裴成道，金龍哲， 呂悅慧，鄭立坤

（1.吉林省通化市地方水電管理站，通化 134001；2.吉林省長白朝鮮族自治縣水利局，長白 134400）

我國東北地區(qū)疆域遼闊，河流眾多，蘊(yùn)藏著極為豐富的水能資源。建國60多年來，水電事業(yè)取得了長足的發(fā)展，已成為我國能源的重要組成部分，特別是水電農(nóng)村電氣化工作在全國的普遍開展，為節(jié)能環(huán)保的小水電事業(yè)提供了一個(gè)良好的契機(jī)，國家投入大量的資金支持小水電的發(fā)展，如何用好這筆資金，發(fā)揮其最大的經(jīng)濟(jì)效益，對(duì)我國的能源建設(shè)具有十分重要的意義。但是近年來我國農(nóng)村微型水電站在設(shè)計(jì)和規(guī)劃上存在很多問題：比如設(shè)計(jì)深度不夠、水文資料不全，設(shè)備選型不合理，大馬拉小車或小馬拉大車現(xiàn)象較普遍，夏季豐水期棄水、枯水期停機(jī)，汛期垮壩，給人民生命財(cái)產(chǎn)造成了很大損失。因此農(nóng)村微型水電站要達(dá)到科學(xué)有效地利用水能資源的目的，首先，在設(shè)計(jì)上要充分掌握水文資料，電站設(shè)計(jì)方案的比較要科學(xué)合理,自動(dòng)化程度和環(huán)保節(jié)能要達(dá)到水利部 《農(nóng)村水電技術(shù)現(xiàn)代化指導(dǎo)意見》的要求。下面就農(nóng)村微型水電站在設(shè)計(jì)方面應(yīng)注意的幾個(gè)問題進(jìn)行探討。

1 溢流壩、沖砂閘及進(jìn)水閘布置

1.1 溢流壩

在徑流式電站溢流壩壩型選擇上，用三個(gè)壩型比較后確定，一、漿砌石面板重力壩；二、砼面板堆石壩；三、砼支墩壩。溢流壩設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)要達(dá)到二十年一遇，校核為三十年一遇。壩的設(shè)計(jì)不要太高，按設(shè)計(jì)引用容量來設(shè)計(jì)。

1.2 進(jìn)水閘布置

進(jìn)水閘為鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，進(jìn)水口前布置一道或兩道攔污柵，攔污柵面積要閘門的3倍為好，防止漂浮物進(jìn)入引水洞（引水渠道）。

1.3 沖砂閘布置

設(shè)計(jì)左沖砂閘底板高程比進(jìn)水口底板高程要低0.7米右，進(jìn)水口在河的左岸時(shí)沖沙閘要布置在靠近河的右岸，進(jìn)水口在河的右岸時(shí)沖沙閘要布置在靠近河的左岸，防止沖沙閘排雜物時(shí)進(jìn)水口堆滿雜物。

2 水輪機(jī)的選擇

水輪機(jī)是水電站一個(gè)十分重要的設(shè)備，水流的動(dòng)能和勢能轉(zhuǎn)換成機(jī)械能就是通過水輪機(jī)來實(shí)現(xiàn)的。水輪機(jī)選擇合理與否，直接影響到機(jī)組的效率和運(yùn)行的安全性和經(jīng)濟(jì)性。

2.1 水輪機(jī)臺(tái)數(shù)的確定

農(nóng)村水電站機(jī)組臺(tái)數(shù)與電站的投資、運(yùn)行維護(hù)費(fèi)用、發(fā)電效益以及運(yùn)行人員的組織管理等有著密切的關(guān)系。多年設(shè)計(jì)和運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)表明：東北農(nóng)村微型水電站機(jī)組臺(tái)數(shù)一般為1～4臺(tái)，且型號(hào)應(yīng)盡量相同，以利于零部件通用和維修管理，其中每座電站2臺(tái)機(jī)組居多。而且必須要選一臺(tái)冬季 （枯水期）能保證出力的小機(jī)組，因?yàn)槎净旧献羁菁竟?jié)來水量很小。

