小型水電站技術(shù)改造工程電氣設(shè)計(jì)與注意要點(diǎn)

張圣釀

（中國水利水電第十六工程局有限公司機(jī)電制造安裝分公司，福建福州 350000）

1 小型水電站技術(shù)電氣設(shè)計(jì)類型

1.1 主接線計(jì)算復(fù)核設(shè)計(jì)

許多增效擴(kuò)建電站的運(yùn)行時(shí)間相對較長，輸電工程和系統(tǒng)的連續(xù)地址相對固定，受各組成部分的影響很難改變，因此無需再論證電站接入系統(tǒng)。如果目前的主接線相對合理，在進(jìn)行效率拓展創(chuàng)新時(shí)也可以適當(dāng)保持原接線方案的效率。根據(jù)目前的實(shí)際環(huán)境，可以了解電流的計(jì)算效果進(jìn)而選擇設(shè)備。由于內(nèi)外部因素的影響，單側(cè)電站經(jīng)常受到干擾，原來計(jì)劃的接線形式?jīng)]有了，設(shè)備的數(shù)量和類型也發(fā)生了變化。因此，大型設(shè)備的狀態(tài)與計(jì)劃不同，導(dǎo)致重復(fù)生產(chǎn)能力和消耗量增加。為改變上述環(huán)境，應(yīng)在規(guī)劃中對主接線方案進(jìn)行優(yōu)化，并復(fù)核送電能力壓降與實(shí)際效率擴(kuò)大的比率。評審時(shí)應(yīng)了解電站電流互感器的變化環(huán)境及相關(guān)電氣設(shè)備的運(yùn)行和熱穩(wěn)定環(huán)境是否能滿足遠(yuǎn)程工作的需要。其基本工作原理是在保證輸出電壓水平和接入系統(tǒng)恒定的情況下，減少改造投資，避免資金浪費(fèi)。

1.2 短路電流相關(guān)設(shè)計(jì)

針對現(xiàn)有的電力系統(tǒng)參數(shù)，提出了未來一段時(shí)間內(nèi)電力系統(tǒng)機(jī)組參數(shù)滯后、機(jī)組參數(shù)滯后、短路電流計(jì)算重疊復(fù)核等問題，并根據(jù)時(shí)代的要求適當(dāng)調(diào)整電器的型號(hào)、參數(shù)。為此，必須明確目標(biāo)，開展工程建設(shè)，提高工程質(zhì)量，甚至可以更新整個(gè)發(fā)電機(jī)。提高水輪發(fā)電機(jī)效率和擴(kuò)大發(fā)電能力最常用的方法是對舊部件進(jìn)行全面更新，但是這需要大量的資金投入，不僅會(huì)增加相關(guān)部件的負(fù)擔(dān)，而且還會(huì)導(dǎo)致公共資源超支，應(yīng)酌情采用。在增大功率之后，可以通過保持發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速恒定，確定發(fā)電機(jī)的極數(shù)，同時(shí)不斷改變絕緣浸涂施工工藝，提高絕緣等級，通過切割耐壓新材料推廣線規(guī)。另外，電機(jī)通風(fēng)冷卻系統(tǒng)的工作質(zhì)量也直接影響著發(fā)電機(jī)的溫升和膨脹。

1.3 接地檢查修復(fù)設(shè)計(jì)

水電廠對接地系統(tǒng)的規(guī)劃要求非常嚴(yán)格，一旦發(fā)現(xiàn)接地系統(tǒng)有問題，工作人員就很容易單方面發(fā)現(xiàn)危險(xiǎn)，很難保證設(shè)備的正常運(yùn)行。為提高變電所運(yùn)行參數(shù)的科學(xué)性，應(yīng)從接地電阻值著手。在對接地系統(tǒng)進(jìn)行規(guī)劃時(shí)，需要考慮工頻短路、電流等方面問題，并滿足防雷電流的要求，而這些問題在小型水電站站擴(kuò)能增效和設(shè)備改造中沒有得到足夠的重視。隨著國家電網(wǎng)的不斷發(fā)展，微機(jī)安全和通用自動(dòng)化元件在水電站中的應(yīng)用越來越廣泛，所以相關(guān)規(guī)劃者也應(yīng)該重視弱電元件對接地網(wǎng)的拉力。經(jīng)過多年來的連續(xù)使用，發(fā)現(xiàn)大面積接地網(wǎng)存在腐蝕問題，在緊張的工作環(huán)境中，特別是在大氣層中，甚至?xí)l(fā)生斷裂，所以在規(guī)劃之初就應(yīng)該進(jìn)行系統(tǒng)評估，當(dāng)評估結(jié)果與方案值有較大差異時(shí)應(yīng)對方案進(jìn)行修正。在施工過程中如果發(fā)現(xiàn)難以達(dá)到規(guī)范要求的基本指標(biāo)值，也可改變其局限性。小型水電站已成功運(yùn)行多年，改造廠房及改造水下接地網(wǎng)的難度較大，可以創(chuàng)新性地嘗試采用增加接地網(wǎng)面積的方法。

