小型水電站改造電氣設(shè)計(jì)研究

梁芳

(廣州市水務(wù)規(guī)劃勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，廣東 廣州 510640)

小型水電站是我國(guó)的電力系統(tǒng)的重要組成部分，其具有投資小、建設(shè)周期短、見效快等特點(diǎn)。但是因?yàn)槎喾矫娴脑?，大量的老式小型水電站電氣設(shè)備已經(jīng)開始老化，并且能效也逐年降低，因此有必要對(duì)此類小型水電站進(jìn)行電氣設(shè)備的改造更新。小型水電站的改造是一個(gè)復(fù)雜且系統(tǒng)的過程，我們要經(jīng)過縝密地分析才能制定改造方案，對(duì)小型水電站的改造要有足夠的重視。

1 水輪發(fā)電機(jī)增效擴(kuò)容改造的合理選取

增效擴(kuò)容的水電站大多建于上世紀(jì)，由于當(dāng)時(shí)材料、工藝、技術(shù)和設(shè)計(jì)水平的限制，設(shè)備經(jīng)過幾十年的運(yùn)行后，出現(xiàn)發(fā)電機(jī)絕緣老化、溫升高、定子鐵心松動(dòng)、效率下降等問題，影響電站的安全運(yùn)行。但各個(gè)電站由于運(yùn)行管理水平和生產(chǎn)廠家的技術(shù)不同，出現(xiàn)的問題也各不相同，因此需要認(rèn)真分析，找出主要原因"對(duì)癥下藥"。

1.1 發(fā)電機(jī)的整體更新

水輪發(fā)電機(jī)增效擴(kuò)容最簡(jiǎn)單的方法是在維持機(jī)座不變、轉(zhuǎn)速不變、埋入部件不動(dòng)的情況下，按照全新的設(shè)計(jì)整體更換（發(fā)電機(jī)所有部件），但其一次性投資大，既浪費(fèi)資金，也浪費(fèi)公共資源。

1.2 定子繞組轉(zhuǎn)子繞組的改造

在發(fā)電機(jī)增效擴(kuò)容改造中，要求增容后機(jī)組轉(zhuǎn)速保持不變，因此發(fā)電機(jī)極對(duì)數(shù)也維持不變。要達(dá)到增容的目的，對(duì)原定子繞組必須進(jìn)行改變，增大繞組線規(guī)，降低繞組電阻，使繞組電阻發(fā)熱總量不高于原繞組。同時(shí)改變絕緣浸漆工藝，將B級(jí)絕緣等級(jí)提高到F級(jí)，采用新型的耐壓高、介質(zhì)損耗低的絕緣材料，減薄絕緣厚度，為增大線規(guī)騰出空間。

1.3 通風(fēng)冷卻系統(tǒng)的改造

發(fā)電機(jī)通風(fēng)冷卻系統(tǒng)的好壞，對(duì)發(fā)電機(jī)溫升和擴(kuò)容也有較大的影響。早期的發(fā)電機(jī)冷卻器和風(fēng)機(jī)由于受當(dāng)時(shí)技術(shù)水平的限制，通風(fēng)冷卻系統(tǒng)存在不少弊病，散熱效果差、效率低、噪音大，長(zhǎng)期運(yùn)行后會(huì)在冷卻器內(nèi)部發(fā)生結(jié)垢、銹蝕、堵塞等現(xiàn)象，使冷卻效果進(jìn)一步下降，機(jī)組溫升上升。

1.4 定子鐵芯的改造

定子鐵芯出現(xiàn)故障的幾率比較少，其是否更換應(yīng)進(jìn)行檢測(cè)和分析判斷。筆者認(rèn)為對(duì)運(yùn)行年限達(dá)到報(bào)廢年限或有嚴(yán)重缺陷、發(fā)生過重大事故、直接影響機(jī)組安全可靠運(yùn)行的機(jī)組應(yīng)予以更換，并建議采用新材料的定子鐵芯。經(jīng)檢驗(yàn)和論證不需要更換定子鐵芯的機(jī)組，應(yīng)根據(jù)擴(kuò)容條件，配合定子繞組的改造，改進(jìn)鐵芯結(jié)構(gòu)，優(yōu)化鐵芯設(shè)計(jì)，改善冷卻條件，重新迭片，更換部分不合格硅鋼片。

1.5 推力軸承及其它改造

在水輪發(fā)電機(jī)運(yùn)行時(shí)，推力軸承承受全部的軸向負(fù)荷。推力軸承工作性能的好壞，會(huì)直接影響水輪發(fā)電機(jī)能否長(zhǎng)期、安全穩(wěn)定運(yùn)行。在確定了機(jī)組最終容量后，根據(jù)新的資料需要復(fù)核推力軸承的推力負(fù)荷，確定推力負(fù)荷能否滿足擴(kuò)容的要求，并根據(jù)運(yùn)行情況綜合分析是否需要對(duì)推力軸承進(jìn)行更換或改造。

