水電站電氣一次設(shè)計(jì)的研究

歐陽(yáng)帆

摘 要：隨著我國(guó)國(guó)民經(jīng)濟(jì)的迅速發(fā)展，能源瓶頸問(wèn)題已經(jīng)成為當(dāng)前制約經(jīng)濟(jì)發(fā)展的重要問(wèn)題。水力發(fā)電因具有環(huán)保、一次能源低廉、循環(huán)再利用、綜合效益高等突出優(yōu)點(diǎn)而得到了國(guó)家政策的大力扶持。水電站電氣一次設(shè)計(jì)是水電站設(shè)計(jì)的重要組成部分，本文主要是從小型水電站的發(fā)展?fàn)顩r及特點(diǎn)出發(fā)，對(duì)水電站的400V電氣主接線、電氣設(shè)備選型布置及廠用電接線等重點(diǎn)問(wèn)題，作了較詳細(xì)的闡述，并提出了解決方案，結(jié)果表明該研究能使水電站的運(yùn)行更加安全和可靠。

關(guān)鍵詞：小型水電站；電氣一次設(shè)計(jì)；電氣主接線；廠用電接線

1. 前言

近年來(lái)，小型水電站得到了空前發(fā)展。單機(jī)500kW以下、出口電壓為400V的小型水電站有著廣闊的發(fā)展前景，也是私人資本介入的重點(diǎn)。小型水電站與單機(jī)1000kW以上，出口電壓為6.3kV的小型水電站相比，它在調(diào)速、勵(lì)磁、機(jī)組保護(hù)以及水機(jī)自動(dòng)化等方面都大為簡(jiǎn)化，在電氣一次設(shè)計(jì)中，如何節(jié)省投資和滿足電站安全高效的運(yùn)行，成為設(shè)計(jì)中需要重點(diǎn)解決的問(wèn)題。

2. 水電站概況

小型水電站一般都位于邊遠(yuǎn)山區(qū)，近區(qū)負(fù)荷很小，主運(yùn)行方式通常采用就近升壓并入10kV當(dāng)?shù)仉娋W(wǎng)運(yùn)行，由于發(fā)電機(jī)的出口電壓為400V，發(fā)電機(jī)發(fā)電時(shí)便可直接供J一區(qū)負(fù)荷。調(diào)速器一般不具有自動(dòng)調(diào)頻的功能，主接線通常采用發(fā)電機(jī)組主變擴(kuò)大單兀接線。

3. 電氣主接線設(shè)計(jì)

小型水電站的電氣主接線應(yīng)滿足如下條件：(1)在機(jī)組故障檢修、水電站枯水或者低負(fù)荷時(shí)，每臺(tái)發(fā)電機(jī)都有停機(jī)的可能，因此要求發(fā)電機(jī)之間直接或間接的實(shí)現(xiàn)并列，以便相互備用，也就是為電網(wǎng)提供必要的可靠的電源。(2)負(fù)載線路必須保持連續(xù)供電，不能任意的切斷或失去電源，要求每一條負(fù)載線路都能從任意一臺(tái)發(fā)電機(jī)獲得電源，并能夠在電源之間進(jìn)行合理的負(fù)荷分配。由此可見(jiàn)，如果有同級(jí)電壓的若干電源進(jìn)線和若干負(fù)荷出線，只要將各進(jìn)出線并接，便能夠基本實(shí)現(xiàn)發(fā)電機(jī)之間并列和負(fù)載連續(xù)供電的要求。（3）并列在一起的各主要電力元件如發(fā)電機(jī)、變壓器以及線路等在正常運(yùn)行時(shí)任一元件的投入或者切出都不宜干擾和影響其余部分的正常工作。但當(dāng)某元件發(fā)生故障時(shí)，只需切除發(fā)生故障的回路，這樣不會(huì)使停電事故擴(kuò)大而破壞其余部分的正常工作，因此在各主要電力元件回路中安裝一種能夠投切負(fù)荷電流以及短路電流的多功能開(kāi)關(guān)電器，也就是斷路器。(4)斷路器承擔(dān)著電路中投切負(fù)荷電流以及短路電流的繁重任務(wù)，因此需要較頻繁的檢修和維護(hù)，并且各主要電力元件有時(shí)也要檢修和測(cè)試，這些被檢修部分一般脫離電源，并與電源側(cè)保持足夠、明顯可見(jiàn)的間隙，因此在斷路器或主要電力元件的電源側(cè)安裝可提供此種檢修間隙的隔離開(kāi)關(guān)。（5）發(fā)電機(jī)中性點(diǎn)接地變壓器也是電氣主接線設(shè)計(jì)的一部分，它不但可以對(duì)因接地電弧所引起的過(guò)電壓值進(jìn)行有效的限制，還可以對(duì)發(fā)電機(jī)單向接地發(fā)生故障時(shí)的電流進(jìn)行限制，從而防止發(fā)電機(jī)因發(fā)生故障而被燒壞，同時(shí)也可以避免出現(xiàn)諧振過(guò)電壓現(xiàn)象。由一個(gè)主要電力元件及其斷路器和隔離開(kāi)關(guān)等組成的電路是構(gòu)成電氣主接線的最小接線部分。接線單元按不同方式構(gòu)成的基本接線形式有單母線、雙母線、橋式接線、單元接線和環(huán)形接線等多種形式。水電站的容量越大，主接線形式越要滿足電力系統(tǒng)的需要。