2 小型水電站技術(shù)電氣設(shè)計(jì)注意事項(xiàng)

2.1 電氣設(shè)計(jì)中設(shè)備的布置

電氣設(shè)計(jì)中，需要一次安裝時(shí)一般采用就近原則，即在機(jī)組附近就近安裝，該方法大大提高了空間利用率。在變壓器安裝過程中，必須根據(jù)實(shí)際情況和布置方案選擇合適的布置方式。經(jīng)常采用室外放置法，可以在很大程度上節(jié)約開支。但是，小型水電廠偶爾也會(huì)遇到室外空間不足的問題，這時(shí)戶外放置方式明顯不適合，則可以采用室內(nèi)放置方式。電流互感器的作用是保護(hù)變電站的設(shè)備和顯示數(shù)據(jù)，受容量值的限制，穩(wěn)定性差，是單機(jī)施工的理想選擇。變壓器主要是對高壓側(cè)電壓進(jìn)行保護(hù)，隨時(shí)監(jiān)測數(shù)據(jù)，防止頻率過高，所以需安裝在不同位置。對于水輪機(jī)自動(dòng)回路的建造和保護(hù)，在建造發(fā)電機(jī)自動(dòng)回路時(shí)，可采用滾動(dòng)軸承式的雙支點(diǎn)回路。在小型水電站勵(lì)磁裝置主要有無刷勵(lì)磁和穩(wěn)定勵(lì)磁兩種方案：無刷勵(lì)磁價(jià)格低廉，后續(xù)保護(hù)較方便，但響應(yīng)速度較理想；穩(wěn)定勵(lì)磁響應(yīng)速度較快，可簡單地作用于轉(zhuǎn)子，但成本較高、后續(xù)保護(hù)難度較大。目前，穩(wěn)定勵(lì)磁技術(shù)的應(yīng)用較廣泛。

2.2 建造過程中的各類問題

由于小型水電站的站引水系統(tǒng)布置中存在一些問題，導(dǎo)致引水式小型水電站站排沙、引水管道存在一些問題，影響其安全運(yùn)行，進(jìn)而導(dǎo)致發(fā)電流量下降。為確保小型水電站站的安全運(yùn)行，必須保證發(fā)電機(jī)與水輪機(jī)相互配合。許多小型水電站機(jī)組的機(jī)組容量小于水輪機(jī)的輸出功率，也有些大于水輪機(jī)的輸出功率，前一種情況將限制發(fā)電機(jī)功率，而后一種將擴(kuò)大發(fā)電機(jī)容量，增加發(fā)電機(jī)消耗。受多種因素的影響，在運(yùn)行過程中機(jī)組功能參數(shù)與實(shí)際運(yùn)行參數(shù)有較大差異，從而制約機(jī)組的正常運(yùn)行。尤其是少數(shù)水庫有較多的泥沙，當(dāng)泥沙進(jìn)入一側(cè)時(shí)就會(huì)對機(jī)組造成破壞、形成安全隱患。

2.3 勵(lì)磁裝置的選擇

小型水電站的設(shè)計(jì)中應(yīng)用最廣的勵(lì)磁裝置主要有兩種，即無刷勵(lì)磁和靜止勵(lì)磁，它們各有特點(diǎn)：無刷勵(lì)磁價(jià)格較低，后續(xù)維護(hù)比較方便，但反應(yīng)速度不太理想；靜止勵(lì)磁反應(yīng)的速度極快，可以直接作用在轉(zhuǎn)子上，但價(jià)格高、后續(xù)的維護(hù)也存在一定的難度（表1）。綜合分析，靜止勵(lì)磁的使用更加廣泛。

表1 無刷勵(lì)磁和靜止勵(lì)磁方式比較表

2.4 竣工驗(yàn)收結(jié)果

完成小型水電站全部技術(shù)改造后，必須對改造效果進(jìn)行驗(yàn)收，高度重視應(yīng)用成果和設(shè)備應(yīng)用機(jī)能。例如，采用增容創(chuàng)新的方法對機(jī)組進(jìn)行改造，在改造前和改造后進(jìn)行機(jī)能數(shù)據(jù)的對比，以檢驗(yàn)改造后的機(jī)組是否能夠滿足當(dāng)前的發(fā)電需求，同時(shí)檢驗(yàn)改造后的機(jī)組是否符合改造后的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)。所有經(jīng)過改造的機(jī)組都要進(jìn)行試運(yùn)行，確保通過試運(yùn)行合格后才能通過驗(yàn)收，如進(jìn)行分期改造則須進(jìn)行分期驗(yàn)收。小型水電廠的技術(shù)創(chuàng)新對許多方面都有影響，為此在技術(shù)創(chuàng)新過程中應(yīng)根據(jù)電站運(yùn)行指導(dǎo)原則，采取施工作業(yè)票連續(xù)運(yùn)行、停機(jī)停運(yùn)、合理配置施工作業(yè)面等措施，確保施工安全。