2 電氣主接線及短路電流的計(jì)算復(fù)核

2.1 電氣主接線

進(jìn)行增效擴(kuò)容改造的電站均已運(yùn)行多年，送出工程及與系統(tǒng)連接地點(diǎn)已經(jīng)確定，變動(dòng)的可能性不大，對(duì)電站的接入系統(tǒng)不必再進(jìn)行論證，所以只要現(xiàn)有主接線相對(duì)合理，在增效擴(kuò)容改造中可維持原主接線方案不變，只需根據(jù)現(xiàn)行規(guī)范和短路電流計(jì)算成果，對(duì)機(jī)組容量進(jìn)行復(fù)核和選擇設(shè)備即可。對(duì)個(gè)別電站由于多次修改，改變了原設(shè)計(jì)的主接線形式，增加或減少了部分設(shè)備，改變了布置，形成現(xiàn)有不合理的接線方式，造成重復(fù)容量大、損耗高、繼電保護(hù)復(fù)雜、設(shè)備配置不合理等，或現(xiàn)有接線方式不適應(yīng)目前電力系統(tǒng)要求，對(duì)這種情況應(yīng)在設(shè)計(jì)過程中對(duì)主接線方案進(jìn)行優(yōu)化比選，同時(shí)復(fù)核送出線路的輸送容量和電壓降是否滿足增效擴(kuò)容的要求，復(fù)核電站內(nèi)部電流互感器變比、電氣設(shè)備動(dòng)、熱穩(wěn)定和開斷電流等能否滿足要求。基本原則是送出電壓等級(jí)和接入系統(tǒng)點(diǎn)不改變，否則投入資金會(huì)相應(yīng)增加比較多，浪費(fèi)比較嚴(yán)重。 如果改變了主接線的接線方式或運(yùn)行方式，涉及到電力系統(tǒng)的計(jì)量、保護(hù)方式和保護(hù)整定值等問題，需要與電力系統(tǒng)調(diào)度部門共同協(xié)商。

2.2 短路電流

早期投入的水電站當(dāng)時(shí)電力系統(tǒng)容量較小，經(jīng)過幾十年的發(fā)展，電力系統(tǒng)的容量大為增加，結(jié)構(gòu)也有很大的變化，網(wǎng)絡(luò)在不斷加強(qiáng)，同時(shí)由于發(fā)電機(jī)的改造，電氣參數(shù)也會(huì)發(fā)生變化。因此，有必要根據(jù)目前電力系統(tǒng)的參數(shù)，或今后5～10年電力系統(tǒng)發(fā)展規(guī)劃和改造后機(jī)組的參數(shù)，對(duì)短路電流進(jìn)行重新復(fù)核計(jì)算。依據(jù)復(fù)核計(jì)算結(jié)果來復(fù)核現(xiàn)有電氣設(shè)備的開斷能力，或重新選擇電氣設(shè)備的型式和參數(shù)。一般情況下，嚴(yán)重老化設(shè)備、高耗能設(shè)備和淘汰設(shè)備會(huì)隨著機(jī)組增效擴(kuò)容一起進(jìn)行更換，以提高電站運(yùn)行的安全性，減少維護(hù)工作量，增加電站經(jīng)濟(jì)效益，保證新更新的電氣設(shè)備能適應(yīng)電力系統(tǒng)的發(fā)展和長(zhǎng)期安全穩(wěn)定運(yùn)行。

3 電氣設(shè)備的選擇與布置

1995年以前的中小型水電站，由于受當(dāng)時(shí)技術(shù)水平和建設(shè)資金的限制，電氣設(shè)備存在性能較差、安全性不符合現(xiàn)要求、維護(hù)工作量大以及備品備件難以購(gòu)買等問題。例如，低壓開關(guān)柜多為GGD型或更老的BSL型等，開關(guān)和保護(hù)設(shè)備為DW系列或DZ10系列，而更多的是采用熔斷器保護(hù)；10kV設(shè)備采用GG-1A開關(guān)柜配SN10少油斷路器，或早期的真空斷路器；35kV設(shè)備采用DW6、DW8等系列的多油斷路器，或GBC戶內(nèi)型高壓開關(guān)柜；110kV設(shè)備采用 SW3、SW6及 SW7少油型斷路器；變壓器采用SLJ1或SF7型等。這些設(shè)備是目前國(guó)家已明令禁止使用的產(chǎn)品，開斷電流小，損耗大，不環(huán)保，由于諸多原因長(zhǎng)期帶病運(yùn)行，嚴(yán)重影響電站和電網(wǎng)的安全，因此對(duì)這些電氣設(shè)備進(jìn)行更新?lián)Q代是十分必要的。

電氣設(shè)備的選擇應(yīng)按照安全可靠、技術(shù)先進(jìn)、維護(hù)簡(jiǎn)單方便和經(jīng)濟(jì)合理的原則進(jìn)行，并應(yīng)適應(yīng)農(nóng)村水電站的特點(diǎn)。對(duì)電氣設(shè)備應(yīng)根據(jù)增效擴(kuò)容后的參數(shù)和短路電流計(jì)算結(jié)果來選取，而不應(yīng)延用舊設(shè)備的參數(shù)來確定新設(shè)備的參數(shù)，這樣可保證更換的電氣設(shè)備能適應(yīng)目前和將來系統(tǒng)發(fā)展的要求。

