李亮

(江西省贛西土木工程勘測設(shè)計(jì)院,江西宜春 336000)

小型水電站電氣設(shè)計(jì)問題的研究

李亮

(江西省贛西土木工程勘測設(shè)計(jì)院,江西宜春 336000)

隨著時(shí)代的發(fā)展,科學(xué)的進(jìn)步,我國的電力系統(tǒng)也在向著智能化、綠色化發(fā)展。近年來,小型水電站作為新型的清潔型能源,越來越受到國家的重視。小型水電站中的電氣設(shè)備和接電線路等方面在設(shè)計(jì)上還存在著一些問題,本文針對小型水電站的電氣設(shè)計(jì)問題和原有設(shè)備改造進(jìn)行了探討。

小型水電站 電氣設(shè)計(jì) 策略

我國的電力系統(tǒng)在近幾年的發(fā)展中，小型水電站占了比較重要的部分。建設(shè)小型水電站的投資花費(fèi)少、工期短、收效快，發(fā)展速度也越來越快，技術(shù)水平也在逐步提升。下面我們針對小型水電站的電氣設(shè)計(jì)進(jìn)行介紹。

1 小型水電站的電氣設(shè)計(jì)

1.1 電氣一次設(shè)計(jì)

小型水電站的電氣一次設(shè)計(jì)比較簡單，電氣一次設(shè)計(jì)接線的回路較少，主接線發(fā)電機(jī)側(cè)多采用單元接線、擴(kuò)大單元接線、單母線接線。水電站年負(fù)荷利用小時(shí)數(shù)一般不高，機(jī)組滿發(fā)時(shí)間較短，為減少主變壓器損耗，多采用2臺主變。

1.2 電氣二次設(shè)計(jì)

小型水電站的電氣二次設(shè)計(jì)中包括多個(gè)系統(tǒng)，勵(lì)磁系統(tǒng)、信號控制測量系統(tǒng)、同期系統(tǒng)、操作電源，繼電保護(hù)以及輔助設(shè)備的自動化設(shè)計(jì)。低壓機(jī)組一體化控制屏是專為低壓組水電站設(shè)計(jì)，控制屏由發(fā)電機(jī)出口斷路器、勵(lì)磁組件、智能控制裝置、儀表等組成，實(shí)現(xiàn)了將一臺水輪發(fā)電機(jī)組的一、二次設(shè)備優(yōu)化配置在一面屏中。屏體采用全封閉結(jié)構(gòu)，具有較高的防護(hù)等級?？刂破凉δ荦R全，操作簡單，適用于單機(jī)容量1000kW以下的低壓水輪發(fā)電機(jī)組。整套設(shè)備在廠家均經(jīng)過完整測試，現(xiàn)場安裝后即可投入運(yùn)行，簡化聯(lián)調(diào)工作，降低了調(diào)試和運(yùn)行維護(hù)成本。

低壓機(jī)組一體化控制屏集控制、測量、發(fā)電機(jī)保護(hù)、勵(lì)磁系統(tǒng)、調(diào)速器控制、順序控制、自動準(zhǔn)同期、溫度巡檢、自動經(jīng)濟(jì)發(fā)電、計(jì)量、監(jiān)視儀表、智能診斷、遠(yuǎn)方交互、安全預(yù)警等功能于一體。系統(tǒng)支持遠(yuǎn)方監(jiān)視控制功能，通過通訊線路由后臺計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)對電站機(jī)組的遠(yuǎn)程測控(如前池水位及運(yùn)行信息等)與管理功能；系統(tǒng)還具有實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)查詢、電氣及非電氣量越限和狀態(tài)量變化主動報(bào)警、事件查詢、生成報(bào)表等功能。

徑流電站可采用恒高水位運(yùn)行模式，有效利用水資源。配置完善和高質(zhì)量的自動化元件。實(shí)現(xiàn)無人值班。單機(jī)一萬千瓦以下的機(jī)組都可以采用無刷勵(lì)磁模式。可簡化勵(lì)磁設(shè)備，取消勵(lì)磁變。采用多功能高度集成的智能裝置，減少二次設(shè)備配置。實(shí)現(xiàn)電站運(yùn)行、維護(hù)社會化?？梢钥焖偬岣咝∷娦袠I(yè)的整體運(yùn)行管理水平。低壓機(jī)組采用一體化控制保護(hù)屏，可實(shí)現(xiàn)無人值班。低壓機(jī)組采用新型的低壓機(jī)組微機(jī)高油壓全自動調(diào)速器。可為實(shí)現(xiàn)無人值班提供基礎(chǔ)自動化設(shè)備。推廣二次設(shè)備的免調(diào)試、免運(yùn)行和免維護(hù)理念。讓電站運(yùn)行和管理人員體面而幸福的工作。

