小型水電站電氣設計問題的研究

李亮

(江西省贛西土木工程勘測設計院,江西宜春 336000)

小型水電站電氣設計問題的研究

李亮

(江西省贛西土木工程勘測設計院,江西宜春 336000)

隨著時代的發(fā)展,科學的進步,我國的電力系統(tǒng)也在向著智能化、綠色化發(fā)展。近年來,小型水電站作為新型的清潔型能源,越來越受到國家的重視。小型水電站中的電氣設備和接電線路等方面在設計上還存在著一些問題,本文針對小型水電站的電氣設計問題和原有設備改造進行了探討。

小型水電站 電氣設計 策略

我國的電力系統(tǒng)在近幾年的發(fā)展中，小型水電站占了比較重要的部分。建設小型水電站的投資花費少、工期短、收效快，發(fā)展速度也越來越快，技術水平也在逐步提升。下面我們針對小型水電站的電氣設計進行介紹。

1 小型水電站的電氣設計

1.1 電氣一次設計

小型水電站的電氣一次設計比較簡單，電氣一次設計接線的回路較少，主接線發(fā)電機側多采用單元接線、擴大單元接線、單母線接線。水電站年負荷利用小時數(shù)一般不高，機組滿發(fā)時間較短，為減少主變壓器損耗，多采用2臺主變。

1.2 電氣二次設計

小型水電站的電氣二次設計中包括多個系統(tǒng)，勵磁系統(tǒng)、信號控制測量系統(tǒng)、同期系統(tǒng)、操作電源，繼電保護以及輔助設備的自動化設計。低壓機組一體化控制屏是專為低壓組水電站設計，控制屏由發(fā)電機出口斷路器、勵磁組件、智能控制裝置、儀表等組成，實現(xiàn)了將一臺水輪發(fā)電機組的一、二次設備優(yōu)化配置在一面屏中。屏體采用全封閉結構，具有較高的防護等級?？刂破凉δ荦R全，操作簡單，適用于單機容量1000kW以下的低壓水輪發(fā)電機組。整套設備在廠家均經(jīng)過完整測試，現(xiàn)場安裝后即可投入運行，簡化聯(lián)調(diào)工作，降低了調(diào)試和運行維護成本。

低壓機組一體化控制屏集控制、測量、發(fā)電機保護、勵磁系統(tǒng)、調(diào)速器控制、順序控制、自動準同期、溫度巡檢、自動經(jīng)濟發(fā)電、計量、監(jiān)視儀表、智能診斷、遠方交互、安全預警等功能于一體。系統(tǒng)支持遠方監(jiān)視控制功能，通過通訊線路由后臺計算機實現(xiàn)對電站機組的遠程測控(如前池水位及運行信息等)與管理功能；系統(tǒng)還具有實時數(shù)據(jù)查詢、電氣及非電氣量越限和狀態(tài)量變化主動報警、事件查詢、生成報表等功能。

徑流電站可采用恒高水位運行模式，有效利用水資源。配置完善和高質(zhì)量的自動化元件。實現(xiàn)無人值班。單機一萬千瓦以下的機組都可以采用無刷勵磁模式?？珊喕瘎畲旁O備，取消勵磁變。采用多功能高度集成的智能裝置，減少二次設備配置。實現(xiàn)電站運行、維護社會化?？梢钥焖偬岣咝∷娦袠I(yè)的整體運行管理水平。低壓機組采用一體化控制保護屏，可實現(xiàn)無人值班。低壓機組采用新型的低壓機組微機高油壓全自動調(diào)速器?？蔀閷崿F(xiàn)無人值班提供基礎自動化設備。推廣二次設備的免調(diào)試、免運行和免維護理念。讓電站運行和管理人員體面而幸福的工作。

2 電氣設計中需注意的問題

2.1 發(fā)電機的中性點接地方式

中性線中的電流是相線電流的三倍，中性線引出時會形成環(huán)流，同時伴隨著零序電流，電流過多很容易導致線路被燒壞，發(fā)電機的工作也會受到影響，所以，電氣設計時應采用三相四線接線方式能夠使中性點直接接地，滿足變壓和照明要求，這種方式通常會應用到主變壓側接線當中。有時發(fā)電機的中點線被要求不可引出，可以改用三相三線接線方式。

2.2 電氣一次設備選取和布置

在布置一次設備的機組時一般采用機旁現(xiàn)地的方式，這種布置方法能夠有效節(jié)約空間。在布置變壓器時，則要綜合考慮現(xiàn)有的安裝手段，選用科學合理的方式，如室外中式桿上布置法，這種方法能夠有效節(jié)約花費。但是當水電站室外空間有限的時候就不適合采用這種方式了，可以改用室內(nèi)布置法。

2.3 變壓器保護

變壓器的保護方式選擇要綜合考慮變壓器的容量的大小，小于400kVA的采用高壓跌落保險，而大于400kVA的采用定時限特性的瞬時電流速斷和過流保護。

2.4 互感器設置

電流互感器的設置適用于保護變電站并計量數(shù)據(jù)，由于其容量較小而且穩(wěn)定性差，最好能夠單獨設置。電壓互感器則是用于檢測計量高壓，并保護高壓側的電壓頻率。

