农村水电站的设计探讨

裴成道，金龙哲， 吕悦慧，郑立坤

（1.吉林省通化市地方水电管理站，通化 134001；2.吉林省长白朝鲜族自治县水利局，长白 134400）

我国东北地区疆域辽阔，河流众多，蕴藏着极为丰富的水能资源。建国60多年来，水电事业取得了长足的发展，已成为我国能源的重要组成部分，特别是水电农村电气化工作在全国的普遍开展，为节能环保的小水电事业提供了一个良好的契机，国家投入大量的资金支持小水电的发展，如何用好这笔资金，发挥其最大的经济效益，对我国的能源建设具有十分重要的意义。但是近年来我国农村微型水电站在设计和规划上存在很多问题：比如设计深度不够、水文资料不全，设备选型不合理，大马拉小车或小马拉大车现象较普遍，夏季丰水期弃水、枯水期停机，汛期垮坝，给人民生命财产造成了很大损失。因此农村微型水电站要达到科学有效地利用水能资源的目的，首先，在设计上要充分掌握水文资料，电站设计方案的比较要科学合理,自动化程度和环保节能要达到水利部 《农村水电技术现代化指导意见》的要求。下面就农村微型水电站在设计方面应注意的几个问题进行探讨。

1 溢流坝、冲砂闸及进水闸布置

1.1 溢流坝

在径流式电站溢流坝坝型选择上，用三个坝型比较后确定，一、浆砌石面板重力坝；二、砼面板堆石坝；三、砼支墩坝。溢流坝设计标准要达到二十年一遇，校核为三十年一遇。坝的设计不要太高，按设计引用容量来设计。

1.2 进水闸布置

进水闸为钢筋混凝土结构，进水口前布置一道或两道拦污栅，拦污栅面积要闸门的3倍为好，防止漂浮物进入引水洞（引水渠道）。

1.3 冲砂闸布置

设计左冲砂闸底板高程比进水口底板高程要低0.7米右，进水口在河的左岸时冲沙闸要布置在靠近河的右岸，进水口在河的右岸时冲沙闸要布置在靠近河的左岸，防止冲沙闸排杂物时进水口堆满杂物。

2 水轮机的选择

水轮机是水电站一个十分重要的设备，水流的动能和势能转换成机械能就是通过水轮机来实现的。水轮机选择合理与否，直接影响到机组的效率和运行的安全性和经济性。

2.1 水轮机台数的确定

农村水电站机组台数与电站的投资、运行维护费用、发电效益以及运行人员的组织管理等有着密切的关系。多年设计和运行经验表明：东北农村微型水电站机组台数一般为1～4台，且型号应尽量相同，以利于零部件通用和维修管理，其中每座电站2台机组居多。而且必须要选一台冬季 （枯水期）能保证出力的小机组，因为冬季基本上最枯季节来水量很小。

2.2 水轮机型号的选择

水轮机型号的选择合理与否，直接影响到水轮机的运行效率、汽蚀和振动等。选择型号时，既要考虑水轮机生产厂家的技术水平和运输的方便程度，又要确保水轮机常处于较优的运行工况，即尽量处于水轮机运转特性曲线图的高效区。尤其是机组运行时，水头的变化不要超过水轮机性能表的水头范围，否则会加剧水轮机汽蚀和振动，降低水轮机效率。

2.3 机组安装高程的确定

水轮机的安装高程过大，则理论吸出高度（hs）偏小，水轮机安装偏低，加大厂房基础开挖量；反之，若水轮机的安装高程偏小，则理论吸出高度（hs）偏大，会引起水轮机可能在运行时转轮产生汽蚀、振动等不良现象，因而缩短机组的运行寿命。

根据水利电力出版社出版的小型水电站 （中册）水轮机部分，第二章、第二节水轮机允许吸出高度的计算方法公式进行计算：

①卧式机组：▽安=Z下+hs-▽/900-D/2

②立式机组：▽安=Z下+hs-▽/900

式中Z下——尾水渠最低水位（m）；

hs——水轮机理论吸出高度（m），查水轮机应用

范围图及 hs=f（H）曲线；

D——水轮机转轮直径（m）；

▽——水电站厂房所在地的海拔高程（m）。

为了消除或减轻水轮机汽蚀，可将计算出的▽按降低0.2～0.3m确定安装高程。

2.4 调速器的选择

我国水轮机调速器的发展经历了由机械液压调速器、电子管电液调速器、晶体管电液调速器、集成电路电液调速器和微机调速器等几个阶段。大多属于并列PID电子调速器式系统结构，但其伺服系统已由开始的电液随动系统单一模式发展为目前的多种形式，使微机调速器的伺服系统呈显出多样化的局面。根据电液转换元件的不同可以分为电液伺服系统和数液伺服系统。而且传统的低油压水轮机调速器及油压装置现在发展为高油压水轮机调速器。高油压调速器具有十分显著的技术经济优势：

