农村水电增效扩容改造中电气节能设计与应用

吴明亮

（湖南水利水电职业技术学院，湖南 长沙 410131）

农村水电增效扩容改造中电气节能设计与应用

吴明亮

（湖南水利水电职业技术学院，湖南 长沙 410131）

文章介绍了农村水电增效扩容改造设计中节能降耗设计的原则，阐述了通过更新改造机电设备、无功补偿、合理选择输电线路材料和截面、水轮机与发电机匹配，水轮机性能参数与运行参数匹配等方法来实现节能。

水电站；增效扩容；电气节能

加强节能工作是国民经济和社会发展的一项长远战略方针和迫切任务，而农村水电站增效扩容改造，电气节能是一个不容忽视的问题。文章中笔者在农村水电增效扩容改造工程设计中的一些做法，就如何实现电气节能谈一谈自己的体会。

1 节能降耗设计主要遵循以下原则

电站的电气设计及设备选型节能降耗设计主要遵循以下原则：①遵循国家法律法规及有关设计标准的规定，满足有关节能规划和节能措施的要求。②在工程设计中贯彻节能降耗设计思想，通过技术经济能源环境等综合分析比较论证，选择设计方案。③根据工程特点，分析能耗指标，明确节能目标，落实节能措施。④采取节能新技术和新工艺，对落后的耗能过高的用能产品、设备实行淘汰制度。

2 更新改造机电设备，以实现节能

笔者设计的水库电站，大多设备从投运发电至今已运行了30多年，设备陈旧、老化严重、效率低下、损耗量大，大多已接近或超过其正常使用寿命，且大部分设备属高耗能及淘汰产品，无备件更换，严重影响设备的安全运行。因此在设计中广泛采用新技术、新材料、新工艺和新设备，实现电站设备设施的升级换代，全面提高自动化、信息化和现代化水平。大幅度提升能效和发电能力。

2.1 变压器选择

变压器是输变电行业中的耗能大户，我国变压器的总损耗占系统总发电量的10%左右，变压器的节能降耗意义重大。由于水电站升压变不经常处于满载甚至超载运行，根据电站所装机组台数容量，选用升压变压器容量，同时选择升压变的变比要适当，通过调整无载分接开关，使发电机保持在额定电压运行，不应偏离太多，电压过高或过低对节能都不利。

由于材料技术的不断发展和变压器厂对结构的不断改进，节能型变压器发展很快。S11系列是目前推广应用的低损耗变压器，空载损耗较S9系列低75%左右，其负载损耗与S9系列变压器相等。因此，在工程中推广使用低损耗变压器。

笔者在某水电站改造设计中，变压器由原S7-200/10型更换为 Sll-315/10型节能变压器，315kVA的变压器比200kVA的变压器空载损耗还少53W，315kVA的变压器比200kVA的变压器容量多出115kVA，而负载损耗（铁耗）仅多119W。同容量的S7与S11比较，空载损耗多295W，负载损耗多1345W，如表1所示，可见同容量的变压器可降低变电损耗1640W以上。

表1 S7-200/10型与Sll-315/10型变压器比较

2.2 发电机改造

发电机改造主要是定子线圈和转子线圈的改造,绕组绝缘等级原来为B级绝缘，现改为F级绝缘。

（1）定子铁芯改造。更换定子铁心材料，定子铁心可采用的50W250硅钢片，在发电机的频率为50Hz、波形为正弦波、磁感峰值为1.5T时，硅钢片单位重量铁损值为2.50W/kg，而过去采用的D42硅钢片，在同样情况下，其单位重量铁损值为3.15W/kg。定子铁心采用高质量的导磁材料，提高迭装系数，可减小定子铁心损耗，提高发电机运行效率。

（2）定子线圈的改造。定子线圈主绝缘新型环氧云母事带连续绝缘,介电强度高。而目前广泛使用的F级环氧粉云母带绝缘，在相同电压等级条件下，其厚度可比原A级绝缘厚度减薄约10%～20%。绝缘厚度的减薄，有利于绕组的散热，能在冲片槽型不变的情况下，增加绕组的铜线截面，降低定子损耗和绕组温升，提高绕组效率，增大机组输出功率。在发电机绝缘水平提高、绝缘减薄的基础上，可增加定子绕组铜线的截面，提高线圈的槽满率，由此可增大电机的线负荷，提高发电机输出功率，达到增容的目的。

（3）改造转子励磁绕组。发电机增容改造常受到励磁绕组温升的限制，因发电机容量增大，势必增大相应的励磁电流。在原绕组铜线截面积不变的情况下，势必增加铜线的电流密度。励磁绕组的改造，通常是在不影响发电机通风冷却性能和保证极间最小安全距离的前提下，适当增加励磁绕组的铜线截面或励磁绕组的匝数，以降低铜线损耗，使励磁绕组的温升控制在安全范围内，以保证机组增容运行的安全。

（4）改善发电机通风条件。20世纪80年代前投入运行的电站的通风测试经验表明，发电机的通风损耗普遍占额定容量的0.8%～5%，而目前结构优良的发电机通风损耗只占其额定容量的0.4%左右。因此，改造原有的风路系统，改进通风结构，减少通风损耗，同样可以提高发电机的效率和出力。

