活动坝水电站增效扩容改造设计方案探讨

张 健 张 岩

(1.淮阴区活动坝水利工程管理所，江苏 淮安 223300；2.淮阴区淮高水利服务站，江苏 淮安 223300)

1 工程概况

江苏省淮安市淮阴区活动坝水电站，位于江苏省杨庄闸北首350m处废黄河旧河床上，与江苏省杨庄闸平行，上游与淮河流域的废黄河、淮沭河、大运河、盐河五河相连(见图1)。淮阴区活动坝水电站始建于1976年10月，1980年1月并网发电，安装12台TSJ-160kW同步发电机，12台ZDJ-IW-120水轮机，2台电力变压器，总装机容量1920kW，电站设计水头3.50m，上游正常水位11.50m，下游正常水位7.86m，正常流量5m3/s，实测6m3/s，属于低水头、大流量、径流式电站。电站主要为淮阴区居民及城镇供电，电站以1回10kV输电线路直接送至10kV，并入地区10kV电网。非发电期可调相运行，以提高附近地区用电质量。

图1 活动坝水电站位置示意图

2 增效扩容必要性

电站在运行过程中，不断对机组设备、厂房、水工建筑物等进行保养、维修和改造，做了很多工作，保持了活动坝水电站长期、稳定、安全、可靠、高效的运行，但由于历史原因，受到了方方面面的制约，特别是资金不足，设备、厂房、水工建筑物等已不能满足水电站运行的要求，效率下降、效益滑坡，严重阻碍了活动坝水电站的可持续发展(见表1)。

表1 活动坝电站发电量统计

3 改造方案

3.1 水轮机选择

活动坝电站为低水头电站，水头变化很小。设计水头5.00m条件下可采用轴流式水轮机。但因属改造工程，在不影响原电站水工结构的前提下，改造优先选用原轴流式水轮机。可供选择的水轮机转轮型号有ZDL90/D120等，综合考虑各机型的能量性能、汽蚀性能、机组造价以及运行工况区等因素后，确定最适合本站采用的机型[2](见表2)。

表2 水轮机选型比较

通过以上两个方案比较分析可知：两个方案对应的厂房土建造价基本相同，方案二的运行效率最高，两方案机组运行高效区范围均较优越。机组造价方案一比方案二少1.2万元。两个方案均可很好地用于本电站。考虑到本站属改造方案，土建不允许有较大改变，而且要便于检修、更换。经综合比较并考虑到电站改造的特点，选用方案一的ZDT03-LMD-120机型，能很好满足本站要求，因此采用ZDT03-LMD-120机型。

3.2 电气系统改造

3.2.1 主接线设计

自10kV升压站起的线路使用原变电所的输电线路，全长5km。电杆采用22.5m的等径水泥杆，导线采用70mm2的钢芯铝绞线，输送容量2400kW。10kV出线采用单母线线路、变压器组成接线，为了运行、检修的可靠和方便，主变选用2台，发电机400V电压由2台变压器升压后，经10kV母线并入地区电网。

3.2.2 站用电

电站站用电源取自发电机母线处，站用电压采用380/220V三相四线制系统，由GCS屏经厂用配电屏供给负荷和照明[3]。

3.2.3 主变压器设计

发电机电压由2台1600kVA主变升高至10kV，而后经10kV母线并入地区电网。主变型号为S11-1600/10/0.4，采用D/YO-11型连接，即高压侧绕组接成三角形，低压绕组接成星形并中性点接地。主变高压侧为10kV，低压侧为0.4kV。站房内0.4kV低压系统采用单母线分段接线，1～6号发电机接于第一段母线，7～12号发电机接于第二段母线，其优点是安全可靠，运行灵活，布置简单，维护检修方便。

主变保护设过流保护、过负荷保护、低电压保护、温度保护等，采用GE公司的T60保护单元，安装于主变开关柜内。

3.2.4 其他电气设备设计

电站电源由LGJ-70钢芯铝绞线接入，查标准该导线额定载流量为275A。该站12台发电机运行时其高压侧电流为184.6A，该站现有10kV线路载流能力亦能满足要求。

根据回路工作电流对主变0.4kV母线、电动机回路0.4kV电缆的允许载流量进行了复核并校验了其热稳定性，根据计算结果现有导体载流量虽能满足要求，但因为铝排腐蚀严重，影响载流能力，故更新为铜排。

