水電站電氣優(yōu)化設(shè)計的幾點思考

崔領(lǐng)謙

（河北省保定市西大洋供水有限公司，河北 保定 071000）

水電站是一種將水能轉(zhuǎn)換為電能的綜合性工程設(shè)施，通常包含由擋水、泄水建筑物形成的水庫、機電設(shè)備、水電站引水系統(tǒng)及發(fā)電廠房等。水電是一種清潔性能源，具有可再生、無污染和運行費用低的優(yōu)點，不僅方便相關(guān)部門進行電力調(diào)峰，有利于提高資源利用率，而且有助于實現(xiàn)社會綜合效益的最大化。因此，在當前世界能源危機日趨明朗化的今天，世界各國普遍優(yōu)先開發(fā)水能資源。

我國的水電事業(yè)發(fā)展非?？欤?006年三峽水電站的建成，標志著我國擁有總裝機容量2250萬kW·h、年發(fā)電量1000億kW·h的水電站，也標志著我國在水電行業(yè)邁出了研發(fā)與創(chuàng)新的第一步。另據(jù)相關(guān)統(tǒng)計資料顯示，截止2011年底，我國發(fā)電裝機容量已達到10.5億kW·h，其中水電2.3億kW·h，火電7.6億kW·h，核電1191萬kW·h，風(fēng)電4700萬kW·h。由此可看出，水電站在我國經(jīng)濟發(fā)展中的地位非常重要，因此，必須重視水電站建設(shè)與水電利用開發(fā)工作，也必須重視水電站電氣的優(yōu)化設(shè)計工作，只有這樣，才能使水電真正成為造福我國人民的能源。

1 水電站電氣設(shè)備分類

水電站電氣設(shè)備中分成一次電氣設(shè)備和二次電氣設(shè)備兩種類型。

電氣一次設(shè)備還可分成升壓變電電氣設(shè)備與發(fā)電電氣設(shè)備，比較常見的是發(fā)電機與變壓器。電氣二次設(shè)備則是包括電站計算機的監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)備、機組勵磁系統(tǒng)、機組保護及輔機控制設(shè)備、機組狀態(tài)檢測系統(tǒng)、高壓系統(tǒng)保護和自動裝置，而水電站所使用的交直流控制電源系統(tǒng)主要是公共系統(tǒng)設(shè)備。

近年來，隨著水電站的快速發(fā)展，電氣設(shè)計中暴露出一些問題，主要表現(xiàn)在電氣一次設(shè)計和電氣二次設(shè)計兩方面。例如，在電氣一次設(shè)計中，電氣主接線易于發(fā)生纏繞，從而形成電流干擾，影響電流穩(wěn)定性；在電氣二次設(shè)計中，直流電源在應(yīng)用方面存在問題等，因此，應(yīng)采取有效措施，進行優(yōu)化設(shè)計。

2 優(yōu)化水電站電氣一次設(shè)計

2.1 電氣接線的優(yōu)化

水電站一次電氣設(shè)計原則是以水電站電氣系統(tǒng)的實際作用為根據(jù)進行相關(guān)設(shè)計，綜合考慮水文氣象、動能特征、建設(shè)規(guī)模、接入系統(tǒng)和布線等各種因素。在水電站一次電氣設(shè)計過程中，對于電氣的主連接線，在設(shè)計方面應(yīng)充分符合客戶需要，并確保供電及其質(zhì)量安全。另外，要合理利用先進技術(shù)，可在此基礎(chǔ)上采取不同種顏色連接線路，且保證線路上線和下線間存在一定距離，避免發(fā)生纏繞，以防形成電流干擾，從而降低電流穩(wěn)定性，在一定程度上傷害發(fā)電機，增加維護難度。與此同時，還應(yīng)防止連接線對相關(guān)設(shè)備檢查帶來影響。

2.2 發(fā)電機與主變壓器的優(yōu)化

發(fā)電機和主變壓器間往往通過單一的變組單元連接線進行連接，這是較合理的。對水電站的一次電氣設(shè)備，可在發(fā)電機上安裝1個斷路器，從而確保其連接線出口足夠安全。如果發(fā)電機需要接地，則通過變壓器來實現(xiàn)接地，從而確保在較強電壓的影響下發(fā)電機不會發(fā)生損壞。需要注意的是，發(fā)電機和變壓器之間不能直接進行連接，而是使用離相封閉母線相連，從而最大程度地保證安全供電。

2.3 快速閘門控制回路優(yōu)化

近年來，為了保證機組安全，很多水電站在機組的手動閘門接點和過速接點處進行了進水口的快速落門控制回路設(shè)計，主要包括兩種方式：①設(shè)計二次電纜通道；②設(shè)計監(jiān)控系統(tǒng)和大壩之間的光纖。通過二次電纜通道，能夠有效監(jiān)控機組的運行情況，以防止出現(xiàn)進水口的快速落門事件。另外，對于監(jiān)控系統(tǒng)和大壩之間光纖的選取，要注意電磁閥的線圈內(nèi)阻不可太高，過高的內(nèi)阻易導(dǎo)致運行中的系統(tǒng)發(fā)生霉斷。一般來說，機組和進水口之間的電纜長度應(yīng)超過1000m，由于水電站的進水口快速門是保護機組過速的重要防線，在水電站技術(shù)管理中發(fā)揮著重大作用，因此，必須引起相關(guān)人員重視，以防發(fā)生相關(guān)故障，進而導(dǎo)致不必要的成本浪費。