2.3 水轮机改造

水轮机选型方面考虑如下措施，一是水轮机的蜗壳、尾水管等主要埋设部件不拆除，仍保留使用；二是水轮机的进水流道尺寸保持不变，所以所选机组必须符合原引水系统和流道的运行要求，选用效率高的水轮机模型；三是电站装机台数不变，水轮机安装高程不变，新转轮采用合理的结构设计，转轮叶片采用不锈钢材料制造，汽蚀性能应满足现有安装高程的要求，以保证机组安全稳定运行。

如某电站原有水轮机规格型号为ZD560-LMY-60（5°）；改造后的水轮机规格型号为ZD560-LMY-60（10°），主要进行转轮更换、导叶及传动机构更换。

3 通过无功补偿实现节能

根据负载情况对变电所0.4kV侧采取集中无功补偿，功率因数提高后，可减少送变和配电设备中的电流，从而降低电能损耗，达到节能的目地。

4 合理选择输电线路材料和截面实现节能

合理选择输电线路材料和截面，负荷线路尽量短，以降低线路损耗，通过优化电气设备布置，降低动力电缆的输电损耗。10kV升压站应尽量与水电站电气副厂房毗邻，变压器及配电设备尽可能设于负荷中心，尽量减小供电路径，以节省线材，降低线路损耗。

5 照明节能

照明节能设计就是在保证不降低照明质量的前提下，尽量减少照明电路中能量的损失，从而达到能量利用的最大化。重点是节能光源的优选，采用节能的LED光源，在相同照度和色温的前提下，可以大幅度降低光源的能耗比；另外采用智能照明控制技术通过对有效的照明区域、照度需求和照明时间的自动控制，提高人工照明的效率。

6 水轮机与发电机匹配，以实现节能

水轮机与发电机匹配，避免浪费水电站的设备容量，减少水电站的运行损耗。过去有的水电站缺乏技术资料以及当时条件下的技术水平问题，所选水轮机与发电机不匹配，有些小型水电站水轮机的输出功率大于水轮发电机或主变压器的额定容量，形成“大马拉小车”，使水电站的设计出力受到限制，在发电期间出现非正常的弃水现象。也有的水电站发电机容量大于水轮机出力,形成“小马拉大车”，不但浪费了设备容量，也增大了运行损耗。

7 水轮机性能参数与运行参数匹配，以实现节能

早期建成的一些水电站，尤其是小型水电站 由于当时当地客观条件限制，机组选型一般只按当时所颁布的系列型谱选择水轮机型号和标准直径，而早期编制的水轮机模型转轮型谱中可供各水头段选用的转轮型号较少，造成机组实际运行参数与设计参数偏离而不匹配，以致机组长期达不到额定出力、偏离最优工况运行，造成水能资源的浪费。有些小型水电站建成后，其实际的流量、水头等水文数据与设计资料有所变化或者缺少必要的水文资料，结果选用的水轮机性能参数与电站实际运行参数不适应。

上述情况水轮机处于非最优或非较优工况区运行,效率低、振动大、损坏快、年发电量损失多。因此，在水电站水轮机参数选择时，水轮机选型要根据水电站的开发方式、动能参数、水工建筑物的布置等，综合考虑国内外已有水轮机的参数、制造厂家的生产水平，拟定若干个机型比较方案，再通过技术经济比较，确定出最优方案。首先根据水头选好机型，再对水轮机转轮选择，根据电站的给定水头范围段，比较几个模型转轮的主要技术参数，选择性能较优的转轮，使之在高效率区域工作。做好其它预期参数的选择，例如比转速应根据国内外水轮机的实际设计制造水平和国内外同类电站已经运行电站的资料，结合电站的实际进行选择；水轮机效率应根据国内外水轮机的实际设计制造水平和国外著名水轮机制造商对水轮机的效率指标综合考虑。然后需要检验所选参数能否满足要求，如出力、吸出高度、所选工作范围等。

8 结语

总之，农村水电增效扩容改造设计中，如何实现电气节能，除了电气设计要考虑如何节能外，同时水机设计中水轮机的性能参数与运行参数如何匹配也是一个重要因素，只有综合考虑，才能真正达到电气节能的效果。

［1］林长茂.浅谈清河水库水电站工程电气设备节能措施［J］.黑龙江水利，2016，（2）.

［2］熊光明，李小江.浅谈中小型水电站水轮机技术改造［J］.中国高新技术企业，2015，（15）.

［3］曾玉好，崔永明，杨悦伟，等.水轮发电机增容改造［J］.东方电气评论，2016，（3）.

Design and Application of Electric Energy Saving in the Transformation of Rural Hydro-electric Power Expansion

WU M ing-liang
（Hunan Polytechnic of Water Resources and Electric Power，Changsha，Hunan 410131，China）

This paper introduces the design principle ofenergy saving and consumption expansion transformation efficiency of rural hydropower design，describes the renovation ofmechanical and electrical equipment，reactive power compensation，reasonable selection of transmission linematerials and cross section，hydraulic turbine and generator，turbine performance parametersand operation parameters，and othermethods toachieve energy saving.

hydropowerstation；efficiency expansion；electric energy saving

F426.61

A

2095-980X（2017）05-0072-02

2017-04-18

湖南省水利水利科技项目，项目编号：湘水科技[2015]13-19。

吴明亮（1964-），男，湖南望城人，副教授，主要研究方向：机电技术应用等。