水电站电气优化设计的几点思考

2013-08-15崔领谦

水科学与工程技术 2013年3期

崔领谦

（河北省保定市西大洋供水有限公司，河北保定 071000）

水电站是一种将水能转换为电能的综合性工程设施，通常包含由挡水、泄水建筑物形成的水库、机电设备、水电站引水系统及发电厂房等。水电是一种清洁性能源，具有可再生、无污染和运行费用低的优点，不仅方便相关部门进行电力调峰，有利于提高资源利用率，而且有助于实现社会综合效益的最大化。因此，在当前世界能源危机日趋明朗化的今天，世界各国普遍优先开发水能资源。

我国的水电事业发展非常快，2006年三峡水电站的建成，标志着我国拥有总装机容量2250万kW·h、年发电量1000亿kW·h的水电站，也标志着我国在水电行业迈出了研发与创新的第一步。另据相关统计资料显示，截止2011年底，我国发电装机容量已达到10.5亿kW·h，其中水电2.3亿kW·h，火电7.6亿kW·h，核电1191万kW·h，风电4700万kW·h。由此可看出，水电站在我国经济发展中的地位非常重要，因此，必须重视水电站建设与水电利用开发工作，也必须重视水电站电气的优化设计工作，只有这样，才能使水电真正成为造福我国人民的能源。

1 水电站电气设备分类

水电站电气设备中分成一次电气设备和二次电气设备两种类型。

电气一次设备还可分成升压变电电气设备与发电电气设备，比较常见的是发电机与变压器。电气二次设备则是包括电站计算机的监控系统设备、机组励磁系统、机组保护及辅机控制设备、机组状态检测系统、高压系统保护和自动装置，而水电站所使用的交直流控制电源系统主要是公共系统设备。

近年来，随着水电站的快速发展，电气设计中暴露出一些问题，主要表现在电气一次设计和电气二次设计两方面。例如，在电气一次设计中，电气主接线易于发生缠绕，从而形成电流干扰，影响电流稳定性；在电气二次设计中，直流电源在应用方面存在问题等，因此，应采取有效措施，进行优化设计。

2 优化水电站电气一次设计

2.1 电气接线的优化

水电站一次电气设计原则是以水电站电气系统的实际作用为根据进行相关设计，综合考虑水文气象、动能特征、建设规模、接入系统和布线等各种因素。在水电站一次电气设计过程中，对于电气的主连接线，在设计方面应充分符合客户需要，并确保供电及其质量安全。另外，要合理利用先进技术，可在此基础上采取不同种颜色连接线路，且保证线路上线和下线间存在一定距离，避免发生缠绕，以防形成电流干扰，从而降低电流稳定性，在一定程度上伤害发电机，增加维护难度。与此同时，还应防止连接线对相关设备检查带来影响。

2.2 发电机与主变压器的优化

发电机和主变压器间往往通过单一的变组单元连接线进行连接，这是较合理的。对水电站的一次电气设备，可在发电机上安装1个断路器，从而确保其连接线出口足够安全。如果发电机需要接地，则通过变压器来实现接地，从而确保在较强电压的影响下发电机不会发生损坏。需要注意的是，发电机和变压器之间不能直接进行连接，而是使用离相封闭母线相连，从而最大程度地保证安全供电。

2.3 快速闸门控制回路优化

近年来，为了保证机组安全，很多水电站在机组的手动闸门接点和过速接点处进行了进水口的快速落门控制回路设计，主要包括两种方式：①设计二次电缆通道；②设计监控系统和大坝之间的光纤。通过二次电缆通道，能够有效监控机组的运行情况，以防止出现进水口的快速落门事件。另外，对于监控系统和大坝之间光纤的选取，要注意电磁阀的线圈内阻不可太高，过高的内阻易导致运行中的系统发生霉断。一般来说，机组和进水口之间的电缆长度应超过1000m，由于水电站的进水口快速门是保护机组过速的重要防线，在水电站技术管理中发挥着重大作用，因此，必须引起相关人员重视，以防发生相关故障，进而导致不必要的成本浪费。

2.4 220kV侧接线优化

对于水电站而言，500kV与220kV之间的侧接线通常都采用自耦式联络变接，其中，220kV的侧连接基本有3个回进出线，2个直接当作220kV的侧接线，剩余1个则用在联络变进线上。另外，水电站的220kV侧接线应采用单母线进行连接，且为全封闭式的电气组合。除此之外，水电站电气一次设计中，只有1个回进出线的220kV侧接线，因此，无需安装断路器。

3 优化水电站电气二次设计

3.1 直流电源应用优化

水电站电气设备可采用直流电源，以便对电器设备的机组进行检测、控制和维护，特殊情况下也可当作备用电源使用，直流电源的电阻应为104Ω，电网频率为50Hz。另外，还可将单母线当作直流的母线，单组充电电池和单组蓄电池也应在直流母线上进行装配，并安装微机检测监控点位与直流电源监控装置。如果条件允许，资金充足，可在维护备用电池上配置微机操控开关，以提高机组维修的便利性。

3.2 交流电源应用优化

在水电站电气设备应用直流电源的同时，为了节省成本，必须安装交流电源，交流电源中无需安装维护备用电池。实际情况中，交流电源主要用在对设备供电方面，但需注意的是，机组和交流电源之间应安装无触点开关，以便内部发生异常时可及时断开电源，或更换备用电源进行使用。通常情况下，无触点开关5s内会切换完毕，因备用电源为直流电，所以，一旦发生异常，无触点开关会自动切断交流电源，并使用备用电源。

3.3 计算机监控系统优化

水电站电气二次设计中的计算机监控系统主要由电站控制级和限制控制单元级构成。在考虑成本的前提下，可为电站控制级配备1台远程通信工作站，1台复制打印服务机，2台主机和操作员工作站，1套连线式UPS及1套卫星定位监测仪等。至于限制控制单元级，则主要用在控制编程方面，可有效地解决水电站因电气设备体积庞大和程序复杂等原因导致的编程弊端。

水电站自动化包含以下内容：①机组和附属机械设备的自动化；②全厂共用机械设备的自动化；③发电机的自动调整励磁；④机组的自动调速；⑤发电机的自动同期及信息采集等。

自动化是水电站能否经济和安全运行的重要基础，在尽量降低成本的前提下，设计时需考虑的措施有以下几点：

3.3.1 配备可靠和先进的计算机监控系统

对于适用于大中型水电站网络、上位机以及现地控制等设备，配置上有必要采取相应的冗余措施。

3.3.2 配备水轮发电机组附属设备自动化系统

采用PLC对机组进水主阀进行控制，采用冗余的双微机双通道对励磁装置进行励磁，至于调速器，则采用可编程的调速器等。另外，还应采取开关量和模拟量对机组重要的水力机械参数进行双重监视，而发电机和其他电气元件的电气参数等，则采用变送器进行监视或交流采样装置等设备。

3.3.3 配备可靠和完善的全厂基础自动化系统

对于空压机，采用单片机进行控制，对于给排水等系统，则采用PLC进行控制，至于一些重要的参数，则采取开关量和模拟量进行双重监视。

3.3.4 配备可靠和完善的系统

主要有安全自动装置及火灾报警系统。

3.3.5 配备可靠和完善的通信系统

对光纤通信、程控通信、电力载波及接入调度的通信网络管理系统等部分，应分频分层进行管理，从而保证通信的畅通。