3. 廠用電接線設(shè)計(jì)

如果廠用變壓器接在發(fā)電機(jī)電壓母線上，便要考慮當(dāng)母線發(fā)生故障時(shí)，能夠盡量保證大部分廠用機(jī)械能繼續(xù)工作。小型水電站的廠用變壓器選用10～110kv，一般僅一級(jí)電壓供電，它的容量較小而且不經(jīng)常切換，因此其高壓側(cè)通常采用熔斷器作為操作保護(hù)設(shè)備。一般情況下，廠用電母線需要分段，使廠用電負(fù)荷均勻分布在兩段母線上，每一分段母線上都要有獨(dú)立的工作電源(由發(fā)電機(jī)通過(guò)廠用變壓器引出)和備用電源，并裝設(shè)有備用電源自動(dòng)投入裝置。單機(jī)容量在1000kW及以下的小型水電站，可只設(shè)一個(gè)廠用電源。廠用電接線中應(yīng)盡量使對(duì)負(fù)荷供電的線路最短以便節(jié)省電纜和導(dǎo)線，減小線路中的損耗和便于運(yùn)行管理，若在負(fù)荷較集中處設(shè)置有分盤或配電箱，便將分散的負(fù)荷盡量接到就近的分盤或配電箱上。

4. 電氣一次設(shè)備選型和布置

機(jī)組控制保護(hù)屏、勵(lì)磁屏、主變控制保護(hù)屏、低壓屏等通常采用機(jī)旁現(xiàn)場(chǎng)布置。這樣可充分利用空間、節(jié)約廠房土建面積。主變采用室外落地布置，在進(jìn)行施工圖的詳細(xì)設(shè)計(jì)時(shí)可將高壓設(shè)備出線高程移動(dòng)到和主變相同的高程，這樣可以在施工時(shí)節(jié)省一定的施工量，并可以加快施工進(jìn)度，高壓10kV設(shè)備少、體積小、安裝技術(shù)成熟、價(jià)格低廉，與室內(nèi)高壓柜布置相比，采用室外中式桿上布置既合理利用了室外山地，又大大節(jié)省了廠房土建費(fèi)用和一次設(shè)備費(fèi)用，這是一種比較理想的布置方式。當(dāng)然，如果水電站位置確實(shí)比較狹窄，也可以考慮室內(nèi)布置。

5. 互感器設(shè)置

為了滿足變電站保護(hù)和計(jì)量的需要，需要設(shè)置一組電流互感器，采用0．2／B雙次級(jí)。斷路器配套互感器由于容量小、精度低、穩(wěn)定性差，不宜與戶外斷路器合用，建議單獨(dú)設(shè)置。在斷路器并網(wǎng)側(cè)設(shè)置一組電壓互感器，主要滿足：

(1)變電站高壓側(cè)監(jiān)測(cè)和計(jì)量；

(2)變電站高壓側(cè)電壓和頻率保護(hù)；

(3)變電站保護(hù)、信號(hào)和斷路器的交流操作電源。

特小型水電站并網(wǎng)點(diǎn)一般會(huì)就近梯接于lOkV線路，因此電力部門計(jì)量點(diǎn)一般會(huì)選在電站與電網(wǎng)的產(chǎn)權(quán)分界處，由一組專門電壓電流組合式互感器來(lái)?yè)?dān)負(fù)計(jì)量工作。

6. 水機(jī)自動(dòng)化和發(fā)電機(jī)保護(hù)

(1)水輪發(fā)電機(jī)組采用兩支點(diǎn)滾動(dòng)軸承，與傳統(tǒng)三支點(diǎn)滑動(dòng)軸承相比，這種支承型式由于取消了軸溫監(jiān)測(cè)、簡(jiǎn)化了自動(dòng)化回路、具有機(jī)組軸向尺寸緊湊、價(jià)格低廉、軸溫穩(wěn)定、壽命長(zhǎng)、維護(hù)簡(jiǎn)單等顯著優(yōu)點(diǎn)，因此近年來(lái)在小型機(jī)組中得到了廣泛的應(yīng)用。

(2)機(jī)組設(shè)過(guò)流、過(guò)壓、失壓保護(hù)。機(jī)組操作電源通常取自發(fā)電機(jī)出口，在機(jī)組內(nèi)部或母線處發(fā)生短路。發(fā)生故障時(shí)，因出口電壓很低，由失壓保護(hù)來(lái)確保低壓斷路器跳閘。

(3)根據(jù)小型水電站的特點(diǎn)，選用手、電兩用直接傳動(dòng)型調(diào)速器，無(wú)中間放大環(huán)節(jié)，既節(jié)省了投資，又滿足了自動(dòng)化要求。電動(dòng)裝置的設(shè)置，使運(yùn)行人員能夠集中控制機(jī)組開(kāi)度，為樣便減輕了勞動(dòng)強(qiáng)度。在機(jī)組和主變發(fā)生故障跳閘時(shí)，聯(lián)動(dòng)關(guān)閉導(dǎo)葉，便可縮短機(jī)組停機(jī)時(shí)間、控制飛逸時(shí)間以及保證了機(jī)組運(yùn)行在正常范圍內(nèi)，延長(zhǎng)了機(jī)組壽命。

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