探析小型水電站電氣工程的設(shè)計實踐

◎周廉晟

引言：隨著我國經(jīng)濟不斷發(fā)展，水電站作為清潔可再生能源越來越多地應(yīng)用在發(fā)電行業(yè)。其特點為清潔可再生、運營成本低、可按需實時分配、同時可改善水利環(huán)境。對于小型水電站而言，電氣工程設(shè)計是關(guān)鍵的基礎(chǔ)工作，在開展設(shè)計工作期間，需要滿足技術(shù)、成本、要求，展現(xiàn)技術(shù)的指導思想。在小型水電站設(shè)計期間，新技術(shù)、新材料以及新設(shè)施都需要依靠設(shè)計工作來加以運用。因此，必須重視小型水電站的電氣設(shè)計工作，通過不斷地探尋解決措施，來確保小型水電站的電氣設(shè)計工作能夠更加高效開展。

一、電氣主接線設(shè)計

電氣主接線是水電站電氣設(shè)計的主要部分，也是基礎(chǔ)部分，是電站電力系統(tǒng)完成構(gòu)成的重要組成部分，主接線的設(shè)計對水電站整體的安全性、可靠性和經(jīng)濟性起重要作用。業(yè)主在方案決策時主要關(guān)注經(jīng)濟性，設(shè)計時必須要考慮安全可靠，兼顧運行靈活。

主接線設(shè)計主要包括主要輸電線路設(shè)計、主變高壓側(cè)單元接線設(shè)計、發(fā)變單元側(cè)接線設(shè)計等。筆者對洪江市及其周邊縣市小水電站進行調(diào)查和統(tǒng)計，小型水電站輸電線路很多只有一回，因此可用“主變—線路組”的接線方式，而發(fā)電側(cè)主接線大多數(shù)參用擴大單元主接線方案，少部分采用單元接線方案。采用單元接線方案的如有2臺以上主變的，不主張主變并列運行。

二、主要設(shè)備選型及校驗

目前，水電站運行管理模式一般為“少人值守、無人值班”，故應(yīng)首先選擇能夠滿足正常運行，且短路、過電壓等暫態(tài)電氣參數(shù)滿足要求的產(chǎn)品，同時考慮有運行經(jīng)驗、維護檢修方便、經(jīng)濟性適當?shù)脑O(shè)備。

水電站主要電氣設(shè)備包括水輪發(fā)電機、主變壓器、發(fā)電機電壓回路開關(guān)設(shè)備、輸電設(shè)備、電氣保護設(shè)備、接地設(shè)備、照明設(shè)備、配電設(shè)備等。

小型水電站一般在邊遠山區(qū)，設(shè)備運行環(huán)境的溫度、濕度等沒有約束性限制條件，設(shè)備選擇主要按額定特性參數(shù)選擇即可。當然要注意的是有部分小水電在處高海拔地區(qū)，主要考慮絕緣耐受電壓。選擇輸電線路也較遠，距離負荷中心較遠，因此短路電流較小，設(shè)備選擇主要按額定特性參數(shù)選擇即可，熱、動穩(wěn)定校驗絕大多數(shù)均能滿足要求。

三、廠用電及樞紐供電

1.廠用電。水電站從功能和運行要求上看，其廠用電具有如下特點：廠用電負荷較小，廠用變壓器容量一般只占電站總裝機的0.4%—1.5%。廠用變壓器的實際負荷通常僅為其額定負荷的15%—60%。最小負荷與最大負荷相差5—7倍。設(shè)備年利用小時數(shù)很低。一般包括了廠內(nèi)用電和廠外用電，廠內(nèi)由廠房內(nèi)用電和開關(guān)場、站等用電；廠外用電包括壩區(qū)、進水口，可能還有副壩灌溉洞等地用電。對于單機容量小于800kW的電站，由于發(fā)電機一般選擇低壓機組，因此不單獨設(shè)計廠用變，而是從主變低壓母線直接作為廠用電源。2.樞紐供電。樞紐用電一回由發(fā)電機母線6.3kV側(cè)直接引接，利用6kV架空線路送至樞紐，距離約為2km。另一回由樞紐附近的外電源線路10kV“T”接作為備用電源。在樞紐設(shè)2臺專用配電變壓器，容量均為100kVA，供閘門啟閉機、照明、采暖及其它用電。

四、過電壓保護及接地

1.過電壓保護。電站高壓電氣絕緣水平應(yīng)滿足國家和部門的強制性標準的要求。過電壓保護裝置主要按《電力設(shè)備過電壓保護設(shè)計技術(shù)規(guī)程》設(shè)置。為了保護變壓器及高壓電氣設(shè)備不受侵入雷電波的危害，在一回輸電線路出線側(cè)裝設(shè)一組氧化鋅避雷器。為防止變壓器高壓側(cè)的雷電波經(jīng)過變壓器危及發(fā)電機的絕緣，在發(fā)電機電壓側(cè)母線上裝設(shè)一組過電壓保護器。主、副廠房防雷采取屋頂上敷設(shè)避雷帶或避雷針，建筑物金屬構(gòu)件和鋼筋混凝土中的鋼筋焊接成網(wǎng)狀，并多點引下與接地網(wǎng)可靠焊接。

