào)速器應(yīng)用了電液比列隨動裝置，電液數(shù)字隨動裝置等現(xiàn)代電液控制技術(shù)，減少了調(diào)速器的液壓放大環(huán)節(jié)、結(jié)構(gòu)簡單、工作可靠，具有優(yōu)良的速動性及穩(wěn)定性。

（2）高油壓水輪機調(diào)速器的液壓元器件為大批量工業(yè)化生產(chǎn)、具有強大的技術(shù)支撐，質(zhì)量可靠；標準化程度高，國內(nèi)外產(chǎn)品資源豐富、采購方便。

（3）高油壓水輪機調(diào)速器的工作油壓高，因而體積小，重量輕，用油量也小，電站布置方便，美觀，工作油壓10MPa—16MPa。

（4）采用囊式畜能器儲能，膠囊內(nèi)所充氮氣與液壓油不直接接觸，這樣不僅使液壓油因不易老化而延長了使用壽命，還不需設(shè)置高壓空氣系統(tǒng)，使電站節(jié)約一筆可觀的投資和運行費用。

因此電站最好選擇微機控制的高油壓水輪機調(diào)速器，發(fā)電機單機容量小于320kW不用調(diào)峰的電站也可選擇彈簧儲能操作器 ，他可與微機相聯(lián)后實現(xiàn)自動關(guān)機和開機,減少投資。

2.5 勵磁系統(tǒng)的選擇

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，同步發(fā)電機勵磁系統(tǒng)大概分為三個階段，即直流勵磁系統(tǒng)方式，交流勵磁系統(tǒng)方式，半導(dǎo)體靜止勵磁方式。半導(dǎo)體靜止勵磁方式是可控硅勵磁（交流勵磁系統(tǒng)）大容量發(fā)電機，現(xiàn)在基本上都選用可控硅勵磁的勵磁方式，因為可控硅勵磁容量要比硅整流勵磁的大得多。

單機容量小于320kW的電站要選擇無刷勵磁系統(tǒng)，因為無刷勵磁系統(tǒng)沒有滑環(huán)與碳刷等滑動接觸部件，轉(zhuǎn)子電流不再受接觸部件技術(shù)條件的限制，因此特別適合于小容量發(fā)電機組，運行費用低。

3 電氣主接線的擬定

電站的電氣主接線是運行人員進行各種操作和事故處理的重要依據(jù)之一。農(nóng)村微型水電站裝機容量往往有限，一般裝機臺數(shù)不超過4臺，相應(yīng)電站的電壓等級和回路數(shù)以及主變的臺數(shù)都較少?？紤]到小水電站 （尤其是單機100 kW以下的微型電站）的機電設(shè)備供應(yīng)比較困難，運行和管理人員的文化及業(yè)務(wù)素質(zhì)普遍較低，要熟練掌握操作、檢修、處理故障及優(yōu)化運行等技術(shù)難度較大。因此，農(nóng)村小水電站的電氣主接線在滿足基本要求的前提下，應(yīng)力求采用簡單、清晰而又符合實際需要的接線形式。

對于1臺機組，宜采用發(fā)電機—變壓器組單元接線；對于2～3臺機組，宜采用單母線不分段接線，共用1臺主變；對于4臺機組，宜采用2臺主變用隔離開關(guān)進行單母線分段，以提高運行的靈活性。

4 變壓器選擇

選擇變壓器容量時比發(fā)電機額定容量的125%來選擇，比如發(fā)電機容量320千瓦時應(yīng)選500kVA變壓器，這樣變壓器運行溫度正常、使用壽命長等優(yōu)點并且變壓器損耗相對小。

5 電力電纜選擇

電力電纜選擇時必須鎧裝銅芯電纜，并且每平方毫米按2安培來選比較安全合理，電纜不發(fā)熱。

6 發(fā)電機保護屏選擇

一般小型電站裝機容量都比較小，電站的發(fā)電機的測量、監(jiān)視表計、斷路器、互感器及保護裝置以及勵磁電流和勵磁電壓等的監(jiān)視和測量、同期裝置等都要裝在發(fā)電機控制屏上（三合一屏）。

7 微機綜合自動化保護裝置

在農(nóng)村小型水電站實際運行過程中，由于主、客觀的因素，可能發(fā)生故障和不正常運行狀態(tài)。最常見的故障是各種不同形式的短路故障，短路故障可能造成下列嚴重后果：

（1）電力系統(tǒng)中部分地區(qū)的供電電壓大大地降低，破壞電能用戶的正常工作，甚至使生產(chǎn)出現(xiàn)大量廢品。

（2）由于故障點流過很大的短路電流而產(chǎn)生電弧，使故障設(shè)備燒壞。

（3）由于故障電流很大，因此產(chǎn)生熱和電動力的作用，常使故障元件和某些非故障元件破壞或損傷，從而縮短使用壽命。

（4）破壞電力系統(tǒng)各發(fā)電廠之間并列運行的穩(wěn)定性，這是最嚴重的后果，它往往使整個電力系統(tǒng)瓦解，造成大面積停電。

人們?yōu)榱搜杆俚厍谐收?，常采用繼電保護裝置。因為他能迅速地、自動地將故障元件從電力系統(tǒng)中切除，保證非故障部分的正常運行，大大提高了供電的可靠性，使故障元件免于繼續(xù)受到損壞，這是繼電保護的第一個任務(wù)。

