老旧小水电站增效扩容的自动化改造——以所略一级水电站为例

周涛，陈韶光，胡华丽

（广西水利电力职业技术学院，广西南宁530023）

老旧小水电站增效扩容的自动化改造
——以所略一级水电站为例

周涛，陈韶光，胡华丽

（广西水利电力职业技术学院，广西南宁530023）

以广西巴马县所略一级水电站为例，分析老旧农村小水电站长期运行后存在的安全隐患及主要问题，结合现代水电站自动化控制要求，介绍水电站机电技术改造的具体措施和主要内容。

水电站；技术改造；自动化

广西地处亚热带，水力资源丰富，其中集雨面积50 km2以上的河流有937条，水力资源理论蕴藏量达17 518.3MW，居全国第8位[1]。据了解，改革开放以来，广西农村水电建设蓬勃发展，至2013年已建成农村水电站2 349多座，装机容量4 050 MW，年发电量近126亿kW·h，约占全区水电的40%.据统计，广西1995年年底前建成投运且具有增效扩容改造潜力的农村水电站有856座，装机容量1 210 MW[2].

对于1995年前建成投运的农村水电站，设备运行已超过二十年，有的甚至达四十年以上，超出了设备的生产周期，现已普遍出现性能大幅下降，水能利用效率低下，设备故障频发；电气设备老化严重，可靠性低，存在明显的缺陷和安全隐患；电站监控、保护设备故障率高，相当一部分自动控制功能已缺失，以手动操作为主；继电保护的速动性、灵敏性、可靠性明显降低，很大程度上影响到主设备的安全和稳定运行；调速器、断路器、变压器已属于淘汰的产品。老旧农村小水电站急需进行技术改造，以提升机组的效率，恢复并提升自动化水平，以满足现代水电站“无人值班（少人值守）”的要求。

2011年，财政部、水利部出台政策支持并要求广西等6省区1995年底前建成农村水电站进行增效扩容改造，以消除电站安全隐患，提高水能利用效率，提升电站的自动化水平，达到现代水电站的要求。在国家政策和资金的支持下，老旧农村水电站如何改，改什么，改造的目标是什么，改造方案能否达到改造目标均值得电站业主认真研究和思考。

1 所略一级水电站概述

所略一级水电站位于广西河池市巴马瑶族自治区县西部所略乡六能村坤屯所略水库大坝坝后右岸端，距离巴马县城33 km，属坝后式水电站，是所略水库坝后4座梯级水电站中的第一级，共安装2台水轮机，型号为HL220-WJ-71，发电机型号为TSWN630-143/36-12的水轮发电机组。总装机容量为2×630 kW=1 260 kW，电站设计水头27 m，最大水头34 m，最小水头20 m，单机额定流量3.05 m3/s，年利用小时2 790 h，年发电量378万kW·h.电站于1995年9月投产并网发电，改造前实际年发电量282.5万kW·h.

所略一级水电站电气主接线如图1所示，发电机额定电压6 kV，1#、2#机采用扩大单元接线经1#主变升压至35 kV母线。电站设有一坡、所二2回35 kV出线，分别接至巴马电业公司35 kV一坡变电站和所略二级水电站。因为电站在巴马县供电网中属于“π”形结点，为了近区农村供电，电站还安装了2#主变，并经那勤、所圩2回10 kV出线送至附近农村。站用电取自35 kV母线，经站用变降压至400 V供站内用电。

图1 所略一级水电站电气主接线

2 电站改造前存在问题分析

（1）机组效率低，安全隐患大

电站机组经过十多年运行，已出现设备老化、性能下降、故障频发等问题；发电机的定子线棒和转子线棒绝缘老化严重，定子线圈绝缘电阻已接近正常要求下限6 MΩ；受当时设计制造条件制约，机组效率较低，在额定水头下已无法达到额定出力。

