小型水电站技术改造工程电气设计与注意要点

张圣酿

（中国水利水电第十六工程局有限公司机电制造安装分公司，福建福州 350000）

1 小型水电站技术电气设计类型

1.1 主接线计算复核设计

许多增效扩建电站的运行时间相对较长，输电工程和系统的连续地址相对固定，受各组成部分的影响很难改变，因此无需再论证电站接入系统。如果目前的主接线相对合理，在进行效率拓展创新时也可以适当保持原接线方案的效率。根据目前的实际环境，可以了解电流的计算效果进而选择设备。由于内外部因素的影响，单侧电站经常受到干扰，原来计划的接线形式没有了，设备的数量和类型也发生了变化。因此，大型设备的状态与计划不同，导致重复生产能力和消耗量增加。为改变上述环境，应在规划中对主接线方案进行优化，并复核送电能力压降与实际效率扩大的比率。评审时应了解电站电流互感器的变化环境及相关电气设备的运行和热稳定环境是否能满足远程工作的需要。其基本工作原理是在保证输出电压水平和接入系统恒定的情况下，减少改造投资，避免资金浪费。

1.2 短路电流相关设计

针对现有的电力系统参数，提出了未来一段时间内电力系统机组参数滞后、机组参数滞后、短路电流计算重叠复核等问题，并根据时代的要求适当调整电器的型号、参数。为此，必须明确目标，开展工程建设，提高工程质量，甚至可以更新整个发电机。提高水轮发电机效率和扩大发电能力最常用的方法是对旧部件进行全面更新，但是这需要大量的资金投入，不仅会增加相关部件的负担，而且还会导致公共资源超支，应酌情采用。在增大功率之后，可以通过保持发电机转速恒定，确定发电机的极数，同时不断改变绝缘浸涂施工工艺，提高绝缘等级，通过切割耐压新材料推广线规。另外，电机通风冷却系统的工作质量也直接影响着发电机的温升和膨胀。

1.3 接地检查修复设计

水电厂对接地系统的规划要求非常严格，一旦发现接地系统有问题，工作人员就很容易单方面发现危险，很难保证设备的正常运行。为提高变电所运行参数的科学性，应从接地电阻值着手。在对接地系统进行规划时，需要考虑工频短路、电流等方面问题，并满足防雷电流的要求，而这些问题在小型水电站站扩能增效和设备改造中没有得到足够的重视。随着国家电网的不断发展，微机安全和通用自动化元件在水电站中的应用越来越广泛，所以相关规划者也应该重视弱电元件对接地网的拉力。经过多年来的连续使用，发现大面积接地网存在腐蚀问题，在紧张的工作环境中，特别是在大气层中，甚至会发生断裂，所以在规划之初就应该进行系统评估，当评估结果与方案值有较大差异时应对方案进行修正。在施工过程中如果发现难以达到规范要求的基本指标值，也可改变其局限性。小型水电站已成功运行多年，改造厂房及改造水下接地网的难度较大，可以创新性地尝试采用增加接地网面积的方法。

2 小型水电站技术电气设计注意事项

2.1 电气设计中设备的布置

电气设计中，需要一次安装时一般采用就近原则，即在机组附近就近安装，该方法大大提高了空间利用率。在变压器安装过程中，必须根据实际情况和布置方案选择合适的布置方式。经常采用室外放置法，可以在很大程度上节约开支。但是，小型水电厂偶尔也会遇到室外空间不足的问题，这时户外放置方式明显不适合，则可以采用室内放置方式。电流互感器的作用是保护变电站的设备和显示数据，受容量值的限制，稳定性差，是单机施工的理想选择。变压器主要是对高压侧电压进行保护，随时监测数据，防止频率过高，所以需安装在不同位置。对于水轮机自动回路的建造和保护，在建造发电机自动回路时，可采用滚动轴承式的双支点回路。在小型水电站励磁装置主要有无刷励磁和稳定励磁两种方案：无刷励磁价格低廉，后续保护较方便，但响应速度较理想；稳定励磁响应速度较快，可简单地作用于转子，但成本较高、后续保护难度较大。目前，稳定励磁技术的应用较广泛。