2.2 水輪機(jī)型號(hào)的選擇

水輪機(jī)型號(hào)的選擇合理與否，直接影響到水輪機(jī)的運(yùn)行效率、汽蝕和振動(dòng)等。選擇型號(hào)時(shí)，既要考慮水輪機(jī)生產(chǎn)廠家的技術(shù)水平和運(yùn)輸?shù)姆奖愠潭?，又要確保水輪機(jī)常處于較優(yōu)的運(yùn)行工況，即盡量處于水輪機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)特性曲線圖的高效區(qū)。尤其是機(jī)組運(yùn)行時(shí)，水頭的變化不要超過水輪機(jī)性能表的水頭范圍，否則會(huì)加劇水輪機(jī)汽蝕和振動(dòng)，降低水輪機(jī)效率。

2.3 機(jī)組安裝高程的確定

水輪機(jī)的安裝高程過大，則理論吸出高度（hs）偏小，水輪機(jī)安裝偏低，加大廠房基礎(chǔ)開挖量；反之，若水輪機(jī)的安裝高程偏小，則理論吸出高度（hs）偏大，會(huì)引起水輪機(jī)可能在運(yùn)行時(shí)轉(zhuǎn)輪產(chǎn)生汽蝕、振動(dòng)等不良現(xiàn)象，因而縮短機(jī)組的運(yùn)行壽命。

根據(jù)水利電力出版社出版的小型水電站 （中冊(cè)）水輪機(jī)部分，第二章、第二節(jié)水輪機(jī)允許吸出高度的計(jì)算方法公式進(jìn)行計(jì)算：

①臥式機(jī)組：▽安=Z下+hs-▽/900-D/2

②立式機(jī)組：▽安=Z下+hs-▽/900

式中Z下——尾水渠最低水位（m）；

hs——水輪機(jī)理論吸出高度（m），查水輪機(jī)應(yīng)用

范圍圖及 hs=f（H）曲線；

D——水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪直徑（m）；

▽——水電站廠房所在地的海拔高程（m）。

為了消除或減輕水輪機(jī)汽蝕，可將計(jì)算出的▽按降低0.2～0.3m確定安裝高程。

2.4 調(diào)速器的選擇

我國水輪機(jī)調(diào)速器的發(fā)展經(jīng)歷了由機(jī)械液壓調(diào)速器、電子管電液調(diào)速器、晶體管電液調(diào)速器、集成電路電液調(diào)速器和微機(jī)調(diào)速器等幾個(gè)階段。大多屬于并列PID電子調(diào)速器式系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，但其伺服系統(tǒng)已由開始的電液隨動(dòng)系統(tǒng)單一模式發(fā)展為目前的多種形式，使微機(jī)調(diào)速器的伺服系統(tǒng)呈顯出多樣化的局面。根據(jù)電液轉(zhuǎn)換元件的不同可以分為電液伺服系統(tǒng)和數(shù)液伺服系統(tǒng)。而且傳統(tǒng)的低油壓水輪機(jī)調(diào)速器及油壓裝置現(xiàn)在發(fā)展為高油壓水輪機(jī)調(diào)速器。高油壓調(diào)速器具有十分顯著的技術(shù)經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢：

（1）高油壓水輪機(jī)調(diào)速器應(yīng)用了電液比列隨動(dòng)裝置，電液數(shù)字隨動(dòng)裝置等現(xiàn)代電液控制技術(shù)，減少了調(diào)速器的液壓放大環(huán)節(jié)、結(jié)構(gòu)簡單、工作可靠，具有優(yōu)良的速動(dòng)性及穩(wěn)定性。

（2）高油壓水輪機(jī)調(diào)速器的液壓元器件為大批量工業(yè)化生產(chǎn)、具有強(qiáng)大的技術(shù)支撐，質(zhì)量可靠；標(biāo)準(zhǔn)化程度高，國內(nèi)外產(chǎn)品資源豐富、采購方便。

（3）高油壓水輪機(jī)調(diào)速器的工作油壓高，因而體積小，重量輕，用油量也小，電站布置方便，美觀，工作油壓10MPa—16MPa。

（4）采用囊式畜能器儲(chǔ)能，膠囊內(nèi)所充氮?dú)馀c液壓油不直接接觸，這樣不僅使液壓油因不易老化而延長了使用壽命，還不需設(shè)置高壓空氣系統(tǒng)，使電站節(jié)約一筆可觀的投資和運(yùn)行費(fèi)用。