2 電氣設(shè)計(jì)中需注意的問題

2.1 發(fā)電機(jī)的中性點(diǎn)接地方式

中性線中的電流是相線電流的三倍，中性線引出時(shí)會形成環(huán)流，同時(shí)伴隨著零序電流，電流過多很容易導(dǎo)致線路被燒壞，發(fā)電機(jī)的工作也會受到影響，所以，電氣設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)采用三相四線接線方式能夠使中性點(diǎn)直接接地，滿足變壓和照明要求，這種方式通常會應(yīng)用到主變壓側(cè)接線當(dāng)中。有時(shí)發(fā)電機(jī)的中點(diǎn)線被要求不可引出，可以改用三相三線接線方式。

2.2 電氣一次設(shè)備選取和布置

在布置一次設(shè)備的機(jī)組時(shí)一般采用機(jī)旁現(xiàn)地的方式，這種布置方法能夠有效節(jié)約空間。在布置變壓器時(shí)，則要綜合考慮現(xiàn)有的安裝手段，選用科學(xué)合理的方式，如室外中式桿上布置法，這種方法能夠有效節(jié)約花費(fèi)。但是當(dāng)水電站室外空間有限的時(shí)候就不適合采用這種方式了，可以改用室內(nèi)布置法。

2.3 變壓器保護(hù)

變壓器的保護(hù)方式選擇要綜合考慮變壓器的容量的大小，小于400kVA的采用高壓跌落保險(xiǎn)，而大于400kVA的采用定時(shí)限特性的瞬時(shí)電流速斷和過流保護(hù)。

2.4 互感器設(shè)置

電流互感器的設(shè)置適用于保護(hù)變電站并計(jì)量數(shù)據(jù)，由于其容量較小而且穩(wěn)定性差，最好能夠單獨(dú)設(shè)置。電壓互感器則是用于檢測計(jì)量高壓，并保護(hù)高壓側(cè)的電壓頻率。

2.5 水機(jī)自動化和發(fā)電機(jī)保護(hù)

水輪發(fā)電機(jī)中的自動化回路采用的是兩支點(diǎn)滾動軸承式回路，這種回路價(jià)格便宜、使用壽命長、維護(hù)簡單。保護(hù)裝置要設(shè)置全方位的保護(hù)，包括過流保護(hù)和失壓保護(hù)等等。選擇調(diào)速器時(shí)選用手電兩用的設(shè)備就行，不用選擇特殊高級的要求，從而在滿足自動化要求的同時(shí)有效節(jié)省投資。

2.6 注意勵(lì)磁

在電氣設(shè)計(jì)中，應(yīng)用較多的勵(lì)磁裝置有兩種：自并勵(lì)可控硅無刷勵(lì)磁和自并勵(lì)可控硅靜止勵(lì)磁。比較來看，前一種的價(jià)格低、維護(hù)量小，性能良好，只是反應(yīng)速度稍微慢些；后者的反應(yīng)速度快，但是價(jià)格比較高，維護(hù)量也更大一些。靜止勵(lì)磁能夠直接在發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)子上起作用，且具備多項(xiàng)性能優(yōu)點(diǎn)，所以應(yīng)用的范圍更廣些。

3 對原有的電氣設(shè)備進(jìn)行改造

3.1 發(fā)電機(jī)增效擴(kuò)容

很多水電站都已經(jīng)建立了較長時(shí)間，由于當(dāng)時(shí)的條件有限會對電氣設(shè)備的性能進(jìn)行限制，若是完全更換為新型設(shè)備會花費(fèi)過多，可以針對老化嚴(yán)重的元件進(jìn)行修繕整改。由于各個(gè)水電站的設(shè)備運(yùn)行狀況不同，要實(shí)地勘測后進(jìn)行改造。

