水电站电气一次设计的研究

欧阳帆

摘 要：随着我国国民经济的迅速发展，能源瓶颈问题已经成为当前制约经济发展的重要问题。水力发电因具有环保、一次能源低廉、循环再利用、综合效益高等突出优点而得到了国家政策的大力扶持。水电站电气一次设计是水电站设计的重要组成部分，本文主要是从小型水电站的发展状况及特点出发，对水电站的400V电气主接线、电气设备选型布置及厂用电接线等重点问题，作了较详细的阐述，并提出了解决方案，结果表明该研究能使水电站的运行更加安全和可靠。

关键词：小型水电站；电气一次设计；电气主接线；厂用电接线

1. 前言

近年来，小型水电站得到了空前发展。单机500kW以下、出口电压为400V的小型水电站有着广阔的发展前景，也是私人资本介入的重点。小型水电站与单机1000kW以上，出口电压为6.3kV的小型水电站相比，它在调速、励磁、机组保护以及水机自动化等方面都大为简化，在电气一次设计中，如何节省投资和满足电站安全高效的运行，成为设计中需要重点解决的问题。

2. 水电站概况

小型水电站一般都位于边远山区，近区负荷很小，主运行方式通常采用就近升压并入10kV当地电网运行，由于发电机的出口电压为400V，发电机发电时便可直接供J一区负荷。调速器一般不具有自动调频的功能，主接线通常采用发电机组主变扩大单兀接线。

3. 电气主接线设计

小型水电站的电气主接线应满足如下条件：(1)在机组故障检修、水电站枯水或者低负荷时，每台发电机都有停机的可能，因此要求发电机之间直接或间接的实现并列，以便相互备用，也就是为电网提供必要的可靠的电源。(2)负载线路必须保持连续供电，不能任意的切断或失去电源，要求每一条负载线路都能从任意一台发电机获得电源，并能够在电源之间进行合理的负荷分配。由此可见，如果有同级电压的若干电源进线和若干负荷出线，只要将各进出线并接，便能够基本实现发电机之间并列和负载连续供电的要求。（3）并列在一起的各主要电力元件如发电机、变压器以及线路等在正常运行时任一元件的投入或者切出都不宜干扰和影响其余部分的正常工作。但当某元件发生故障时，只需切除发生故障的回路，这样不会使停电事故扩大而破坏其余部分的正常工作，因此在各主要电力元件回路中安装一种能够投切负荷电流以及短路电流的多功能开关电器，也就是断路器。(4)断路器承担着电路中投切负荷电流以及短路电流的繁重任务，因此需要较频繁的检修和维护，并且各主要电力元件有时也要检修和测试，这些被检修部分一般脱离电源，并与电源侧保持足够、明显可见的间隙，因此在断路器或主要电力元件的电源侧安装可提供此种检修间隙的隔离开关。（5）发电机中性点接地变压器也是电气主接线设计的一部分，它不但可以对因接地电弧所引起的过电压值进行有效的限制，还可以对发电机单向接地发生故障时的电流进行限制，从而防止发电机因发生故障而被烧坏，同时也可以避免出现谐振过电压现象。由一个主要电力元件及其断路器和隔离开关等组成的电路是构成电气主接线的最小接线部分。接线单元按不同方式构成的基本接线形式有单母线、双母线、桥式接线、单元接线和环形接线等多种形式。水电站的容量越大，主接线形式越要满足电力系统的需要。

3. 厂用电接线设计

如果厂用变压器接在发电机电压母线上，便要考虑当母线发生故障时，能够尽量保证大部分厂用机械能继续工作。小型水电站的厂用变压器选用10～110kv，一般仅一级电压供电，它的容量较小而且不经常切换，因此其高压侧通常采用熔断器作为操作保护设备。一般情况下，厂用电母线需要分段，使厂用电负荷均匀分布在两段母线上，每一分段母线上都要有独立的工作电源(由发电机通过厂用变压器引出)和备用电源，并装设有备用电源自动投入装置。单机容量在1000kW及以下的小型水电站，可只设一个厂用电源。厂用电接线中应尽量使对负荷供电的线路最短以便节省电缆和导线，减小线路中的损耗和便于运行管理，若在负荷较集中处设置有分盘或配电箱，便将分散的负荷尽量接到就近的分盘或配电箱上。

4. 电气一次设备选型和布置

机组控制保护屏、励磁屏、主变控制保护屏、低压屏等通常采用机旁现场布置。这样可充分利用空间、节约厂房土建面积。主变采用室外落地布置，在进行施工图的详细设计时可将高压设备出线高程移动到和主变相同的高程，这样可以在施工时节省一定的施工量，并可以加快施工进度，高压10kV设备少、体积小、安装技术成熟、价格低廉，与室内高压柜布置相比，采用室外中式杆上布置既合理利用了室外山地，又大大节省了厂房土建费用和一次设备费用，这是一种比较理想的布置方式。当然，如果水电站位置确实比较狭窄，也可以考虑室内布置。

5. 互感器设置

为了满足变电站保护和计量的需要，需要设置一组电流互感器，采用0．2／B双次级。断路器配套互感器由于容量小、精度低、稳定性差，不宜与户外断路器合用，建议单独设置。在断路器并网侧设置一组电压互感器，主要满足：

(1)变电站高压侧监测和计量；

(2)变电站高压侧电压和频率保护；

(3)变电站保护、信号和断路器的交流操作电源。

特小型水电站并网点一般会就近梯接于lOkV线路，因此电力部门计量点一般会选在电站与电网的产权分界处，由一组专门电压电流组合式互感器来担负计量工作。

6. 水机自动化和发电机保护

(1)水轮发电机组采用两支点滚动轴承，与传统三支点滑动轴承相比，这种支承型式由于取消了轴温监测、简化了自动化回路、具有机组轴向尺寸紧凑、价格低廉、轴温稳定、寿命长、维护简单等显著优点，因此近年来在小型机组中得到了广泛的应用。

(2)机组设过流、过压、失压保护。机组操作电源通常取自发电机出口，在机组内部或母线处发生短路。发生故障时，因出口电压很低，由失压保护来确保低压断路器跳闸。

(3)根据小型水电站的特点，选用手、电两用直接传动型调速器，无中间放大环节，既节省了投资，又满足了自动化要求。电动装置的设置，使运行人员能够集中控制机组开度，为样便减轻了劳动强度。在机组和主变发生故障跳闸时，联动关闭导叶，便可缩短机组停机时间、控制飞逸时间以及保证了机组运行在正常范围内，延长了机组寿命。

参考文献

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