因此電站最好選擇微機(jī)控制的高油壓水輪機(jī)調(diào)速器，發(fā)電機(jī)單機(jī)容量小于320kW不用調(diào)峰的電站也可選擇彈簧儲(chǔ)能操作器 ，他可與微機(jī)相聯(lián)后實(shí)現(xiàn)自動(dòng)關(guān)機(jī)和開機(jī),減少投資。

2.5 勵(lì)磁系統(tǒng)的選擇

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，同步發(fā)電機(jī)勵(lì)磁系統(tǒng)大概分為三個(gè)階段，即直流勵(lì)磁系統(tǒng)方式，交流勵(lì)磁系統(tǒng)方式，半導(dǎo)體靜止勵(lì)磁方式。半導(dǎo)體靜止勵(lì)磁方式是可控硅勵(lì)磁（交流勵(lì)磁系統(tǒng)）大容量發(fā)電機(jī)，現(xiàn)在基本上都選用可控硅勵(lì)磁的勵(lì)磁方式，因?yàn)榭煽毓鑴?lì)磁容量要比硅整流勵(lì)磁的大得多。

單機(jī)容量小于320kW的電站要選擇無刷勵(lì)磁系統(tǒng)，因?yàn)闊o刷勵(lì)磁系統(tǒng)沒有滑環(huán)與碳刷等滑動(dòng)接觸部件，轉(zhuǎn)子電流不再受接觸部件技術(shù)條件的限制，因此特別適合于小容量發(fā)電機(jī)組，運(yùn)行費(fèi)用低。

3 電氣主接線的擬定

電站的電氣主接線是運(yùn)行人員進(jìn)行各種操作和事故處理的重要依據(jù)之一。農(nóng)村微型水電站裝機(jī)容量往往有限，一般裝機(jī)臺(tái)數(shù)不超過4臺(tái)，相應(yīng)電站的電壓等級(jí)和回路數(shù)以及主變的臺(tái)數(shù)都較少?？紤]到小水電站 （尤其是單機(jī)100 kW以下的微型電站）的機(jī)電設(shè)備供應(yīng)比較困難，運(yùn)行和管理人員的文化及業(yè)務(wù)素質(zhì)普遍較低，要熟練掌握操作、檢修、處理故障及優(yōu)化運(yùn)行等技術(shù)難度較大。因此，農(nóng)村小水電站的電氣主接線在滿足基本要求的前提下，應(yīng)力求采用簡單、清晰而又符合實(shí)際需要的接線形式。

對(duì)于1臺(tái)機(jī)組，宜采用發(fā)電機(jī)—變壓器組單元接線；對(duì)于2～3臺(tái)機(jī)組，宜采用單母線不分段接線，共用1臺(tái)主變；對(duì)于4臺(tái)機(jī)組，宜采用2臺(tái)主變用隔離開關(guān)進(jìn)行單母線分段，以提高運(yùn)行的靈活性。

4 變壓器選擇

選擇變壓器容量時(shí)比發(fā)電機(jī)額定容量的125%來選擇，比如發(fā)電機(jī)容量320千瓦時(shí)應(yīng)選500kVA變壓器，這樣變壓器運(yùn)行溫度正常、使用壽命長等優(yōu)點(diǎn)并且變壓器損耗相對(duì)小。

5 電力電纜選擇

電力電纜選擇時(shí)必須鎧裝銅芯電纜，并且每平方毫米按2安培來選比較安全合理，電纜不發(fā)熱。

6 發(fā)電機(jī)保護(hù)屏選擇

一般小型電站裝機(jī)容量都比較小，電站的發(fā)電機(jī)的測量、監(jiān)視表計(jì)、斷路器、互感器及保護(hù)裝置以及勵(lì)磁電流和勵(lì)磁電壓等的監(jiān)視和測量、同期裝置等都要裝在發(fā)電機(jī)控制屏上（三合一屏）。