（2）机组附属设备技术落后，自动化失效严重

水轮机调速器采用的是YT-600型机械液压调速器，不仅调节反应慢，精度低，液压元件易卡阻，漏油严重，用油量大，而且在90年代末已属于淘汰产品，技术落后，自动化程度低，过多依赖人工手动调节控制。发电机采用的KGLF31-I型励磁系统经过十多年运行，不仅自动化程度低，调节反应速度慢，而且电气产品的寿命周期已到，运行中故障频发，在机组满负荷运行时其无功功率增不到额定值，发电机功率因数cosφ达不到0.8的要求。机组进水主阀控制元件已严重老化，可靠性低，只能现地操作，一旦发生机组过速等事故都只能靠人工来关闭。

（3）电气设备老化严重，效率低下

电站改造前主要电气设备型号规格见表1，其中3种类型的变压器均为油浸式变压器，能耗高，其中S7和SJ3系列变压器已列入工信部高耗能落后机电产品淘汰目录，S9系列变压器也正被更节能的S11系列变压器所替换。35 kV和6kV断路器及室内GG-1A-04型开关柜均属于已淘汰的高压电气设备，2#主变低压侧及2回10 kV近区线路没有断路器，仅设有跌落式熔断器保护，线路故障无法自动跳开断路器，熔断器经常烧毁。

表1 所略一级站改造前主要电气设备型号规格

（4）公用辅助设备老化失效严重，基本靠手动控制

电站油系统设备老化严重，故障率高，维护工作量大，油处理设备布置不符合防火规范要求，管道布置零乱，影响到运行人员安全；电站技术供水系统采用固定式滤水器，在汛期很容易因泥沙和杂物进入，淤泥沉积而造成供水管路堵塞，从而导致整个技术供水不能正常工作，威胁机组运行安全；电站渗漏排水采用老式离心泵，电器元件老化严重，上世纪80年代的水位控制器早已失效，渗漏排水靠运行人员定时手动排水；电站高低压气系统均采用活塞式空压机，设备老化，噪音大，故障频发，维护工作量重，已基本处于手动控制状态。

（5）电站监控设备已处于失效状态

电站采用的是继电器逻辑硬布线集中监控方式，没有集控台和模拟返回屏，二次回路接线复杂，原来的自动控制功能因电器元件损坏且为已淘汰产品，无元件可更换，自动控制已处于失效状态；电磁式继电保护装置整定值不准确且常发生漂移，多次出现保护误动、拒动现象，保护可靠性低，严重影响到主设备的安全。

3 改造方案与实施

3.1 水轮机改造

在本次电站技改前所略水库已进行过除险加固，水库坝高及各设计水位未发生变化，引水压力钢管预埋在大坝之内，管径无法扩大，因此在技改中电站机组的运行参数没有变化。经过方案论证和比较，选择HL551-WJ-71型转轮更换原有的HL220-WJ-71转轮，新转轮的叶片采用ZG0Cr13Ni4Mo不锈钢材料，转轮轮毂采用ZG20SiMn材料，且明确要求水轮机转轮叶片型线必须采用数控机床进行加工，保留原水轮机的大轴，转轮加工后必须与原水轮机大轴校好同轴度同时配钻销钉。新转轮在额定水头下，最高效率不低于91.5%，出力可达到700 kW，比原转轮设计出力增加23 kW，起到了增效的目的。

对水轮机活动导叶的前、后封水面采用铺焊不锈钢板再精加工的工艺，确保达到导水机构的密封验收标准要求，更换主轴密封平板橡胶。对水轮机导水机构、主轴密封的修复及更换后的机组摆度应该不超过GB8564-2003《水轮发电机组安装验收技术规范》的允许值。

3.2 发电机改造

发电机原轴头的永磁发电机主要用于给机械液压调速器的测速装置提供电源，本次改造将去掉永磁发电机部分，保留余下的发电机轴系、转子中心支架、定子机座及定子铁芯，全部更换绝缘已严重下降的发电机的定子、转子线圈，同时将发电机绝缘由B级绝缘升至F级绝缘。