2.5 水機自動化和發(fā)電機保護

水輪發(fā)電機中的自動化回路采用的是兩支點滾動軸承式回路，這種回路價格便宜、使用壽命長、維護簡單。保護裝置要設置全方位的保護，包括過流保護和失壓保護等等。選擇調(diào)速器時選用手電兩用的設備就行，不用選擇特殊高級的要求，從而在滿足自動化要求的同時有效節(jié)省投資。

2.6 注意勵磁

在電氣設計中，應用較多的勵磁裝置有兩種：自并勵可控硅無刷勵磁和自并勵可控硅靜止勵磁。比較來看，前一種的價格低、維護量小，性能良好，只是反應速度稍微慢些；后者的反應速度快，但是價格比較高，維護量也更大一些。靜止勵磁能夠直接在發(fā)電機的轉子上起作用，且具備多項性能優(yōu)點，所以應用的范圍更廣些。

3 對原有的電氣設備進行改造

3.1 發(fā)電機增效擴容

很多水電站都已經(jīng)建立了較長時間，由于當時的條件有限會對電氣設備的性能進行限制，若是完全更換為新型設備會花費過多，可以針對老化嚴重的元件進行修繕整改。由于各個水電站的設備運行狀況不同，要實地勘測后進行改造。

(1)定子和轉子繞組改造；改造發(fā)電機，對其增效擴容要求轉速和電機極對數(shù)不變，所以要對定子和轉子繞組進行整改，增大線規(guī)并降低電阻，使發(fā)熱總量不要超過整改前。絕緣材料選用更加耐壓損耗更低的新型材料，減低厚度，空出更多空間。(2)通風冷卻改造；發(fā)電機的通風系統(tǒng)的性能會直接影響到發(fā)電機的擴容，早期的通風系統(tǒng)受到技術水平限制存在很多問題：散熱能力低、噪聲大、長期運行時還會出現(xiàn)堵塞現(xiàn)象，效果很差，需要進行整改。(3)定子鐵芯改造；雖然定子鐵芯一般情況下不會出現(xiàn)故障，但是也要時時進行檢測，因為一旦出現(xiàn)問題引發(fā)的就會是重大事故，所以，定子鐵芯要定期進行更換，最好采用新型的性能更好的材料。另外，還應針對擴容進行定子鐵芯改造，配合其他元件，優(yōu)化鐵芯的設計結構。(4)推力軸承改造；發(fā)電機在運行時推力軸承會受到全部的負荷，若是軸承質(zhì)量達不到要求，會嚴重影響發(fā)電機的正常運行。因此，在確定機組容量后要計算出推力負荷，并根據(jù)這個數(shù)據(jù)對軸承進行改造。

3.2 電氣主接線和短路電流計算

(1)電氣主接線；現(xiàn)有的主接線路只要設計合理便可以不用更改原有的接線方案，只需進行規(guī)范性的機組容量復核計算就可以了。若是水電站的電氣設計已經(jīng)改動了多次，原有主接線設計已經(jīng)有所改變，形成不合理的接線，造成重復過多、損耗過大、配置不合理等問題，不能滿足電力系統(tǒng)的要求，這時應首先優(yōu)化主接線，在進行輸出容量復核計算。另外，若是涉及到了電力系統(tǒng)的計量、保護方式等問題，還要與調(diào)度部門協(xié)商解決。(2)短路電流；早年建設的水電站的電力系統(tǒng)容量一般都比較低，進過這些年來的發(fā)展，容量要求已經(jīng)大大增加了，電氣結構也變了很多，由于智能化網(wǎng)絡化的改進，電力參數(shù)也在隨之改變。所以，短路電流還需根據(jù)更正后的參數(shù)進行復核計算，得出相關結果后還要對現(xiàn)有設備進行復核，若是不能達到規(guī)范要求，要重新選擇新型的電氣設備。(3)接地系統(tǒng)；接地系統(tǒng)的設計涉及到設備安全保證。想要保證水電站的電力設備能夠安全可靠的運行，接地系統(tǒng)要同時滿足短路電流和雷電沖擊的要求，設備改造時應將之考慮周全。經(jīng)過幾十年的運行，接地系統(tǒng)必然會出現(xiàn)一些問題：銹蝕嚴重以致接地網(wǎng)斷裂，特別是戶外線路。所以，對水電站的電氣設備進行整改時，要先對現(xiàn)有的接地系統(tǒng)進行實地勘測，若是不能滿足現(xiàn)有要求，要及時進行接地設備改造，使之達到規(guī)范的目標值。

4 結語

近年來，我國的小型水電站建設越來越多了，為了保證其電力系統(tǒng)能夠安全可靠的運行，需要嚴格規(guī)范電氣設計，提升電氣力系統(tǒng)質(zhì)量，增加經(jīng)濟效益。

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