中小型水電站電氣主接線設(shè)計分析

梁海英

（陽江市水利水電勘測設(shè)計有限公司，廣東 陽江 529900）

0 引言

電氣主接線系統(tǒng)的設(shè)計質(zhì)量會對電力系統(tǒng)的可靠性、安全性、經(jīng)濟性產(chǎn)生直接影響。現(xiàn)階段，為保證電氣主接線系統(tǒng)滿足水電站預(yù)定功率傳輸、運行等方面的要求，水電站方面應(yīng)在明確電氣主接線設(shè)計工作注意事項的基礎(chǔ)上，開展電氣主接線系統(tǒng)設(shè)計，以實現(xiàn)提升電氣系統(tǒng)整體安全性、可靠性的目的。

1 電氣主接線設(shè)計原則

數(shù)據(jù)調(diào)查顯示，2022 年我國總發(fā)電量達到了88487.1 億kW·h，其中，火電、水電與風(fēng)電發(fā)電量在總發(fā)電量中的占比為66.5%、15.3%、8.6%。其中，水電作為一種清潔的能源，其發(fā)電量呈逐年上漲的態(tài)勢，在低碳化社會的發(fā)展背景下，為進一步提升水電供應(yīng)工作的安全性與可靠性，緩解我國的電力供求矛盾，人們提高了對中小型水電站的關(guān)注度。電氣主接線作為電站中的主要電力輸配系統(tǒng)，其運行質(zhì)量與水電站的供電安全之間存在著直接的聯(lián)系?，F(xiàn)階段，為保障電氣系統(tǒng)運行的可靠性，在開展電氣主接線設(shè)計工作時，工作人員需盡可能提高設(shè)計方案的靈活性、可靠性、安全性、經(jīng)濟性。從靈活性的角度說，為保障電氣主接線系統(tǒng)擴建的靈活性，開展中小型水電站電氣主接線設(shè)計時，工作人員應(yīng)通過合理優(yōu)化發(fā)電機、變壓器、工作線路等方式，保證系統(tǒng)可以在運行或檢修的過程中，完成系統(tǒng)的安全調(diào)度，盡可能降低開關(guān)操作的次數(shù)?？煽啃栽瓌t是當(dāng)前中小型水電站電氣主接線設(shè)計工作中最基本的原則，為保證這一原則的價值得到有效發(fā)揮，在開展電氣主接線設(shè)計工作時，工作人員可以將設(shè)計重點放在：①保證系統(tǒng)在斷路檢修環(huán)節(jié)，仍能正常供電。②若斷路器或母線出現(xiàn)問題，也可以通過盡可能降低停運時間的方式，保證電力供應(yīng)工作的質(zhì)量。從安全性的角度看，在中小型水電站電氣主接線設(shè)計環(huán)節(jié)，應(yīng)保證系統(tǒng)在任意一種運行狀態(tài)或檢修工作中，都能保障電氣設(shè)備與工作人員的安全性，以便在管控電氣系統(tǒng)運行檢修成本的同時，提升電力供應(yīng)工作的安全性。經(jīng)濟性指的是在開展中小型水電站電氣主接線設(shè)計工作時，可以在保證電氣主接線系統(tǒng)運行穩(wěn)定性的基礎(chǔ)上，通過盡量縮小設(shè)備占地面積、優(yōu)化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、減少元件用量等方式，提高系統(tǒng)運行的經(jīng)濟效益[1]。

2 電氣主接線設(shè)計的注意事項

2.1 解決近區(qū)負荷供電問題

相較于火電站，大部分水電站修建在較為狹小的山區(qū)地帶，開關(guān)站不會作為分配或中轉(zhuǎn)電能的變電站，這使得水電站和負荷中心間存在較遠的距離。同時，大部分水電站通常為一次性建設(shè)完畢，后續(xù)并不會進行擴建。近年來，受城市化進程的不斷加快，城市邊緣逐漸向外擴張，在一定程度上，縮短了城市與水電站之間的距離，為滿足用戶對電力資源的需要，在開展中小型水電站電氣主接線設(shè)計工作時，需解決近區(qū)負荷的供電需求。

