潮汐電站電氣設計特點探討

劉曉東，王現(xiàn)進，孫冬慧，藺 娜

（1 中國水電顧問集團西北勘測設計研究院有限公司，西安 710065；2 西安ABB電力電容器有限公司，西安 710021；3 西安中機國際（西安）技術發(fā)展有限公司，西安 710054）

潮汐電站電氣設計特點探討

劉曉東1，王現(xiàn)進2，孫冬慧3，藺 娜1

（1 中國水電顧問集團西北勘測設計研究院有限公司，西安 710065；2 西安ABB電力電容器有限公司，西安 710021；3 西安中機國際（西安）技術發(fā)展有限公司，西安 710054）

潮汐是一種世界性的海平面周期性漲落的現(xiàn)象，這種現(xiàn)象蘊藏的能量可以轉變成電能，潮汐能作為一種可再生的潔凈的自然能源，在國內(nèi)外很早就引起了人們的關注，世界各國已建成的潮汐電站有幾十座，是一項潛力巨大的事業(yè)。本文詳細介紹了潮汐電站電氣設備選擇的特殊性，特殊環(huán)境對電氣設備的影響及解決方法，潮汐電站機組控制特殊要求，潮汐電站接地特殊要求等，取得一定的研究成果，可為同類電站設計提供參考。

潮汐電站 鹽霧腐蝕；機組防腐；機組控制

1 概述

我國潮汐能資源豐富，潮汐發(fā)電作為可再生能源的一種，有著巨大的發(fā)展前景。在全球?qū)θ祟惿姝h(huán)境愈來愈關注的今天，人們對建設潮汐電站的觀念勢必會發(fā)生改變，因為潮汐發(fā)電不需燃料，不會污染環(huán)境，更無需淹地、移民，年發(fā)電量穩(wěn)定，取之不盡，用之不竭，其發(fā)展前景不可低估。

經(jīng)過多年來的實踐，潮汐電站在工作原理和總體構造上基本成型，即將進入大規(guī)模開發(fā)利用階段。中國地處太平洋西岸，潮汐能蘊藏量十分豐富。根據(jù)調(diào)查統(tǒng)計，中國潮汐能總蘊藏量為1.9億kW，年發(fā)電量2750億kWh。目前我國潮汐能開發(fā)已有40多年的歷史，建成并長期運行的電站有8座，總裝機容量只有6120kW，可開發(fā)潛力巨大。我國的一些沿海地區(qū)具有建設大型潮汐電站的資源優(yōu)勢，可開發(fā)200kW及以上的潮汐424處，裝機容量21790MW，在潮汐能豐富經(jīng)濟發(fā)達的濱海地區(qū)如福建、浙江、江蘇3省，建立大型潮汐能發(fā)電站是大勢所趨。

2 潮汐電站電氣設備的特殊性

潮汐電站的運行方式和運行環(huán)境有別于一般的水電站，需要在電站設計時采取相應的措施，使電氣設備能滿足潮汐電站的特殊需要。

1）電站一般地處沿海地區(qū)，濕度大、鹽霧嚴重，為免使電氣設備受潮和開關觸頭結露，故應采用戶內(nèi)式升壓開關站。

2）雙向發(fā)電的潮汐電站，機組有正、反向發(fā)電，正、反向泄水等運行工況，當發(fā)電機正、反向發(fā)電時，由于發(fā)電機轉子旋轉方向相反，因而發(fā)電機電壓三相相序也隨之正、反向變化。為使并聯(lián)時取得固定的A、B、C相序，在主變高壓側采用兩段母線（上母線為定相母線，下母線為倒相母線），兩母線之間安裝兩組倒相開關，以保證在出線線路上維持固定的A、B、C相序。

3）設置多臺機組共同準同期。潮汐電站的特點是機組臺數(shù)多，在發(fā)電工況時，所有機組均需要啟動并網(wǎng)，各發(fā)電機開關也需要進行同期合閘，由于操作開關數(shù)目很多，全部同期需要的時間就較長，這對于一座發(fā)電時間較短的潮汐電站來說是個損失，所以要求同期時間盡可能地短。為此，在同期系統(tǒng)中，除設有一般水電站常有的手動準同期和自動準同期外，還設置了多臺機組共同準同期。

多臺機組共同準同期可以減少同期次數(shù)：當進入發(fā)電工況時，將全部機組同時啟動，并合上發(fā)電機開關，在機組低轉速下投入發(fā)電機手動單元空載勵磁，使全部機組在低轉速、低電壓下自整步為一等效機組，然后通過中壓開關用自動準同期方式一次同期并網(wǎng)。

3 環(huán)境對電氣設備的影響和解決方法

3.1 機組防腐防污一般方式

機組防腐防污方案選擇原則有：長期有效，至少能保證機組在一次大修期限內(nèi)得到可靠的保護；便于施工，維護簡單，并易于測定；不會污染自然環(huán)境，不會影響生態(tài)規(guī)律；經(jīng)濟上合理。潮汐電站機組防腐防污一般方式有：