在更换定转子线圈前，通过绝缘测试及铁芯损耗试验，检查确认定子铁芯片间绝缘没有损坏，铁芯损耗也在允许范围之内，铁芯各部温升未超过标准值。更换定转子线圈后，经过绝缘测试及耐压试验，发电机定转子线圈良好。

3.3 发电机励磁系统改造

为配合电站的综合自动化改造，实现全站计算机监控，发电机励磁系统改造采用微机励磁调节装置替换原来的电子励磁调节装置，在发电机出口端安装励磁专用变压器，将发电机出口电压降低，再经晶闸管整流调节变成可控直流电后，送至转子线圈给发电机提供正常工作的励磁电源，发电机起励则取自厂用直流电源并配有相应的限流装置。

励磁系统改造后，可直接接受机组的监控命令实现起励、电压及无功调节、停机灭磁等控制，同时其运行状态及故障信息也可通过网络及状态量接口上传至电站监控级，从而与电站综合自动化系统联成一个整体。

3.4 水轮机调速器改造

采用PLC控制的YWT-600-16型高油压微机调速器整个替换原来的机械液压调速器，同时更换改造调速器接力器安装支座，安装新的高油压接力器以及导叶开度反馈测量装置、导叶行程开关。改造后的调速器采用PLC为控制器，以标准的电磁阀作为控制执行元件，技术成熟，工作可靠，成本低，同时其标准的输入输出接口也很便于和电站综合自动化系统联成一个整体。

3.5 主要电气设备改造

根据设计计算，电站改造后的主要电气设备型号规格见表2，主变全部采用S11系列卷铁芯全密封型变压器，其铁芯无接缝，可大减少空载损耗及空载电流，相比S9系列空载损耗平均降低30%，节能效果明显，同时噪声小、温升低、维护量少。主断路器全部采用真空断路器并配弹簧储能式操动机构，结构简单，动作迅速，操作电流小，工作可靠。6 kV采用XGN2-12型开关柜，既是考虑到6 kV高压开关室内空间有限，又是考虑到此开关柜相比手车式开关柜，具有较高的绝缘水平和防护等级并配备有“五防”装置。35 kV隔离开关主刀闸配备CJ6型电动操作机构，接地刀闸配备CS17型手操机构，可方便与电站综合自动化系统配合实现隔离开关的遥控分合闸，隔离开关主刀闸与断路器和接地刀闸的电气联锁，提高自动化程度，减少误操作的机率。

表2 所略一级站改造后主要电气设备型号规格

3.6 电站综合自动化控制及保护的改造

（1）水轮发电机组控制及保护改造

每台机组设一块发电机保护测控屏，也简称机组LCU屏，屏内配置1台三菱FX2N系列PLC，1块触摸屏，1套发电机微机保护装置，1套自动准同期装置，1套手动准同期装置，1块计量电能表以及1组控制开关、1组指示灯等元器件，用于实现机组的自动控制、监视与保护，包括机组开机控制、停机控制、事故停机控制、紧急事故停机控制、同期并列控制，机组运行方式切换，机组现地/远方控制切换以及发电机主保护、后备保护等，其可接受主控室来的调节控制命令，也及时将机组运行状态信息上传至主控室的监控主机上。

（2）机组测温制动控制改造

每台机组设1块测温屏，屏内配置3台温度显控仪负责发电机前导轴瓦、后导轴瓦和推力轴瓦温度的监测，1台温度巡检仪负责轴承排油口油温、发电机定子铁芯、定子线圈以及推力轴承油温的监测，配置1套转速信号装置采用发电机残压测频的方式负责监测机组转速并发出≤5%ne（机组停机过程中判断机组全停信号）、≤35%ne（机组停机过程中投入制动控制信号）、≥90%ne（机组开机过程中用于起励控制信号）、≥115%ne（机组转速升高事故停机信号）、≥140%ne（机组转速过高紧急事故停机信号）接点信号至机组PLC用于机组的运行控制。