2.2 過電壓保護與接地設(shè)計

為保證中小型水電站電壓保護與接地設(shè)計安全，工作人員應(yīng)當(dāng)以水電站所在環(huán)境為基礎(chǔ)開展設(shè)計工作。以某水電站為例，工作人員構(gòu)建了直擊雷保護系統(tǒng)，實現(xiàn)了電氣主接線系統(tǒng)的過電壓保護。首先，工作人員通過將避雷設(shè)備安裝于該水電站屋頂處，然后將扁鋼與地網(wǎng)連接到一起的方式實現(xiàn)了雷擊風(fēng)險的有效管控。其次，為避免雷電波電流破壞電氣設(shè)備，工作人員在35kV 母線處安裝了一組氧化鋅Y5W-42/134 型避雷裝置。再次，為實現(xiàn)雷電侵入的過電壓保護，該水電站通過在35kV 進線處設(shè)置了一道1～2km 的避雷線，使得經(jīng)過避雷器的電流值始終在5000A 以下。最后，該水電站的避雷接地系統(tǒng)主要由垂直接地體與水平接地體共同構(gòu)成，其中，垂直接地體是由長度為2.5m 的50mm×5mm角鋼組成，水平接地體則是由長度為30m 的40mm×4mm 扁鋼組成，且接地體的電阻值小于10Ω[2]。

2.3 微機監(jiān)控與自動化系統(tǒng)

為了在保證中小型水電站運營管理質(zhì)量的基礎(chǔ)上，減少值班人數(shù)，水電站方面，可以將計算機監(jiān)控系統(tǒng)融入電氣主接線系統(tǒng)設(shè)計工作中，實現(xiàn)主接線系統(tǒng)運行狀況的實時監(jiān)控。舉例來說，某水電站將分層分布式結(jié)構(gòu)的DZWX-2000 水電站計算機監(jiān)控系統(tǒng)融入電氣主接線系統(tǒng)中，并應(yīng)用SDT 通信協(xié)議，實現(xiàn)了上位機與信管系統(tǒng)間的通信。在監(jiān)控工作開展時，監(jiān)控主機可以自主開展水電站電氣主接線系統(tǒng)數(shù)據(jù)的收集、整理、監(jiān)控等工作，并在發(fā)現(xiàn)系數(shù)參數(shù)存在異常時，及時發(fā)出警報信息并登記異常數(shù)據(jù)，便于工作人員采用合適的方法對其進行處理。

2.4 裝設(shè)發(fā)電機斷路器方案

對于水電站來說，需要在構(gòu)建電氣主接線系統(tǒng)時，為每一個發(fā)電機變壓器單元極端處安裝發(fā)電機出口斷路器，在保證水電站同期能夠基于斷路器完成的同時，滿足頻繁操作發(fā)電機斷路器的運轉(zhuǎn)需求。

3 電氣主接線設(shè)計的具體內(nèi)容

3.1 發(fā)電機電壓側(cè)接線

主變壓器作為中小型水電站系統(tǒng)中的關(guān)鍵設(shè)備，其運轉(zhuǎn)質(zhì)量與水電站發(fā)電情況之間存在著直接的聯(lián)系，為保證主變壓器能夠正常運轉(zhuǎn)，工作人員應(yīng)結(jié)合水電站的規(guī)模，選擇合適型號數(shù)量的主變壓器，然后通過采用單母線與單母線分段接線、單元接線、擴大單元接線等方式，將主變壓器與電氣主接線系統(tǒng)連接到一起的方式，保證主接線系統(tǒng)電力資源運輸工作的正常進行。

首先，單母線接線是一種接線方式相對簡單的主變壓器連接方法，但是，在實踐中，若母線出現(xiàn)了故障，那么在檢修工作開展時，水電站需要開展全站停機活動，以便保證檢修人員與電氣設(shè)備的安全。從總體上看，單母線接線方法在應(yīng)用時會對水電站的正常運營造成一定的阻礙。為解決這一問題，在開展接線工作時，水電站可以采取單母線分段接線的方式，通過并聯(lián)母線的方式，降低運維工作對水電站運營管理造成的阻礙。具體來說，在發(fā)現(xiàn)單母線存在問題時，工作人員可以通過啟動與該母線并聯(lián)的另一條母線的方式，保證水電站的正常工作，在保障水電站運維安全性的同時，提高電氣主接線系統(tǒng)線路的清晰度，達到強化運維管理工作可靠性的目的。

