小型水电站的电气工程设计探析

魏鸯鸯 胡长勇

【摘要】随着时代的发展，科学的进步，我国的电力系统也在向着智能化、绿色化发展。近年来，小型水电站作为新型的清洁型能源，越来越受到国家的重视。建设小型水电站的投资花费少、工期短、收效快，发展速度也越来越快，技术水平也在逐步提升。下面我们针对小型水电站的电气设计进行介绍。

【关键词】小型水电站；电气设计；问题探讨

一、小型水电站电气设计的种类

小型水电站的电气设计中一般分为电气一次設计和电气二次设计两部分。

（一）电气一次设计

小型水电站的电气一次设计比较简单，主要是指对发电机和变压器等接线方式进行设计，电气一次设计接线的回路较少，主接线发电机侧多采用单元接线、扩大单元接线、单母线接线。水电站年负荷利用小时数一般不高，机组满发时间较短，为减少主变压器损耗，多采用2台主变。

（二）电气二次设计

小型水电站的电气二次设计中包括多个系统，励磁系统、信号控制测量系统、同期系统、操作电源，继电保护以及辅助设备的自动化设计。低压机组一体化控制屏是专为低压组水电站设计，控制屏由发电机出口断路器、励磁组件、智能控制装置、仪表等组成，实现了将一台水轮发电机组的一、二次设备优化配置在一面屏中。屏体采用全封闭结构，具有较高的防护等级。控制屏功能齐全，操作简单，适用于单机容量1000kW以下的低压水轮发电机组。整套设备在厂家均经过完整测试，现场安装后即可投入运行，简化联调工作，降低了调试和运行维护成本。

二、小型水电站电气设计中需注意的问题

（一）发电机的中性点接地方式

中性线中的电流是相线电流的三倍，中性线引出时会形成环流，同时伴随着零序电流，电流过多很容易导致线路被烧坏，发电机的工作也会受到影响，所以，电气设计时应采用三相四线接线方式能够使中性点直接接地，满足变压和照明要求，这种方式通常会应用到主变压侧接线当中。有时发电机的中点线被要求不可引出，可以改用三相三线接线方式。

（二）电气一次设备选取和布置

在布置一次设备的机组时一般采用机旁现地的方式，这种布置方法能够有效节约空间。在布置变压器时，则要综合考虑现有的安装手段，选用科学合理的方式，如室外中式杆上布置法，这种方法能够有效节约花费。但是当水电站室外空间有限的时候就不适合采用这种方式了，可以改用室内布置法。

（三）变压器保护

变压器的保护方式选择要综合考虑变压器的容量的大小，小于400kVA的采用高压跌落保险，而大于400kVA的采用定时限特性的瞬时电流速断和过流保护。

（四）小型水电站的互感器设计

互感器可以分为电流互感器和电压互感器两种，电流互感器可以保护变电站正常运行和计算电流量。在进行小型水电站电气设计时，要对断路器的互感器进行单独的设计，主要因为它的容量小、精度低且不稳定。小型水电站断路路并网两端的电压互感器的作用是监测和计量变电站高压电压，可以保证电压的频率和电压值。

（五）小型水电站发电设备自动控制设计

小型水电站发电设备自动控制的设计包括水轮机、发电机组及其它辅助装置的自动化或半自动化设计。如果小型水电站的自动控制设计不合理则水电站将不能实现自动开关机，水轮机不能根据实际水流情况进行自动调节，继电保护装置也将失去保护作用。小型水电站只有把人工操作的过程尽量简化，自动化操作贯穿水电站工作的整个过程才能保证水电站的效率。

三、电气主接线及短路电流的计算复核

（一）电气主接线

进行增效扩容改造的电站均已运行多年，送出工程及与系统连接地点已经确定，变动的可能性不大，对电站的接入系统不必再进行论证，所以只要现有主接线相对合理，在增效扩容改造中可维持原主接线方案不变，只需根据现行规范和短路电流计算成果，对机组容量进行复核和选择设备即可。对个别电站由于多次修改，改变了原设计的主接线形式，增加或减少了部分设备，改变了布置，形成现有不合理的接线方式，造成重复容量大、损耗高、继电保护复杂、设备配置不合理等，或现有接线方式不适应目前电力系统要求，对这种情况应在设计过程中对主接线方案进行优化比选，同时复核送出线路的输送容量和电压降是否满足增效扩容的要求，复核电站内部电流互感器变比、电气设备动、热稳定和开断电流等能否满足要求。基本原则是送出电压等级和接入系统点不改变，否则投入资金会相应增加比较多，浪费比较严重。 如果改变了主接线的接线方式或运行方式，涉及到电力系统的计量、保护方式和保护整定值等问题，需要与电力系统调度部门共同协商。

（二）短路电流

早期投入的水电站当时电力系统容量较小，经过几十年的发展，电力系统的容量大为增加，结构也有很大的变化，网络在不断加强，同时由于发电机的改造，电气参数也会发生变化。因此，有必要根据目前电力系统的参数，或今后5～10年电力系统发展规划和改造后机组的参数，对短路电流进行重新复核计算。依据复核计算结果来复核现有电气设备的开断能力，或重新选择电气设备的型式和参数。一般情况下，严重老化设备、高耗能设备和淘汰设备会随着机组增效扩容一起进行更换，以提高电站运行的安全性，减少维护工作量，增加电站经济效益，保证新更新的电气设备能适应电力系统的发展和长期安全稳定运行。

四、电气设备的选择与布置

1995年以前的中小型水电站，由于受当时技术水平和建设资金的限制，电气设备存在性能较差、安全性不符合现要求、维护工作量大以及备品备件难以购买等问题。例如，低压开关柜多为GGD型或更老的BSL型等，开关和保护设备为DW系列或DZ10系列，而更多的是采用熔断器保护；10kV设备采用GG-1A开关柜配SN10少油断路器，或早期的真空断路器；35kV设备采用DW6、DW8等系列的多油断路器，或GBC户内型高压开关柜；110kV设备采用SW3、SW6及SW7少油型断路器；变压器采用SLJ1或SF7型等。这些设备是目前国家已明令禁止使用的产品，开断电流小，损耗大，不环保，由于诸多原因长期带病运行，严重影响电站和电网的安全，因此对这些电气设备进行更新换代是十分必要的。 电气设备的选择应按照安全可靠、技术先进、维护简单方便和经济合理的原则进行，并应适应农村水电站的特点。对电气设备应根据增效扩容后的参数和短路电流计算结果来选取，而不应延用旧设备的参数来确定新设备的参数，这样可保证更换的电气设备能适应目前和将来系统发展的要求。由于设备基础、支架、房间的尺寸和开关站的位置均保持不变，因此在选择电气设备型式时还应考虑这些因素，尽可能多地利用已有基础或仅做小改动。

五、结语

针对目前社会经济不断发展的环境下，小型水电站的发展越来越快，为了紧跟小水电的前进脚步，我们要重视水轮发电机和电气设备的改造，做好小型水电站的增效扩容设计。好的小型水电站的电气改造设计不仅可以提高水电站的综合效益，还可以降低成本，提高经济效益。

参考文献：

[1] 梁芳，小型水电站改造电气设计研究[J] 中国新技术新产品，2013（5）

[2] 陆彬木，浅析小型水电站的电气监控[J] 技术与市场，2013（12）

[4] 刘发刚，小型水电站电气设计问题的探讨[J].科技致富向导，2012，24：387