水电站电气系统的分析

王晓辉　何文拥

河南豫能电力工程有限责任公司

水电站电气系统的分析

王晓辉何文拥

河南豫能电力工程有限责任公司

水电站是现代电能生产的重要枢纽之一，采用电气设备把自然界水源转换为电能，为该地区经济社会发展提供稳定的能源支持。随着我国对电能资源需求的日益增长，再加上以多元化电能生产的电力作业模式改革进程的加快，从而推动了我国电气系统自动化改造进程。本文对水电站电气系统进行了详细的阐述。

水电站；电气系统；分析

一、电气主接线方案的选择

（一）水电站电气主接线的特点

1.水电站一般远离负荷中心，在发电机电压侧很少接有大功率用户，而用较高电压送电，故主变压器容量多按机组容量确定。

2.除径流式电站外，其余电站大部分但任系统调频、调峰和事故备用，利用小时数一般较低，因此，开停机较频繁。

3.水电站开机程序比较简单，机组起动迅速并且容易实现自动化。

4.水电站规模确定后，一般不考虑扩建。

5.水电站多处山区，地形复杂，电气设备布置及出线走廊均受到一定限制，因此，应尽可能简化接线。

（二）初选方案的选择

1.发电机—变压器组接线方式

根据单元接线与扩大单元接线的特点，并考虑满足本电站机组运行的灵活性要求，只能采用单元接线。

2.主接线接线方式

根据各电气主接线的特点及使用范围，能使用于本电站的电气主接线方式有：单母线带旁路母线、双母线、双母线带旁路母线。

（三）初选方案的比较和精选方案的确定

各种电气主接线的优缺点：

1.单母线带旁路母线接线

单母线带旁路母线，除具有单母线优点外，还可以使出线断路器检修时不影响送电，它比单母线分段带旁路母线节省一组断路器及其附属设备，布置面积小，同时也存在单母线其它的一些缺点。

2.双母线接线

优点：双母线接线与单母线相比，停电机会减小了，必需的停电时间缩短了，运行的可靠性和灵活性有了显著提高。另外，双母线在扩建时也比较方便，施工时不停电。

缺点：使用设备较多，投资大，配电装置较复杂。同时，在运行时需将隔离开关作为操作电器，操作隔离开关时需按严格的操作程序进行。

3.双母线带旁路母线接线

优点：它具有双母线优点，可靠性和灵活性都高于所有单母线接线和双母线接线。

缺点：母联断路器故障时全厂短时停电，检修时两组母线解列运行，隔离开关切换操作工作量大，继电保护复杂，不利于实现自动化，同时增加设备和投资，增大布置面积。

方案一的投资较方案二和方案三少，继电保护和实现自动化均简单易行，但由于本电站在系统中的重要作用，对灵活性和可靠性要求较高，因此将方案二和方案三作为精选方案。

二、水电站短路电流的计算

（一）最优方案等值电抗

对于发电机出口，由于发电机出口电压需升高至110KV和220KV两个电压等级，因此，对连接于两个电压等级下的发电机出口各取一个短路点；接于联络变压器下的发电机出口也取一个短路点；对于110KV侧负荷回路短路时所有发电机和系统的电流均送往该点，因此，把110KV负荷侧的短路点做为短路计算点；220KV侧母线短路时所有发电机及系统电流均送至该点。

（二）母线的选择

根据《发电厂电气部分》P61“当母线回路工作电流不超过2000A时，可采用每相单条矩形母线；当母线回路工作电流超过2000A时，可在每相将2～4条矩形母线并列使用，每相2或3条矩形母线适用于母线工作电流为2000～4000A的回路中；槽型母线载流量大，集肤效应系数小，机械强度高，一般适用于母线工作电流为4000～8000A的回路中；管型母线的集肤效应系数小，机械强度高，还可以采用管内通水或通风冷却措施，因此，当母线工作电流超过8000A时常采用管型母线”。铝的电阻率为铜的1.7-2倍，但密度只有铜的30%，易于加工，安装连接方便，且价格便宜。