其次，單元接線是在主變壓器下連接兩條直線，這條直線與廠用變壓器連接到一起，另一條與發(fā)電機組連接到一起。這種采用兩備一臺主變壓器即可完成相應(yīng)工作任務(wù)條線路開展分流工作的方式，有效增強了水電站主接線系統(tǒng)運轉(zhuǎn)的可靠性，提高了主變壓器與發(fā)電機之間的匹配容量，降低了因發(fā)電機運轉(zhuǎn)而出現(xiàn)的輸電線路過熱故障現(xiàn)象[3]。但相較于單母線連接方式，單元接線模式在應(yīng)用時會導(dǎo)致接近成本有所上升。

最后，擴大單元接線在應(yīng)用時有效簡化了電氣主接線系統(tǒng)的布置方式，例如，大部分中小型水電站保證變壓器的運轉(zhuǎn)安全，會配備兩臺主變壓器。但在應(yīng)用擴大單元接線模式后，水電站方面僅需配置一臺主變壓器即可滿足系統(tǒng)使用需要.在運行的過程中，即使此設(shè)備產(chǎn)生了異常情況，出現(xiàn)停機等問題，也可以通過備用裝置保障系統(tǒng)運行，確保變壓器運作成效，及時為水電站運轉(zhuǎn)提供保障。

3.2 升高電壓側(cè)的接線

大部分水電站的主變壓器主要是以繞組變壓器為核心。此類裝置與其他設(shè)備相比絕緣性更強，且可以在高溫環(huán)境下正常運作。因此在使用穩(wěn)定性與安全性方面可以得到良好保障，不僅能夠緩解高峰期水電站運行的工作壓力。而且還能夠通過與主接線系統(tǒng)相關(guān)聯(lián)的形式，工作人員可以按照接線的不同位置，選擇變壓器線路組接線、單母線和單母線分段接線、橋形連接等高壓側(cè)接線方式。

首先，變壓器線路組接線是一種相對簡便的接線方式，在應(yīng)用時可以利用外加導(dǎo)流線路。提升變壓器的運轉(zhuǎn)效率，并且，相較于變壓器的運轉(zhuǎn)情況，這一方式連接變壓器所產(chǎn)生的電阻可以忽略不計。但需要注意的是，在應(yīng)用變壓器線路組接線模式時，變壓器系統(tǒng)出現(xiàn)故障，那么水電站方面需要將全站進行停電處理后才能開展后續(xù)檢修工作，這在一定程度上降低了電站供電服務(wù)質(zhì)量，為解決這一問題，諸多企業(yè)會借助系統(tǒng)創(chuàng)新解決線路組接線方面的問題。

其次，還有一種接線方式廣受人們關(guān)注，便是單母線接線。此種接線處理成本較低，可以保障經(jīng)濟效益。在具體運作的過程中，由于此類接線形式連接的設(shè)備類型較少，因此在使用方面，同一母線所承擔(dān)的電流電壓數(shù)據(jù)也會進一步降低。因此這一技術(shù)方法的適用范圍較小?，F(xiàn)階段，為保證單母線和單母線分段接線方式的應(yīng)用價值能夠在水電站電氣主接線設(shè)計工作中得到充分發(fā)揮，工作人員可以通過將某一段母線與發(fā)電機所連接到一起的方式，提高工作的繼電保護效果。同時，工作人員可以通過在母線旁邊增設(shè)隔離開關(guān)的方式，避免電氣主接線系統(tǒng)在運轉(zhuǎn)故障時，因故障部位檢修，導(dǎo)致系統(tǒng)整體出現(xiàn)斷電問題[4]。

最后，部分中小型水電站的兩繞組變壓器接線方式為“兩進兩出”的橋形連接方式。在實際接線過程中，工作人員會使用單母線接線處理形式，但是由于此類技術(shù)運用下回路變壓器功率極易出現(xiàn)偏差情況，導(dǎo)致線路難以正常連接到一起，進而導(dǎo)致水電站的發(fā)電功率有所下降。為解決上述問題，工作人員可以應(yīng)用橋形連接手段，以此確保變壓器回路功率的穩(wěn)定性，在強化系統(tǒng)電氣主接線效果的同時，保障設(shè)計的合理性與科學(xué)性。