3 小型水電站技術(shù)改造措施

3.1 電氣設(shè)計(jì)的改造措施

大部分的小型水電站已經(jīng)運(yùn)行多年，在初期建設(shè)中由于技術(shù)水平有限，設(shè)備的性能不高，如果現(xiàn)在將所有的老設(shè)備都更換為新設(shè)備，費(fèi)用將會(huì)過高，因此有可能出現(xiàn)設(shè)備老化單邊維修的情況。因地理環(huán)境不同，設(shè)備受損情況也不相同，需要作出特殊的決策和改造。

（1）對發(fā)電機(jī)，注意不能改變電機(jī)的轉(zhuǎn)速和極數(shù)，若通風(fēng)冷卻系統(tǒng)有問題，也勢必會(huì)影響發(fā)電機(jī)的擴(kuò)容。在水電廠建設(shè)初期，通風(fēng)冷卻系統(tǒng)有散熱不足、噪聲大、空鼓堵塞、作業(yè)適應(yīng)性差等問題，為此必須加強(qiáng)其整頓工作。

（2）定子鐵芯的穩(wěn)定性很強(qiáng)，一般不會(huì)被破壞，但要隨時(shí)監(jiān)測，一旦鐵心發(fā)生破壞則將對整個(gè)系統(tǒng)產(chǎn)生較大影響，甚至引起重大事故，所以有必要對鐵芯進(jìn)行隱患排查，及時(shí)更換合適的原材料。另外，還需要優(yōu)化定子鐵心等部件的決策結(jié)構(gòu)。

（3）在發(fā)電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，推力軸承的軸負(fù)荷過大，一旦被挖出勢必?fù)p壞發(fā)電機(jī)，為此需參照系統(tǒng)計(jì)算的負(fù)荷值對軸承進(jìn)行修正，這時(shí)只需計(jì)算單位容量。

如果制度的衡量和保障都涉及優(yōu)化過程，就應(yīng)該積極與單邊的相關(guān)方面進(jìn)行溝通和討論，做出很好的決策。隨著科技的進(jìn)步，現(xiàn)在的電力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)已經(jīng)發(fā)生變化，用電容量也有很大提高，電力參數(shù)也會(huì)發(fā)生很大的變化，如電力系統(tǒng)已趨于自動(dòng)化水平。所以，在計(jì)算短路電流時(shí)必須考慮電流的電氣參數(shù)，并要結(jié)合電氣設(shè)備的技術(shù)指標(biāo)謹(jǐn)慎選擇。

3.2 輸水系統(tǒng)的改造措施

小型水電站技術(shù)改造的重點(diǎn)是輸水系統(tǒng)，所以要準(zhǔn)確核算。對供水設(shè)備的改造，應(yīng)著重解決水力計(jì)算問題。液壓計(jì)算最重要的部分是計(jì)算超大流量和水輪機(jī)額定水頭，主要目的是找出對策、糾正錯(cuò)誤，進(jìn)一步優(yōu)化現(xiàn)有供水系統(tǒng)。需要注意的事項(xiàng)有兩個(gè)：①磨蝕性創(chuàng)新主要適用于含沙量大的小型水電站，如果泥沙淤積量大，則會(huì)降低水電站的運(yùn)行效率、進(jìn)一步損壞設(shè)備；②深入分析泥沙淤積的原因，選取河流豐枯期泥沙條件的有關(guān)資料，利用抗磨誤差響應(yīng)法優(yōu)化現(xiàn)有水輪機(jī)布局，使之與實(shí)際泥沙條件基本一致，如有必要還可以進(jìn)行落差練習(xí)，安裝尾水能量采集裝置。

為了改善小型水電機(jī)組的流量和工作水頭，有必要對機(jī)組工作水頭進(jìn)行改造：①修建翻板式閘門，增高現(xiàn)有壩體，并粗略掌握水頭損失情況，達(dá)到提高水頭的目的；②更新和優(yōu)化攔污設(shè)備，以移動(dòng)清污機(jī)取代老式雙攔污柵，降低攔污設(shè)備的水頭損失。

4 結(jié)語

隨著時(shí)間的推移，小型水電站站將在我國有更大、更好的發(fā)展，這要求規(guī)劃者嚴(yán)格遵守電力規(guī)劃標(biāo)準(zhǔn)，及時(shí)發(fā)現(xiàn)、研究和處理規(guī)劃中的問題，同時(shí)進(jìn)行改革和創(chuàng)新，不斷優(yōu)化電力系統(tǒng)的質(zhì)量。個(gè)別小型水電站的建設(shè)周期長，技術(shù)改造工作量大，因此應(yīng)抓住創(chuàng)新重點(diǎn)，搞好施工管理，確保小型水電站機(jī)組技術(shù)創(chuàng)新后安全高效運(yùn)行，提高技術(shù)創(chuàng)新效益。