对于机组的制动，考虑到电站机组台数少，单机容量小，又是卧式机组，因此在调速器处设机组制动电磁阀，调速器压力油源经制动电磁阀及减压阀后直接控制发电机制动器，从而取消了电站原来的气系统。

（3）主变及线路保护改造

设2块主变及线路综合保护屏，各屏安装主变主保护、后备保护装置各1套，安装2回线路保护各1套以及主变和线路的计量电能表3块，其中1#综合保护屏用于1#主变和2回35 kV线路，2#综合保护屏用于2#主变及2回10 kV线路。主变及线路保护全部采用微机保护装置，另外，考虑电站公用设备的安装位置，将电站GPS卫星时钟安装于1#综合保护屏内，其接收到的卫星时钟信息经监控主机再发至各计算机装置，实现全站计算机装置的对时；将电站UPS（逆变电源装置）安装于2#综合保护屏内，其输入一路厂用交流电和一路厂用直流电，逆变输出的交流电源供给主控室的监控主机，以确保监控主机电源供电可靠性。

（4）公用测控部分改造

公用测控包括除机组外的同期并列、电站水头监测、除机组部分外的公用机电设备的自动控制等，因此设1块公用LCU屏，配1台三菱FX2N系列PLC，1块触摸屏，1套水位测量仪，1套自动准同期装置，1套手动准同期装置，负责完成电站集水井排水、大坝进水闸门及隔离开关等公用设备的自动控制及位置监测，负责除机组出口断路器之外的断路器同期并列操作控制等。

考虑到机组及厂房尺寸较小，主控室与发电机在同一高程，为便于操作维护及管理，发电机保护测控屏、机组测温屏、主变及线路综合保护屏、公用LCU屏以及励磁屏、厂用直流屏、厂用交流电屏以及主控台、监控主机等全部集中安装于主控室内。

3.7 改造效果

所略一级水电站技术改造自2012年4月开工，2012年10月竣工投产，改造完成后，水电站的安全隐患得以消除，机组开停机操作、运行监视及主要的电气倒闸操作均可在主控室的监控主机上完成，电站的综合自动化水平达到了“无人值班（少人值守）”的自动化运行管理要求，机组出力在额定水头下可超过额定出力，在各工况下运行平稳，噪音明显降低，开机发电及并网均可在监控主机上一键操作并在1 min内完成，运行人员也由原来的每班组4人降至2人，实现了增效的目的，达到了技术改造的目标。经过近4年多的运行，现运行情况良好。

4 结束语

所略一级水电站具有农村小水电的典型特征，也是国家“十二五”期间重点推进的农村小水电增效扩容改造项目，其技术改造前存在的主要问题，改造的方案、内容、措施以及改造之后消除了电站安全隐患，以较低的成本实现了电站机电设备的再制造和电站自动化技术的升级换代，其经验具有很好的代表性，可供广大农村小水电站借鉴。

[1]广西水利学会.广西自治区水电资源及其开发利用现状[EB/OL].https：//wenku.baidu.com/view/4d52692ded630b1c59 eeb5bf.html，2017-03-10.

[2]周敏.广西262座老旧农村水电站增效扩容改造全面启动[EB/OL].http：//www.gx.xinhuanet.com/newscenter/2013-08/ 02/c_116780731.htm，2018-08-02

Capacity Expansion and Efficiency Improvement and Automative Transformation to Old Hydropower Station——take Suolve 1 Hydropower Station as an example

ZHOU Tao，CHEN Shao-guang，HU Hua-li
（Guangxi Vocational College of Water Resources and Electric Power，Nanning Guangxi 530001，China）

This paper analyses the potential safety danger and main problems of old and small hydropower stations，taking suolve 1 hydropower station as an example.According to the automatic control standard of modern hydropower station，this paper introduces the main measures and content of electromechanical technology transformation to hydropower station.

hydropower stations；technology transformation；automation

TV742

A

1672-545X（2017）03-0093-04

2016-12-07

周涛（1977-），男，广西恭城人，本科，讲师，主要从事水电站机电设备设计以及教学和培训工作。