1）防腐防污配套漆。把涂料裝在與海水接觸的流道及機組構件的表面，使被保護面與海水隔離，防止腐蝕的發(fā)生。涂料中還能逐漸釋放出有毒物質(zhì)，能殺死海生物，涂料起著防腐和防污的雙重作用。

2）外加電流陰極保護。潮汐電站機組在海水中運行，海水是天然的電解質(zhì)，鋼鐵本身還有雜質(zhì)及表面的不均勻性，這樣就形成了無數(shù)的微電池，產(chǎn)生電化學腐蝕。在這個過程中，陰極不腐蝕，而受到腐蝕的是陽極。如果設法外加一個電流使整個鋼鐵表面都成為陰極狀態(tài)，從而抑制微陽極區(qū)電子的釋放，就可以使鋼鐵得到保護。

3）犧牲陽極陰極保護。犧牲陽極陰極保護原理是將電位較負的金屬或合金連接在被保護的構件上，當浸入電解質(zhì)溶液時，由于它們之間的電位差產(chǎn)生電流，使被保護的構件陰極化。

4）電解海水系統(tǒng)。海水是一電解質(zhì)，只需要采用適當?shù)碾姌O、控制適當?shù)碾姌O電位，經(jīng)電解后可產(chǎn)生氯和次氯酸鈉（NaClO），而氯和次氯酸鈉是強氧化劑，它能分解附著生物生命所必需的酵素，使附著生物的呼吸系統(tǒng)產(chǎn)生強烈的化學性燒傷。電解海水防污原料廣、安全性好、不產(chǎn)生污染且有長效性。

3.2 電氣設備防腐主要解決方式

潮汐電站在鹽霧嚴重的環(huán)境中運行，一些電氣設備和自動化元件不能適應運行環(huán)境的特殊性，如開關的相間絕緣距離需要增大，這增加了選型難度。因此，只有改變運行環(huán)境才能解決問題。除開關站設在戶內(nèi)外，所有安裝電氣設備的場所應實施全封閉，并有加熱、除濕裝置，使運行環(huán)境得到徹底改善，以滿足電氣設備的運行要求，使其能正常工作。對于一些特殊設備，設計時可提高其絕緣等級，并用不銹鋼殼體封閉，使其與外界環(huán)境隔絕，以提高運行的可靠性，為實現(xiàn)潮汐電站無人值班創(chuàng)造條件。

一般的潮汐機組有局部滲漏水現(xiàn)象，可將磁極、定子等結構設計為封閉式，并增大爬電距離，要求主機廠家備品備件整體準備，完全封閉。

3.3 輸配電線路防鹽霧腐蝕

鹽霧指懸浮在大氣中的氣溶液狀的Na2O粒子。它的形成主要是因為海風引起海面擾動和漲、落潮時，海水相互間的沖擊和海浪拍擊海岸，致使很多海浪粒子拖入空中，水分發(fā)蒸后，留下一些極小的鹽粒，在大氣團的平流和紊流交換作用下，這些鹽粒在空氣中散開來，并隨風流動形成沿海地區(qū)鹽霧。鹽霧對電氣設備的危害程度主要與沉積在電氣設備表面鹽粒的多少有關，沉積又與鹽霧含量、有無阻隔物、近?；蜻h海等諸多因素有關，其中影響最大的是阻隔物。

除將主要電氣設備場所實施全封閉外，對于裸露的輸配電線路，也應采取相應的防護措施。

1）對于瓷體絕緣子，應采取提高瓷件的單位泄漏距離，采取阻隔物減少鹽霧沉降量。主要方法有：人工定期清掃擦拭，在絕緣瓷件上涂有機硅；在瓷件上涂地臘；設計時增大外絕緣爬電距離，提高泄漏比距值，優(yōu)化傘裙結構。對電氣設備外絕緣表面采取“憎水性”技術處理。電氣設備絕緣介質(zhì)外表面發(fā)生閃絡現(xiàn)象與介質(zhì)的親水性有關，親水性強的物質(zhì)由于表面容易潮濕且易形成水膜，會導致絕緣體表面泄漏電流增大，使閃絡電壓降低。而用做絕緣體的陶瓷和玻璃是親水性較強的材料，雖然在生產(chǎn)制作時進行了表面處理如陶瓷材料制品的表面噴釉，但對親水性改善不大。試驗證明，具有憎水性的物質(zhì)可以防止絕緣體表面形成水膜，從而提高閃絡電壓，對防止電氣設備發(fā)生污閃是有益的。

合理選用防污型絕緣子和新型材料絕緣子，復合絕緣子（硅橡膠絕緣子）具有體積小、重量輕、耐污性能好、不需測零值等優(yōu)越性。具有高度的抗表面污染力和防止碳化泄漏。復合絕緣子所需的爬距比瓷和玻璃絕緣子所需爬距平均少30%。當線路使用鋼芯鋁絞線架設，絕緣子最好選用復合絕緣子。