（1）高油压水轮机调速器应用了电液比列随动装置，电液数字随动装置等现代电液控制技术，减少了调速器的液压放大环节、结构简单、工作可靠，具有优良的速动性及稳定性。

（2）高油压水轮机调速器的液压元器件为大批量工业化生产、具有强大的技术支撑，质量可靠；标准化程度高，国内外产品资源丰富、采购方便。

（3）高油压水轮机调速器的工作油压高，因而体积小，重量轻，用油量也小，电站布置方便，美观，工作油压10MPa—16MPa。

（4）采用囊式畜能器储能，胶囊内所充氮气与液压油不直接接触，这样不仅使液压油因不易老化而延长了使用寿命，还不需设置高压空气系统，使电站节约一笔可观的投资和运行费用。

因此电站最好选择微机控制的高油压水轮机调速器，发电机单机容量小于320kW不用调峰的电站也可选择弹簧储能操作器 ，他可与微机相联后实现自动关机和开机,减少投资。

2.5 励磁系统的选择

随着科学技术的发展，同步发电机励磁系统大概分为三个阶段，即直流励磁系统方式，交流励磁系统方式，半导体静止励磁方式。半导体静止励磁方式是可控硅励磁（交流励磁系统）大容量发电机，现在基本上都选用可控硅励磁的励磁方式，因为可控硅励磁容量要比硅整流励磁的大得多。

单机容量小于320kW的电站要选择无刷励磁系统，因为无刷励磁系统没有滑环与碳刷等滑动接触部件，转子电流不再受接触部件技术条件的限制，因此特别适合于小容量发电机组，运行费用低。

3 电气主接线的拟定

电站的电气主接线是运行人员进行各种操作和事故处理的重要依据之一。农村微型水电站装机容量往往有限，一般装机台数不超过4台，相应电站的电压等级和回路数以及主变的台数都较少。考虑到小水电站 （尤其是单机100 kW以下的微型电站）的机电设备供应比较困难，运行和管理人员的文化及业务素质普遍较低，要熟练掌握操作、检修、处理故障及优化运行等技术难度较大。因此，农村小水电站的电气主接线在满足基本要求的前提下，应力求采用简单、清晰而又符合实际需要的接线形式。

对于1台机组，宜采用发电机—变压器组单元接线；对于2～3台机组，宜采用单母线不分段接线，共用1台主变；对于4台机组，宜采用2台主变用隔离开关进行单母线分段，以提高运行的灵活性。

4 变压器选择

选择变压器容量时比发电机额定容量的125%来选择，比如发电机容量320千瓦时应选500kVA变压器，这样变压器运行温度正常、使用寿命长等优点并且变压器损耗相对小。

5 电力电缆选择

电力电缆选择时必须铠装铜芯电缆，并且每平方毫米按2安培来选比较安全合理，电缆不发热。

6 发电机保护屏选择

一般小型电站装机容量都比较小，电站的发电机的测量、监视表计、断路器、互感器及保护装置以及励磁电流和励磁电压等的监视和测量、同期装置等都要装在发电机控制屏上（三合一屏）。

7 微机综合自动化保护装置

在农村小型水电站实际运行过程中，由于主、客观的因素，可能发生故障和不正常运行状态。最常见的故障是各种不同形式的短路故障，短路故障可能造成下列严重后果：

（1）电力系统中部分地区的供电电压大大地降低，破坏电能用户的正常工作，甚至使生产出现大量废品。

（2）由于故障点流过很大的短路电流而产生电弧，使故障设备烧坏。

（3）由于故障电流很大，因此产生热和电动力的作用，常使故障元件和某些非故障元件破坏或损伤，从而缩短使用寿命。

（4）破坏电力系统各发电厂之间并列运行的稳定性，这是最严重的后果，它往往使整个电力系统瓦解，造成大面积停电。

人们为了迅速地切除故障，常采用继电保护装置。因为他能迅速地、自动地将故障元件从电力系统中切除，保证非故障部分的正常运行，大大提高了供电的可靠性，使故障元件免于继续受到损坏，这是继电保护的第一个任务。