2.接地。為了保護人身及設(shè)備的安全，主、副廠房及開關(guān)站的接地保護裝置按《電力設(shè)備接地設(shè)計技術(shù)規(guī)程》規(guī)定設(shè)置。本電站除獨立避雷針外的防雷接地，全廠工作接地、保護接地，共享一個接地網(wǎng)。接地網(wǎng)由廠房及尾水接地網(wǎng)等幾部分組成，并盡可能利用建筑物混凝土中的鋼筋、機組外殼、尾水管、門槽基礎(chǔ)鋼管等自然接地體。水電站接地電阻值應(yīng)不大于10Ω，大接地系統(tǒng)不大于4Ω。如不滿足規(guī)程要求，需敷設(shè)人工接地網(wǎng)。

五、小型水電站電氣設(shè)計注意事項

1.注意問題。其一，應(yīng)注意選擇合適發(fā)電機中性點的接地方式，通常情況下會采用中性點直接接地的三相四線接線方式，這樣不僅能夠滿足變壓以及照明的要求，而且還會防止中性線中因電流過大而造成發(fā)電機的損壞。其二，是一次電氣設(shè)備的選型以及布置的問題，由于小型水電站一般內(nèi)部比較小，為了充分的利用空間，可以采取機旁現(xiàn)地布置的方法來布置機組控制保護屏、勵磁屏、低壓屏以及主變控制保護屏等設(shè)施。其三，是互感器的設(shè)置，設(shè)置電流互感器的目的是有效的測量或保護升變電站，而在進行斷電器配套的互感器設(shè)置時，應(yīng)考慮到其穩(wěn)定性不高且精度低、容量小的特點，對其進行單獨的設(shè)置。

2.保障措施。針對小型水電站電氣一次設(shè)計常見問題，保障小型水電站電氣設(shè)計質(zhì)量的有效措施，主要體現(xiàn)在電氣主接線設(shè)計與變壓器選擇上。電氣主接線設(shè)計需要滿足運行靈活、供電可靠、維護便捷、經(jīng)濟安全等要求，對此，在保障電力系統(tǒng)安全運行基礎(chǔ)上，發(fā)揮主接線對短路電流的限制作用，同時通過嚴格把控設(shè)備占地、設(shè)備經(jīng)濟性能，降低水電站設(shè)計資源消耗，維護電力企業(yè)運營效益。在選擇變壓器時，應(yīng)根據(jù)不同等級水電站負荷情況，合理選擇、配置變壓器規(guī)格、數(shù)量。但是由于電力系統(tǒng)符合會因各種因素而發(fā)生變化，所以導致水電站各節(jié)點電壓會隨之改變，因此，對于部分電壓變化較大的水電站，如果普通變壓器不能滿足電力系統(tǒng)安全運行、用戶電壓要求時，可以選用有載調(diào)壓變壓器。

3.加強設(shè)計人員的培訓工作。設(shè)計人員隨著時代的不斷發(fā)展，信息技術(shù)也獲得了極大的提升，因此，必須要不斷地通過培訓、學習來提升自身的專業(yè)能力，促使自身能夠與科技的發(fā)展共同進步。針對小型水電站來講，除了規(guī)模與標準存在差異之外，其他的設(shè)計工作幾乎都與其他類型水電站的設(shè)計相符。但是，與大型水電站設(shè)計不同的是，小型水電站除了需要對設(shè)計有充分的了解以外，同時也需要具備一定的處理能力。

4.嚴格遵循行業(yè)技術(shù)法規(guī)進行設(shè)計。設(shè)計人員必須要將小型水電站的相關(guān)設(shè)計規(guī)定、標準作為依據(jù)，展開設(shè)計工作。針對小型水電站的設(shè)計工作來講，不僅需要對其廠房建筑物的布置、機電設(shè)計以及資源利用有充分的考慮，同時還需要考慮生態(tài)環(huán)境、施工管理、水庫移民等問題。確保小型水電站的設(shè)計能夠更加具有安全性與可靠性。

結(jié)束語：隨著我國的經(jīng)濟發(fā)展腳步正在不斷加緊，同時也對水電站的設(shè)立提出了更高的要求。水電站機電設(shè)備工作的可靠性、穩(wěn)定性和安全性，深受電氣一次設(shè)計影響。本文對水電站電氣一次設(shè)計思路、流程及關(guān)鍵點進行了分析和探討，從設(shè)計方法、計算要點、設(shè)備選型等方面進行了介紹，是水電站設(shè)計流程更加清晰明了，在提高設(shè)計效率的同時，保證系統(tǒng)及設(shè)備的可靠性、靈活性、經(jīng)濟性。在水電站設(shè)計初期，電氣一次設(shè)計的合理和清晰，能夠有效節(jié)省電站建設(shè)成本。