7 微機(jī)綜合自動(dòng)化保護(hù)裝置

在農(nóng)村小型水電站實(shí)際運(yùn)行過程中，由于主、客觀的因素，可能發(fā)生故障和不正常運(yùn)行狀態(tài)。最常見的故障是各種不同形式的短路故障，短路故障可能造成下列嚴(yán)重后果：

（1）電力系統(tǒng)中部分地區(qū)的供電電壓大大地降低，破壞電能用戶的正常工作，甚至使生產(chǎn)出現(xiàn)大量廢品。

（2）由于故障點(diǎn)流過很大的短路電流而產(chǎn)生電弧，使故障設(shè)備燒壞。

（3）由于故障電流很大，因此產(chǎn)生熱和電動(dòng)力的作用，常使故障元件和某些非故障元件破壞或損傷，從而縮短使用壽命。

（4）破壞電力系統(tǒng)各發(fā)電廠之間并列運(yùn)行的穩(wěn)定性，這是最嚴(yán)重的后果，它往往使整個(gè)電力系統(tǒng)瓦解，造成大面積停電。

人們?yōu)榱搜杆俚厍谐收?，常采用繼電保護(hù)裝置。因?yàn)樗苎杆俚亍⒆詣?dòng)地將故障元件從電力系統(tǒng)中切除，保證非故障部分的正常運(yùn)行，大大提高了供電的可靠性，使故障元件免于繼續(xù)受到損壞，這是繼電保護(hù)的第一個(gè)任務(wù)。

除故障情況之外，在電力系統(tǒng)中還往往出現(xiàn)不正常的工作狀態(tài)，最常見的是負(fù)荷電流超過元件的額定電流引起的過負(fù)荷，如果長期處于這種不正常的工作狀態(tài)，則引起元件絕緣老化，甚至使元件的絕緣損壞而造成故障，這是不允許的。其次是發(fā)電機(jī)的出力不足引起的頻率降低，水輪發(fā)電機(jī)突然甩負(fù)荷產(chǎn)生的過電壓等。這是不正常的工作狀態(tài)，必須及時(shí)地發(fā)現(xiàn)，并進(jìn)行處理，以免造成事故。因此，微機(jī)綜合自動(dòng)化保護(hù)的第二個(gè)任務(wù)就是在不正常運(yùn)行狀態(tài)時(shí)自動(dòng)地、有選擇性地、帶延時(shí)地發(fā)出信號(hào)。因此農(nóng)村小水電站微機(jī)綜合自動(dòng)化護(hù)必須達(dá)到四點(diǎn)：選著性、快速性、靈敏性、可靠性。

農(nóng)村微型水電站主保護(hù)裝置的配置應(yīng)在滿足繼電保護(hù)基本要求的前提下，力求簡單可行、維護(hù)檢修方便、造價(jià)低及運(yùn)行人員容易掌握等。

7.1 過電流保護(hù)

實(shí)現(xiàn)水電站無人值班，水電站應(yīng)有 “可靠”、自動(dòng)的控制系統(tǒng)，完善的保護(hù)系統(tǒng)和可靠的電源，能在最不利的情況下保證發(fā)電機(jī)組的斷路器跳開、運(yùn)行的機(jī)組正常停運(yùn)，導(dǎo)葉前的進(jìn)水閥或快速閘門關(guān)閉，微機(jī)綜合自動(dòng)化保護(hù)達(dá)到三遙功能（遙信、遙測、遙控），單機(jī)800 kW以下的機(jī)組，可以采用自動(dòng)空氣斷路器的過電流脫扣器作為過流及短路保護(hù)，其動(dòng)作整定值可以通過調(diào)整銜鐵彈簧拉力來整定，整定值一般為發(fā)電機(jī)額定電流的1.35～1.7倍。為了提高保護(hù)的可靠性，還可采用過流繼電器配合空氣斷路器欠壓脫扣器作過流及短路保護(hù)，繼電器線圈電源取自發(fā)電機(jī)中性點(diǎn)的1組（3只）電流互感器，繼電器動(dòng)作值亦按發(fā)電機(jī)額定電流的1.35～1.7倍整定。

原理：當(dāng)發(fā)電機(jī)出現(xiàn)短路故障時(shí)，通過過流繼電器線圈的電流超過其動(dòng)作值，過流繼電器常閉接點(diǎn)斷開，空氣斷路器失壓線圈失電而釋放，跳開空氣斷路器主觸頭，切除故障元件——發(fā)電機(jī)。