除故障情况之外，在电力系统中还往往出现不正常的工作状态，最常见的是负荷电流超过元件的额定电流引起的过负荷，如果长期处于这种不正常的工作状态，则引起元件绝缘老化，甚至使元件的绝缘损坏而造成故障，这是不允许的。其次是发电机的出力不足引起的频率降低，水轮发电机突然甩负荷产生的过电压等。这是不正常的工作状态，必须及时地发现，并进行处理，以免造成事故。因此，微机综合自动化保护的第二个任务就是在不正常运行状态时自动地、有选择性地、带延时地发出信号。因此农村小水电站微机综合自动化护必须达到四点：选着性、快速性、灵敏性、可靠性。

农村微型水电站主保护装置的配置应在满足继电保护基本要求的前提下，力求简单可行、维护检修方便、造价低及运行人员容易掌握等。

7.1 过电流保护

实现水电站无人值班，水电站应有 “可靠”、自动的控制系统，完善的保护系统和可靠的电源，能在最不利的情况下保证发电机组的断路器跳开、运行的机组正常停运，导叶前的进水阀或快速闸门关闭，微机综合自动化保护达到三遥功能（遥信、遥测、遥控），单机800 kW以下的机组，可以采用自动空气断路器的过电流脱扣器作为过流及短路保护，其动作整定值可以通过调整衔铁弹簧拉力来整定，整定值一般为发电机额定电流的1.35～1.7倍。为了提高保护的可靠性，还可采用过流继电器配合空气断路器欠压脱扣器作过流及短路保护，继电器线圈电源取自发电机中性点的1组（3只）电流互感器，继电器动作值亦按发电机额定电流的1.35～1.7倍整定。

原理：当发电机出现短路故障时，通过过流继电器线圈的电流超过其动作值，过流继电器常闭接点断开，空气断路器失压线圈失电而释放，跳开空气断路器主触头，切除故障元件——发电机。

7.2 变压器过载、短路保护

变压器高压侧采用跌落式熔断器（或SN10-10型少油断路器）作过载、短路保护。运行经验表明，额定电压为6～10 kV的跌落式 熔断器只能用在560 kVA及以下的变压器,额定电压为10 kV的跌落式熔断器只能用在750 kVA及以下的变压器。当变压器容量超过750 kVA时，应采用油断路器。跌落式熔断器熔丝按下列公式选择：

当 Se＜100 kVA 时，熔丝额定电流=（2～2.5）×高压侧额定电流；

当Se≥100 kVA时， 熔丝额定电流=（1.5～2）×高压侧额定电流。

7.3 变压器的防雷保护

由于变压器上可能出现正、逆变换波的过电压，为了防止雷击线路和变压器，对Y/Y、Y/Y0接线的变压器，均应在其高低压侧各装设1组（3只）阀型避雷器FS3-10和FS-0.38。避雷器越靠近变压器安装，防雷效果越好，可以将高低压侧避雷器安装在变压器顶盖边上，再将变压器外壳、避雷器引下线和变压器中性点连接在一起后，三者共同接地。一般接地引下线采用T-16线或GJ-25线。

8 结语

东北地区的农村水电站，由于四季温差及水量变化大，有其自身的变化规律，因此在设计过程中要充分考虑这一点，即：①溢流坝设计标准要达到二十年一遇，校核为三十年一遇；②拦污栅面积要闸门面积的3倍为好，冲砂闸底板高程比进水口底板高程要低0.7米；③机组台数一般为1～4台，且型号应尽量相同；④水轮机安装可将计算出的▽按降低0.2～0.3m确定安装高程；⑤单机容量小于320KW的电站要选择无刷励磁系统、电气主接线的拟定对于1台机组，宜采用发电机—变压器组单元接线。对于2～3台机组，宜采用单母线不分段接线，共用1台主变。对于4台机组，宜采用2台主变用隔离开关进行单母线分段，以提高运行的灵活性；⑥电站主保护装置的配置应在满足继电保护基本要求的前提下，力求简单可行、维护检修方便、造价低及运行人员容易掌握。在保证安全合理的前提下，以最小的投入换取最大的经济效益，以达到科学有效地利用水能资源的目的。

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