2.4 220kV側(cè)接線優(yōu)化

對于水電站而言，500kV與220kV之間的側(cè)接線通常都采用自耦式聯(lián)絡(luò)變接，其中，220kV的側(cè)連接基本有3個回進出線，2個直接當作220kV的側(cè)接線，剩余1個則用在聯(lián)絡(luò)變進線上。另外，水電站的220kV側(cè)接線應(yīng)采用單母線進行連接，且為全封閉式的電氣組合。除此之外，水電站電氣一次設(shè)計中，只有1個回進出線的220kV側(cè)接線，因此，無需安裝斷路器。

3 優(yōu)化水電站電氣二次設(shè)計

3.1 直流電源應(yīng)用優(yōu)化

水電站電氣設(shè)備可采用直流電源，以便對電器設(shè)備的機組進行檢測、控制和維護，特殊情況下也可當作備用電源使用，直流電源的電阻應(yīng)為104Ω，電網(wǎng)頻率為50Hz。另外，還可將單母線當作直流的母線，單組充電電池和單組蓄電池也應(yīng)在直流母線上進行裝配，并安裝微機檢測監(jiān)控點位與直流電源監(jiān)控裝置。如果條件允許，資金充足，可在維護備用電池上配置微機操控開關(guān)，以提高機組維修的便利性。

3.2 交流電源應(yīng)用優(yōu)化

在水電站電氣設(shè)備應(yīng)用直流電源的同時，為了節(jié)省成本，必須安裝交流電源，交流電源中無需安裝維護備用電池。實際情況中，交流電源主要用在對設(shè)備供電方面，但需注意的是，機組和交流電源之間應(yīng)安裝無觸點開關(guān)，以便內(nèi)部發(fā)生異常時可及時斷開電源，或更換備用電源進行使用。通常情況下，無觸點開關(guān)5s內(nèi)會切換完畢，因備用電源為直流電，所以，一旦發(fā)生異常，無觸點開關(guān)會自動切斷交流電源，并使用備用電源。

3.3 計算機監(jiān)控系統(tǒng)優(yōu)化

水電站電氣二次設(shè)計中的計算機監(jiān)控系統(tǒng)主要由電站控制級和限制控制單元級構(gòu)成。在考慮成本的前提下，可為電站控制級配備1臺遠程通信工作站，1臺復(fù)制打印服務(wù)機，2臺主機和操作員工作站，1套連線式UPS及1套衛(wèi)星定位監(jiān)測儀等。至于限制控制單元級，則主要用在控制編程方面，可有效地解決水電站因電氣設(shè)備體積龐大和程序復(fù)雜等原因?qū)е碌木幊瘫锥恕?/p>

水電站自動化包含以下內(nèi)容：①機組和附屬機械設(shè)備的自動化；②全廠共用機械設(shè)備的自動化；③發(fā)電機的自動調(diào)整勵磁；④機組的自動調(diào)速；⑤發(fā)電機的自動同期及信息采集等。

自動化是水電站能否經(jīng)濟和安全運行的重要基礎(chǔ)，在盡量降低成本的前提下，設(shè)計時需考慮的措施有以下幾點：

3.3.1 配備可靠和先進的計算機監(jiān)控系統(tǒng)

對于適用于大中型水電站網(wǎng)絡(luò)、上位機以及現(xiàn)地控制等設(shè)備，配置上有必要采取相應(yīng)的冗余措施。

3.3.2 配備水輪發(fā)電機組附屬設(shè)備自動化系統(tǒng)

采用PLC對機組進水主閥進行控制，采用冗余的雙微機雙通道對勵磁裝置進行勵磁，至于調(diào)速器，則采用可編程的調(diào)速器等。另外，還應(yīng)采取開關(guān)量和模擬量對機組重要的水力機械參數(shù)進行雙重監(jiān)視，而發(fā)電機和其他電氣元件的電氣參數(shù)等，則采用變送器進行監(jiān)視或交流采樣裝置等設(shè)備。

3.3.3 配備可靠和完善的全廠基礎(chǔ)自動化系統(tǒng)

對于空壓機，采用單片機進行控制，對于給排水等系統(tǒng)，則采用PLC進行控制，至于一些重要的參數(shù)，則采取開關(guān)量和模擬量進行雙重監(jiān)視。

3.3.4 配備可靠和完善的系統(tǒng)

主要有安全自動裝置及火災(zāi)報警系統(tǒng)。

3.3.5 配備可靠和完善的通信系統(tǒng)

對光纖通信、程控通信、電力載波及接入調(diào)度的通信網(wǎng)絡(luò)管理系統(tǒng)等部分，應(yīng)分頻分層進行管理，從而保證通信的暢通。

4 結(jié)語

（1）設(shè)計工作人員在保證水電站安全生產(chǎn)的基礎(chǔ)上，從水電站電氣一次設(shè)計、二次設(shè)計及水電站自動化等多方面進行優(yōu)化設(shè)計，從而使其更可靠與實用，避免發(fā)生浪費和設(shè)備閑置等現(xiàn)象。

（2）完善水電站無人值班綜合自動化系統(tǒng)，在節(jié)省投資費用的同時，降低水電站日常維護性費用。

（3）對于水電站電氣設(shè)備中的機組詳細資料和運行情況，必須精確進行掌握，并實行全天候24h監(jiān)控，從而最大程度地保證水電站實現(xiàn)電氣設(shè)備運行和管理的自動化，確保設(shè)備安全可靠運行。

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