7.2 變壓器過載、短路保護(hù)

變壓器高壓側(cè)采用跌落式熔斷器（或SN10-10型少油斷路器）作過載、短路保護(hù)。運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)表明，額定電壓為6～10 kV的跌落式 熔斷器只能用在560 kVA及以下的變壓器,額定電壓為10 kV的跌落式熔斷器只能用在750 kVA及以下的變壓器。當(dāng)變壓器容量超過750 kVA時(shí)，應(yīng)采用油斷路器。跌落式熔斷器熔絲按下列公式選擇：

當(dāng) Se＜100 kVA 時(shí)，熔絲額定電流=（2～2.5）×高壓側(cè)額定電流；

當(dāng)Se≥100 kVA時(shí)， 熔絲額定電流=（1.5～2）×高壓側(cè)額定電流。

7.3 變壓器的防雷保護(hù)

由于變壓器上可能出現(xiàn)正、逆變換波的過電壓，為了防止雷擊線路和變壓器，對(duì)Y/Y、Y/Y0接線的變壓器，均應(yīng)在其高低壓側(cè)各裝設(shè)1組（3只）閥型避雷器FS3-10和FS-0.38。避雷器越靠近變壓器安裝，防雷效果越好，可以將高低壓側(cè)避雷器安裝在變壓器頂蓋邊上，再將變壓器外殼、避雷器引下線和變壓器中性點(diǎn)連接在一起后，三者共同接地。一般接地引下線采用T-16線或GJ-25線。

8 結(jié)語

東北地區(qū)的農(nóng)村水電站，由于四季溫差及水量變化大，有其自身的變化規(guī)律，因此在設(shè)計(jì)過程中要充分考慮這一點(diǎn)，即：①溢流壩設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)要達(dá)到二十年一遇，校核為三十年一遇；②攔污柵面積要閘門面積的3倍為好，沖砂閘底板高程比進(jìn)水口底板高程要低0.7米；③機(jī)組臺(tái)數(shù)一般為1～4臺(tái)，且型號(hào)應(yīng)盡量相同；④水輪機(jī)安裝可將計(jì)算出的▽按降低0.2～0.3m確定安裝高程；⑤單機(jī)容量小于320KW的電站要選擇無刷勵(lì)磁系統(tǒng)、電氣主接線的擬定對(duì)于1臺(tái)機(jī)組，宜采用發(fā)電機(jī)—變壓器組單元接線。對(duì)于2～3臺(tái)機(jī)組，宜采用單母線不分段接線，共用1臺(tái)主變。對(duì)于4臺(tái)機(jī)組，宜采用2臺(tái)主變用隔離開關(guān)進(jìn)行單母線分段，以提高運(yùn)行的靈活性；⑥電站主保護(hù)裝置的配置應(yīng)在滿足繼電保護(hù)基本要求的前提下，力求簡單可行、維護(hù)檢修方便、造價(jià)低及運(yùn)行人員容易掌握。在保證安全合理的前提下，以最小的投入換取最大的經(jīng)濟(jì)效益，以達(dá)到科學(xué)有效地利用水能資源的目的。

[1]丁小平.清水河床式小型水電站設(shè)計(jì)探討[J].中國農(nóng)村水利水電，2004，（9）：73-75.

[2]盧祖貴.關(guān)于小型無調(diào)節(jié)水電站設(shè)計(jì)裝機(jī)容量的探討[J].水電站設(shè)計(jì)，2009，25（4）：63-64.

[3]水利部《水電農(nóng)村電氣化標(biāo)準(zhǔn)》（SL30-2003）水國科[2003]296號(hào).

[4]水利部《農(nóng)村水電技術(shù)現(xiàn)代化指導(dǎo)意見》水電[2003]170號(hào).

[5]湖南省水利電力勘測設(shè)計(jì)院.《小型水電站 （下冊(cè)）》[M].湖南：水利電力出版社，1981.

[6]尹剛，余少彬.低壓機(jī)組水電站安全自動(dòng)化技術(shù)的研究[J]小水電,2010,152（2）：78-81.