(1)定子和轉(zhuǎn)子繞組改造；改造發(fā)電機(jī)，對其增效擴(kuò)容要求轉(zhuǎn)速和電機(jī)極對數(shù)不變，所以要對定子和轉(zhuǎn)子繞組進(jìn)行整改，增大線規(guī)并降低電阻，使發(fā)熱總量不要超過整改前。絕緣材料選用更加耐壓損耗更低的新型材料，減低厚度，空出更多空間。(2)通風(fēng)冷卻改造；發(fā)電機(jī)的通風(fēng)系統(tǒng)的性能會直接影響到發(fā)電機(jī)的擴(kuò)容，早期的通風(fēng)系統(tǒng)受到技術(shù)水平限制存在很多問題：散熱能力低、噪聲大、長期運(yùn)行時(shí)還會出現(xiàn)堵塞現(xiàn)象，效果很差，需要進(jìn)行整改。(3)定子鐵芯改造；雖然定子鐵芯一般情況下不會出現(xiàn)故障，但是也要時(shí)時(shí)進(jìn)行檢測，因?yàn)橐坏┏霈F(xiàn)問題引發(fā)的就會是重大事故，所以，定子鐵芯要定期進(jìn)行更換，最好采用新型的性能更好的材料。另外，還應(yīng)針對擴(kuò)容進(jìn)行定子鐵芯改造，配合其他元件，優(yōu)化鐵芯的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)。(4)推力軸承改造；發(fā)電機(jī)在運(yùn)行時(shí)推力軸承會受到全部的負(fù)荷，若是軸承質(zhì)量達(dá)不到要求，會嚴(yán)重影響發(fā)電機(jī)的正常運(yùn)行。因此，在確定機(jī)組容量后要計(jì)算出推力負(fù)荷，并根據(jù)這個(gè)數(shù)據(jù)對軸承進(jìn)行改造。

3.2 電氣主接線和短路電流計(jì)算

(1)電氣主接線；現(xiàn)有的主接線路只要設(shè)計(jì)合理便可以不用更改原有的接線方案，只需進(jìn)行規(guī)范性的機(jī)組容量復(fù)核計(jì)算就可以了。若是水電站的電氣設(shè)計(jì)已經(jīng)改動了多次，原有主接線設(shè)計(jì)已經(jīng)有所改變，形成不合理的接線，造成重復(fù)過多、損耗過大、配置不合理等問題，不能滿足電力系統(tǒng)的要求，這時(shí)應(yīng)首先優(yōu)化主接線，在進(jìn)行輸出容量復(fù)核計(jì)算。另外，若是涉及到了電力系統(tǒng)的計(jì)量、保護(hù)方式等問題，還要與調(diào)度部門協(xié)商解決。(2)短路電流；早年建設(shè)的水電站的電力系統(tǒng)容量一般都比較低，進(jìn)過這些年來的發(fā)展，容量要求已經(jīng)大大增加了，電氣結(jié)構(gòu)也變了很多，由于智能化網(wǎng)絡(luò)化的改進(jìn)，電力參數(shù)也在隨之改變。所以，短路電流還需根據(jù)更正后的參數(shù)進(jìn)行復(fù)核計(jì)算，得出相關(guān)結(jié)果后還要對現(xiàn)有設(shè)備進(jìn)行復(fù)核，若是不能達(dá)到規(guī)范要求，要重新選擇新型的電氣設(shè)備。(3)接地系統(tǒng)；接地系統(tǒng)的設(shè)計(jì)涉及到設(shè)備安全保證。想要保證水電站的電力設(shè)備能夠安全可靠的運(yùn)行，接地系統(tǒng)要同時(shí)滿足短路電流和雷電沖擊的要求，設(shè)備改造時(shí)應(yīng)將之考慮周全。經(jīng)過幾十年的運(yùn)行，接地系統(tǒng)必然會出現(xiàn)一些問題：銹蝕嚴(yán)重以致接地網(wǎng)斷裂，特別是戶外線路。所以，對水電站的電氣設(shè)備進(jìn)行整改時(shí)，要先對現(xiàn)有的接地系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)地勘測，若是不能滿足現(xiàn)有要求，要及時(shí)進(jìn)行接地設(shè)備改造，使之達(dá)到規(guī)范的目標(biāo)值。

4 結(jié)語

近年來，我國的小型水電站建設(shè)越來越多了，為了保證其電力系統(tǒng)能夠安全可靠的運(yùn)行，需要嚴(yán)格規(guī)范電氣設(shè)計(jì)，提升電氣力系統(tǒng)質(zhì)量，增加經(jīng)濟(jì)效益。

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