综上，发电机出口母线型式选用槽型铝母线。

（三）电压互感器的选择

1.电压互感器的配置原则

○11发电机：一般在发电机出口装设2～3组电压互感器。其中一组为三只单相双绕组电压互感器，供励磁调节装置用，准确级为0.5级，另一组为三绕组构成Y/Y/Δ接线供测量、周期、继电保护及绝缘监视适用。

○22母线：工作母线和备用母线都应装一组三绕组电压互感器。

○33出线：对方无电源时不装。有电源时可装设一台单相双绕组或单相三绕组电压互感器；110KV及以上线路为了节约投资和占地，载波通信和电压测量可共用耦合电容，故一般用电容分压式电压互感器。

三、二次基本方案的初步规划

为了保证水电站电气一次设备正常工作和安全经济运行以及操作管理二次设备，如测量监视仪表、继电保护装置、操作电器的设备和各种自动、远动装置等，电流互感器和电压互感器的二次绕组、蓄电池组或自用电等低压电源供电，将二次设备通过连接导体互相连接而构成的电路称为二次回路或二次接线。

二次设备一部分安装在配电装置内，如电流互感器和电压互感器的二次线圈、断路器的跳、合闸线圈和其辅助触点等。另一部分则安装在控制屏、保护屏、自动装置屏和直流屏上，二次设备之间通过二次电缆加以连接。

由于目前大、中型水电站对全厂高压送电线路、发电机、主变压器和自用电变压器高压侧断路器等的操作，水轮发电机的开、停机和功率的增减，电站综合自动化的投入和切除，灭磁开关的投入和切除，同期方式的选择，操作电源和事故照明的切换等都是在中央控制室集中进行的，因此上述的控制屏、保护屏、自动装置屏和直流屏等大都集中在中央控制室。

电力系统继电保护的设计与配置是否合理，直接影响着电力系统的安全运行。

选择保护方式时，希望能全面满足可靠性、选择性、灵敏性和速动性的要求。同时满足四个基本要求有困难时，可根据电力系统的具体情况，在不影响系统安全运行的前提下，可以降低某一些要求。

选择保护方式时，应力求采用最简单的保护装置来满足系统的要求。只有简单的保护装置不能达到目的时，才考虑采用较复杂的保护装置。

四、主要设备保护

1.送电线路的保护：送电线路上安装的电流互感器主要用于母线保护，测量仪表，线路保护及断路器失灵保护。

2.水轮发电机的保护：发电机纵差动保护作为发电机相间短路的主保护，保护灵敏，简单，采用环流接线法。在发电机引出线侧靠近继电器处和中性点侧装设特性和变化完全相同的电流互感器，且两侧电流互感器一次回路的正极置于母线侧和中性点侧，二次回路的同性端子相连接，保护范围除发电机定子绕组外，还包括发电机出口至断路器线路。装设发电机的横差动保护，用于反映双星形定子绕组的匝间短路，接线只用一个互感器装于双星形绕组的中性点的连线上。发电机的过电流保护，作为纵差动保护的后备保护，以反映发电机外部故障引起的过电流，其保护范围除发电机外，还包括升压变压器高压侧，母线和自用变压器低压侧。另外还接有定子100%接地保护。

3.变压器的纵差动保护：用于反映变压器的相间短路，高压侧单相接地短路及匝间短路的主保护，其保护范围包括变压器套管及其引出线。瓦斯保护，反映变压器内部故障。变压器的过电流及过负荷保护，不另设负荷保护，在环形接线输入端接入互感器，防止外部故障时引起的过电流，作为变压器的后备保护。

［1］耿长兴，孙云峰，冀振亚，胡博，康健.自动化控制在小型水电站中的应用［J］.电子技术与软件工程.2015（17）

［2］揭育东.浅谈电气与自动化设计在工程实践中的融合［J］.科学之友.2011（16）