2）對于室外的電氣設備，如油斷路器、SF6斷路器、電纜分接箱、計量箱及各種開關柜等，外殼應采用不銹鋼和熱鍍鋅，以進一步加強防鹽霧腐蝕的能力，提高設備的使用壽命。

3）在電氣設備安裝、電氣設備檢修時，可在導電排搭接處接觸面涂敷電力復合脂（導電膏），能抗鹽霧腐蝕，降損節(jié)能，運行效果良好，并取得較好的經(jīng)濟效益。

4）輸配電線路的鐵塔、鐵桿及鐵附件，全部熱鍍鋅。為了增強線路防鹽霧腐蝕能力，提高線路使用壽命，對新架設的輸配電線路運行2～3年后，進行一次油漆；以后每2年除銹并油漆一次。這種方法比較簡便，維護管理方便，而且效果好，也是最有效的防腐措施。低壓線路的金具及附件同樣采用熱鍍鋅。而經(jīng)過熱鍍鋅制作的角鋼至少可使用10年以上。線路金具、螺栓及其它配件，應采用國家定型產(chǎn)品和定點廠家生產(chǎn)，經(jīng)熱鍍鋅的產(chǎn)品。

4 潮汐電站機組控制特殊要求

潮汐電站的機組運行涉及多種工況，運行控制面復雜，機組的負荷變化也比較大，為此，要求勵磁系統(tǒng)和調(diào)速器設備適應性強，調(diào)節(jié)速度快，控制精度高。同時由于機組正反向運行時，電氣主接線的相序要做變換，為此要求連鎖及閉鎖關系需要做到可靠而正確，并且在時間上也要配合適當。

在機組運行中，有抽水工況，對于其啟動方式的選擇則是非常重要，可選的方式有變頻啟動、全電壓異步啟動、降壓啟動方式等，針對機組的容量、運行特點，需要比對各種方式的啟動效果以及機組的運行振動擺度參數(shù)綜合考慮，選擇適合機組的抽水啟動方式。

潮汐電站機組的啟動控制過程中，必須采用高壓油頂轉子裝置。在機組啟動過程中，由于高壓油的存在，可以減少摩擦力矩，對機組平穩(wěn)運行非常有利。常規(guī)水電機組，在機組穩(wěn)定運行后，高壓油頂轉子即停止運行。對于潮汐發(fā)電的機組，由于存在正反兩個方向的旋轉運行，機組的支撐結構、受力面等等將有特殊設計，因此需要的高壓油頂轉子的運行方式也是不同的，需要根據(jù)機組的結構要求設置適應的運行程序。

潮汐電站的機組控制方式要求具有靈活性，由于每天的最高潮位都是變化的，電站實際的開機水頭、停機水頭需要隨時進行調(diào)整修正。一般來講，大潮、中潮情況下，可以進行正反向雙向運行，在小潮時，選擇正向發(fā)電、反向泄水，以提高機組及全廠的經(jīng)濟效益。具體選擇何種方式運行，需要根據(jù)潮位、可運行的機組數(shù)量以及機組正反向運行的效率等因素綜合考慮。

5 潮汐電站接地特殊要求

潮汐電站具有自身的特點，根據(jù)考察及查閱相關資料，潮汐電站接地系統(tǒng)設計一般應考慮以下幾點：

1）潮汐電站濕度大、鹽霧嚴重，采用普通接地扁鋼容易腐蝕，應采用鍍鋅扁鋼，甚至采用扁銅，并應減少明敷方式，盡量將接地材料埋入土壤或混凝土中。

2）潮汐電站應設有工作接地、保護接地、防雷接地，所有接地均接于一個總的接地網(wǎng)。

3）在出線站接地網(wǎng)及周圍預埋垂直接地極，并應充分利用水工鋼筋，形成等電位接地以使本電站滿足DL/T 5091《水力發(fā)電廠接地設計技術導則》里對接觸電勢和跨步電勢的要求。

4）不同用途和不同電壓的電力設備，包括特殊設備接地如通信設備、計算機接地，接入同一個總接地網(wǎng)。

5）設計中應考慮充分利用自然接地體將金屬構件及水工建筑物中的主筋相互焊接起來，并形成不大于10m有電氣通路的網(wǎng)孔。

6 結論

隨著社會發(fā)展對能源需求的不斷提升和技術的進步，在全球?qū)θ祟惿姝h(huán)境愈來愈關注的今天，人們對建設潮汐電站的觀念勢必會發(fā)生改變。潮汐發(fā)電不需燃料，不會污染環(huán)境，更無需淹地、移民、年發(fā)電量穩(wěn)定，取之不盡，用之不竭，其發(fā)展前景不可低估。本文詳細介紹了潮汐電站電氣設備選擇的特殊性，特殊環(huán)境對電氣設備的影響及解決方法，潮汐電站機組控制特殊要求，潮汐電站接地特殊要求等，取得一定的研究成果，可為同類電站設計提供參考。

［1］導體和電器選擇設計技術規(guī)定［S］.DL/T 5222-2005，2005.

［2］水力發(fā)電廠機電設計規(guī)范［S］.DL/T 5186-2004，2004.

［3］阮全榮.水電站電氣設備選擇與布置［M］.中國水利水電出版社，2013.

A

劉曉東（1980-），男，陜西人，碩士，主要從事水電工程電氣設計工作。