除故障情況之外，在電力系統(tǒng)中還往往出現(xiàn)不正常的工作狀態(tài)，最常見的是負荷電流超過元件的額定電流引起的過負荷，如果長期處于這種不正常的工作狀態(tài)，則引起元件絕緣老化，甚至使元件的絕緣損壞而造成故障，這是不允許的。其次是發(fā)電機的出力不足引起的頻率降低，水輪發(fā)電機突然甩負荷產(chǎn)生的過電壓等。這是不正常的工作狀態(tài)，必須及時地發(fā)現(xiàn)，并進行處理，以免造成事故。因此，微機綜合自動化保護的第二個任務(wù)就是在不正常運行狀態(tài)時自動地、有選擇性地、帶延時地發(fā)出信號。因此農(nóng)村小水電站微機綜合自動化護必須達到四點：選著性、快速性、靈敏性、可靠性。

農(nóng)村微型水電站主保護裝置的配置應(yīng)在滿足繼電保護基本要求的前提下，力求簡單可行、維護檢修方便、造價低及運行人員容易掌握等。

7.1 過電流保護

實現(xiàn)水電站無人值班，水電站應(yīng)有 “可靠”、自動的控制系統(tǒng)，完善的保護系統(tǒng)和可靠的電源，能在最不利的情況下保證發(fā)電機組的斷路器跳開、運行的機組正常停運，導(dǎo)葉前的進水閥或快速閘門關(guān)閉，微機綜合自動化保護達到三遙功能（遙信、遙測、遙控），單機800 kW以下的機組，可以采用自動空氣斷路器的過電流脫扣器作為過流及短路保護，其動作整定值可以通過調(diào)整銜鐵彈簧拉力來整定，整定值一般為發(fā)電機額定電流的1.35～1.7倍。為了提高保護的可靠性，還可采用過流繼電器配合空氣斷路器欠壓脫扣器作過流及短路保護，繼電器線圈電源取自發(fā)電機中性點的1組（3只）電流互感器，繼電器動作值亦按發(fā)電機額定電流的1.35～1.7倍整定。

原理：當發(fā)電機出現(xiàn)短路故障時，通過過流繼電器線圈的電流超過其動作值，過流繼電器常閉接點斷開，空氣斷路器失壓線圈失電而釋放，跳開空氣斷路器主觸頭，切除故障元件——發(fā)電機。

7.2 變壓器過載、短路保護

變壓器高壓側(cè)采用跌落式熔斷器（或SN10-10型少油斷路器）作過載、短路保護。運行經(jīng)驗表明，額定電壓為6～10 kV的跌落式 熔斷器只能用在560 kVA及以下的變壓器,額定電壓為10 kV的跌落式熔斷器只能用在750 kVA及以下的變壓器。當變壓器容量超過750 kVA時，應(yīng)采用油斷路器。跌落式熔斷器熔絲按下列公式選擇：

當 Se＜100 kVA 時，熔絲額定電流=（2～2.5）×高壓側(cè)額定電流；

當Se≥100 kVA時， 熔絲額定電流=（1.5～2）×高壓側(cè)額定電流。

7.3 變壓器的防雷保護

由于變壓器上可能出現(xiàn)正、逆變換波的過電壓，為了防止雷擊線路和變壓器，對Y/Y、Y/Y0接線的變壓器，均應(yīng)在其高低壓側(cè)各裝設(shè)1組（3只）閥型避雷器FS3-10和FS-0.38。避雷器越靠近變壓器安裝，防雷效果越好，可以將高低壓側(cè)避雷器安裝在變壓器頂蓋邊上，再將變壓器外殼、避雷器引下線和變壓器中性點連接在一起后，三者共同接地。一般接地引下線采用T-16線或GJ-25線。

8 結(jié)語

東北地區(qū)的農(nóng)村水電站，由于四季溫差及水量變化大，有其自身的變化規(guī)律，因此在設(shè)計過程中要充分考慮這一點，即：①溢流壩設(shè)計標準要達到二十年一遇，校核為三十年一遇；②攔污柵面積要閘門面積的3倍為好，沖砂閘底板高程比進水口底板高程要低0.7米；③機組臺數(shù)一般為1～4臺，且型號應(yīng)盡量相同；④水輪機安裝可將計算出的▽按降低0.2～0.3m確定安裝高程；⑤單機容量小于320KW的電站要選擇無刷勵磁系統(tǒng)、電氣主接線的擬定對于1臺機組，宜采用發(fā)電機—變壓器組單元接線。對于2～3臺機組，宜采用單母線不分段接線，共用1臺主變。對于4臺機組，宜采用2臺主變用隔離開關(guān)進行單母線分段，以提高運行的靈活性；⑥電站主保護裝置的配置應(yīng)在滿足繼電保護基本要求的前提下，力求簡單可行、維護檢修方便、造價低及運行人員容易掌握。在保證安全合理的前提下，以最小的投入換取最大的經(jīng)濟效益，以達到科學(xué)有效地利用水能資源的目的。

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[3]水利部《水電農(nóng)村電氣化標準》（SL30-2003）水國科[2003]296號.

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