由于設(shè)備基礎(chǔ)、支架、房間的尺寸和開關(guān)站的位置均保持不變，因此在選擇電氣設(shè)備型式時(shí)還應(yīng)考慮這些因素，盡可能多地利用已有基礎(chǔ)或僅做小改動(dòng)。

4 接地系統(tǒng)的檢查與修復(fù)

水電站接地系統(tǒng)的好壞是關(guān)乎人身和設(shè)備安全的重要保障。接地電阻值是保證電站安全運(yùn)行的重要參數(shù)，接地系統(tǒng)的設(shè)計(jì)不但要滿足工頻短路電流的要求，還要滿足雷電沖擊電流的要求，但在增效擴(kuò)容和設(shè)備改造過程中，往往忽視了這部分內(nèi)容。隨著電網(wǎng)的不斷發(fā)展，特別是電站內(nèi)微機(jī)保護(hù)、綜合自動(dòng)化裝置和電子元件的大量應(yīng)用，這些弱電元件對(duì)接地網(wǎng)的要求更高，接地電位的干擾對(duì)監(jiān)控和自動(dòng)化裝置的影響已經(jīng)引起了人們的重視。早期投產(chǎn)的水電站由于短路電流較小和舊規(guī)范的要求，接地系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)接地線的截面積較小(原主網(wǎng)多為40×4扁鋼，分支線多為20×4扁鋼)，經(jīng)過幾十年的運(yùn)行，接地網(wǎng)銹蝕嚴(yán)重，甚至部分?jǐn)嗔?，特別是戶外開關(guān)站和暴露于空氣中的接地連接線的問題更為嚴(yán)重。因此，在增效擴(kuò)容改造電氣設(shè)備的同時(shí)，為保證水電站的安全運(yùn)行，修復(fù)和改造接地系統(tǒng)也是十分必要的。在接地網(wǎng)改造修復(fù)前，首先應(yīng)對(duì)現(xiàn)有接地系統(tǒng)的接地電阻進(jìn)行實(shí)際測(cè)量，驗(yàn)證是否達(dá)到了設(shè)計(jì)目標(biāo)值的要求。其次應(yīng)對(duì)敷設(shè)于地面較淺的地下接地網(wǎng)（如開關(guān)站接地網(wǎng)及外引接地網(wǎng)）挖開后檢查接地線的腐蝕和連接情況，檢查暴露于空氣中的接地連接線是否牢靠、截面積是否滿足要求和銹蝕情況。

在初步設(shè)計(jì)中應(yīng)對(duì)現(xiàn)有接地系統(tǒng)做初步評(píng)估，如果接地電阻達(dá)不到設(shè)計(jì)值的要求或腐蝕嚴(yán)重，則應(yīng)提出改造方案和目標(biāo)值。在施工設(shè)計(jì)中應(yīng)根據(jù)電力系統(tǒng)要求和短路電流計(jì)算結(jié)果提出具體的實(shí)施建議和改造范圍，使其達(dá)到目標(biāo)值。

由于水電站已建成并運(yùn)行多年，要改造廠房、尾水渠及大壩下方的地下或水下接地網(wǎng)已不可能，只有改造戶外開關(guān)站的接地網(wǎng)和外引增加接地網(wǎng)面積，或采用其它相應(yīng)的降阻措施來實(shí)現(xiàn)。接地網(wǎng)及接地線截面積的設(shè)計(jì)應(yīng)按現(xiàn)行的接地設(shè)計(jì)規(guī)范進(jìn)行，并復(fù)核接能電勢(shì)和跨步電勢(shì)是否滿足要求。

如果接地網(wǎng)系統(tǒng)良好，接地電阻符合目標(biāo)值的要求，可以不對(duì)接地網(wǎng)進(jìn)行改造，只需按最新設(shè)計(jì)規(guī)范對(duì)暴露于空氣中銹蝕嚴(yán)重、接觸不良的接地線以及改造設(shè)備的接地連接線進(jìn)行修復(fù)。

結(jié)語(yǔ)

針對(duì)目前社會(huì)經(jīng)濟(jì)不斷發(fā)展的環(huán)境下，小型水電站的發(fā)展越來越快，為了緊跟小水電的前進(jìn)腳步，我們要重視水輪發(fā)電機(jī)和電氣設(shè)備的改造，做好小型水電站的增效擴(kuò)容設(shè)計(jì)。好的小型水電站的電氣改造設(shè)計(jì)不僅可以提高水電站的綜合效益，還可以降低成本，提高經(jīng)濟(jì)效益。

[1]吳惠珠.小型水電站技術(shù)改造項(xiàng)目中電氣施工存在的問題及解決辦法[J].黑龍江科技信息.2012（16）

[2]張羽進(jìn).中小型水電站電氣設(shè)計(jì)的探討[J].河南水利與南水北調(diào).2012（12）