2.2 建造过程中的各类问题

由于小型水电站的站引水系统布置中存在一些问题，导致引水式小型水电站站排沙、引水管道存在一些问题，影响其安全运行，进而导致发电流量下降。为确保小型水电站站的安全运行，必须保证发电机与水轮机相互配合。许多小型水电站机组的机组容量小于水轮机的输出功率，也有些大于水轮机的输出功率，前一种情况将限制发电机功率，而后一种将扩大发电机容量，增加发电机消耗。受多种因素的影响，在运行过程中机组功能参数与实际运行参数有较大差异，从而制约机组的正常运行。尤其是少数水库有较多的泥沙，当泥沙进入一侧时就会对机组造成破坏、形成安全隐患。

2.3 励磁装置的选择

小型水电站的设计中应用最广的励磁装置主要有两种，即无刷励磁和静止励磁，它们各有特点：无刷励磁价格较低，后续维护比较方便，但反应速度不太理想；静止励磁反应的速度极快，可以直接作用在转子上，但价格高、后续的维护也存在一定的难度（表1）。综合分析，静止励磁的使用更加广泛。

表1 无刷励磁和静止励磁方式比较表

2.4 竣工验收结果

完成小型水电站全部技术改造后，必须对改造效果进行验收，高度重视应用成果和设备应用机能。例如，采用增容创新的方法对机组进行改造，在改造前和改造后进行机能数据的对比，以检验改造后的机组是否能够满足当前的发电需求，同时检验改造后的机组是否符合改造后的相关标准。所有经过改造的机组都要进行试运行，确保通过试运行合格后才能通过验收，如进行分期改造则须进行分期验收。小型水电厂的技术创新对许多方面都有影响，为此在技术创新过程中应根据电站运行指导原则，采取施工作业票连续运行、停机停运、合理配置施工作业面等措施，确保施工安全。

3 小型水电站技术改造措施

3.1 电气设计的改造措施

大部分的小型水电站已经运行多年，在初期建设中由于技术水平有限，设备的性能不高，如果现在将所有的老设备都更换为新设备，费用将会过高，因此有可能出现设备老化单边维修的情况。因地理环境不同，设备受损情况也不相同，需要作出特殊的决策和改造。

（1）对发电机，注意不能改变电机的转速和极数，若通风冷却系统有问题，也势必会影响发电机的扩容。在水电厂建设初期，通风冷却系统有散热不足、噪声大、空鼓堵塞、作业适应性差等问题，为此必须加强其整顿工作。

（2）定子铁芯的稳定性很强，一般不会被破坏，但要随时监测，一旦铁心发生破坏则将对整个系统产生较大影响，甚至引起重大事故，所以有必要对铁芯进行隐患排查，及时更换合适的原材料。另外，还需要优化定子铁心等部件的决策结构。

（3）在发电机运转时，推力轴承的轴负荷过大，一旦被挖出势必损坏发电机，为此需参照系统计算的负荷值对轴承进行修正，这时只需计算单位容量。

如果制度的衡量和保障都涉及优化过程，就应该积极与单边的相关方面进行沟通和讨论，做出很好的决策。随着科技的进步，现在的电力系统结构已经发生变化，用电容量也有很大提高，电力参数也会发生很大的变化，如电力系统已趋于自动化水平。所以，在计算短路电流时必须考虑电流的电气参数，并要结合电气设备的技术指标谨慎选择。

3.2 输水系统的改造措施

小型水电站技术改造的重点是输水系统，所以要准确核算。对供水设备的改造，应着重解决水力计算问题。液压计算最重要的部分是计算超大流量和水轮机额定水头，主要目的是找出对策、纠正错误，进一步优化现有供水系统。需要注意的事项有两个：①磨蚀性创新主要适用于含沙量大的小型水电站，如果泥沙淤积量大，则会降低水电站的运行效率、进一步损坏设备；②深入分析泥沙淤积的原因，选取河流丰枯期泥沙条件的有关资料，利用抗磨误差响应法优化现有水轮机布局，使之与实际泥沙条件基本一致，如有必要还可以进行落差练习，安装尾水能量采集装置。

为了改善小型水电机组的流量和工作水头，有必要对机组工作水头进行改造：①修建翻板式闸门，增高现有坝体，并粗略掌握水头损失情况，达到提高水头的目的；②更新和优化拦污设备，以移动清污机取代老式双拦污栅，降低拦污设备的水头损失。

4 结语

随着时间的推移，小型水电站站将在我国有更大、更好的发展，这要求规划者严格遵守电力规划标准，及时发现、研究和处理规划中的问题，同时进行改革和创新，不断优化电力系统的质量。个别小型水电站的建设周期长，技术改造工作量大，因此应抓住创新重点，搞好施工管理，确保小型水电站机组技术创新后安全高效运行，提高技术创新效益。