3.3 電氣設(shè)備的選擇

在開展電氣設(shè)備選擇工作時，首先，工作人員需要以中小型水電站的具體情況為基礎(chǔ)，明確電氣主接線系統(tǒng)的類型，然后在電氣設(shè)備容量范圍內(nèi)開展設(shè)計規(guī)劃工作，合理調(diào)整設(shè)備元件的數(shù)量與容量，然后在主接線環(huán)節(jié)中對地線所處位置的環(huán)境，氣溫，水溫條件等信息進行研究，盡可能降低各類因素對主接線系統(tǒng)配電裝置正常運轉(zhuǎn)造成的不利影響。

其次，在擬定主接線方案時，工作人員可以按照設(shè)計任務(wù)書的具體安排，完成其他主接線施工方案規(guī)劃工作，考慮到在不同環(huán)境下，主接線系統(tǒng)的線回路數(shù)，電壓等級，容量與母線結(jié)構(gòu)等因素存在著較為明顯的差異，因此現(xiàn)系統(tǒng)設(shè)計施工方案也存在一定的差別，為提高方案的實用性與可靠性，工作人員需要對相應(yīng)方案加以比較，從中選出最優(yōu)的方案為后續(xù)電氣主接線工作的開展提供支持。

再次，水電站中主變壓器的參數(shù)會對主接線形式、配電結(jié)構(gòu)產(chǎn)生影響，因此，在開展電氣主機械設(shè)計工作時，工作人員應(yīng)確定主變壓器的臺數(shù)，容量以及相數(shù)。①水電站中主變壓器的接線方式會對系統(tǒng)運維檢修工作中水電站工作狀態(tài)產(chǎn)生影響。因此，為了在提升水電站主變壓器運轉(zhuǎn)安全性與經(jīng)濟性的同時，降低電氣主接線系統(tǒng)運維檢修難度，水電站方面可以應(yīng)用兩臺主變壓器互為備用變壓器的方式，發(fā)揮電氣系統(tǒng)構(gòu)建時的經(jīng)濟優(yōu)勢。②在水電站發(fā)電機電壓母線出現(xiàn)最大發(fā)電機組停運的問題，那么主變壓器需要從系統(tǒng)向發(fā)電機組處倒送電，考慮到當(dāng)前發(fā)電機電壓母線與系統(tǒng)間連接的主變壓器臺數(shù)為2，當(dāng)其中容量最大的一臺變壓器因事故斷開線路連接時，另一臺主變壓器可以在允許過負荷的情況下開展母線剩余功率的輸送工作，并且，在此過程中母線功率的輸送效率大多在70%以上。對此，結(jié)合系統(tǒng)運行過程中對于經(jīng)濟性的要求，設(shè)計人員可以通過開展輸出功率限制工作的方式，發(fā)揮發(fā)電機組中電壓負荷的優(yōu)勢。相較于同容量單相變壓器，雙相、三相變壓器不僅有著占地面積較小、成本偏低的優(yōu)點，而且變壓器在運行時的損耗也比較低。因此在選擇變壓器時，水電站可以結(jié)合自身的實際情況，選擇雙向或三向的變壓器。例如，若水電站附近道路運輸條件，無法滿足大容量三相變壓器運輸要求，那么水電站可以通過選擇雙向變壓器或兩臺小容量三相變壓器用以代替一臺大容量三相變壓器的方式，滿足水電站對于變壓器選擇可靠性與經(jīng)濟性的需要[5]。

最后，電氣設(shè)備的選型與電站整體運營工作質(zhì)量息息相關(guān)，一般的中小型水電站會采用機旁控制的布置方式，在節(jié)省空間的同時便于工作人員開展電氣設(shè)備開機停用管控工作?，F(xiàn)階段，為保證電氣設(shè)備布置工作能夠滿足水電站主接線設(shè)計工作的需要，工作人員可以在明確水電站具體建筑結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，秉承高效利用空間、成本有效管控的原則，開展設(shè)備選型、布置工作，確保電氣設(shè)備的作用能夠正常發(fā)揮。

4 結(jié)語

水電站是滿足社會供電需求的主要電力生產(chǎn)方式之一，在社會經(jīng)濟迅猛發(fā)展的背景下，人們對電力資源的需求量迅速上升，為滿足社會對電力資源的需求，可以在明確水電站具體情況的基礎(chǔ)上，開展水電站電氣主接線設(shè)計優(yōu)化工作，切實滿足水電站發(fā)電、供電工作的需要，為電力行業(yè)的健康發(fā)展、社會經(jīng)濟效益的穩(wěn)定增長提供支持。