3.2.5 励磁装置

发电机直流励磁装置，设计方案选用微机型励磁装置，并与站微机监控系统相配套。根据电站增容要求相应增加励磁变压器容量。励磁装置选用WFL-10000型低压发电机可控硅励磁系列产品，该产品满足中小型同步发电机励磁系统基本技术要求。

3.2.6 厂房暖通

本站主厂房为半地下式单层厂房，开阔空间高大，但因半地下站房无足够的通风及采光窗户，计划在站房侧安装10台轴流式风机进行强迫通风[4]。

3.2.7 消防设计

消防设计主要依据建设工程施工现场消防安全技术规范[5]及水利水电程设计防火规范等国家有关标准规定。消防设计以“预防为主、防消结合”和“确保重点、兼顾一般、便于管理、经济适用”为原则。在确保消防安全的前提下，尽可能利用常用设备，减少投资费用，做到保证安全，方便使用，经济合理。

设计方案采用以消防水为主的消防方式，再辅以化学灭火机方式消防。按水电站的厂房尺寸和机组间距及单个消火栓的消火范围，按间距12m分别布置2个消火栓。

本站室内油桶直径很小，不设油桶顶水喷雾头。油类的消防采用以化学灭火机为主、水消火栓为辅的方式。

4 电气系统保护设计

4.1 继电保护

继电保护的功能是及时查明运行中电气设备的故障，并能将故障部分自动断开。为保证无故障部分的正常工作，要求继电保护动作迅速，具有选择性，保护采用微机保护装置。

4.1.1 过流速断保护

过流速断保护利用其速断部分作为相间短路保护，用于瞬时跳闸，迅速关闭导叶及信号。瞬时动作一次电流按发电机额定电流的1.4倍整定，该站发电机额定电流为362A，瞬时动作一次电流为506.8A。

4.1.2 过负荷保护

过负荷保护由装在中相的过电流继电器构成，当发电机过负荷时继电器经一定时展动作于信号。电流继电器的整定电流为发电机额定电流的1.2倍，即434.4A，动作时限为10s。

4.1.3 过电压保护

过电压保护由过速继电器和过电压继电器构成。当水轮发电机组在运行中突然甩掉负荷时，就会产生飞车现象，转速大大超过发电机额定转速，这么高的转速，势必会造成过电压，此时过速和过电压继电器则动作于迅速关闭导叶，后开关跳闸于信号并使水阻可靠地自动接入电路。过电压继电器动作电压整定为额定值的1.2倍，即480V。

4.2 防雷保护

4.2.1 直接雷击保护

水电站防直接雷采用独立的避雷针，主、副厂房利用装设在屋顶的避雷带保护。为了保护变电所不受雷击的破坏，在变电所出线架设2km避雷线，在10kV出线始端装设3只10kV氧化锌避雷器，为使站房不被直接雷损坏，在站房顶高出女儿墙30cm用φ10圆钢装置一圈环形避雷带，并与女儿墙及屋面钢筋焊接后引下。

4.2.2 接地装置

本站装设两组独立的接地网，一组为避雷针接地网，接地电阻不大于10Ω，另一组为电站的工作接地网，即主接地网，其接地电阻不超过4Ω，接地装置应尽量利用自然接地体，并与人工接地网、厂房钢筋等用电焊牢固连接，成为整体。若不能满足接地电阻要求，还需增设人工接地装置或进行降阻处理。

为了将本站各种不同用途和各种不同电压的电气设备可接地，采用由带形和棒形接地体联合组成的接地装置。棒形接地体用12根每根长2.2m的φ25圆钢打入地下，用40mm×4mm扁钢连接成长方环形，其接地回路总长76.5m，水平铺设在2.25m高程土层，与棒形接地体相焊接。接地电阻要求小于4Ω。接地网用12根φ16钢筋沿中墙引伸至站房顶避雷网，在向上引伸过程中均需与水工建筑内的构造钢筋焊接。另外，在主机层用40mm×4mm扁钢与接地网引上钢筋分别焊接引出作为电气设备的保护接地与工作接地[6]。

5 综合评价

活动坝水力发电站，利用主汛期有效水位可发电约4个月，丰水年可达到5～6个月，在目前水力资源条件下，增效扩容改造设计方案实施后，水轮机效率提高近5%～8%；新叶轮水力模型效率可提高6%～9%，小功率节能型发电机效率比老高耗能发电机高出5%～7%，仅考虑水力发电机组性能，即可使效率提高11%～17%。通过更新节能型变压器、载流体铝排母线等配电设备，效率提高6%～9%，电站综合效率可提高18%～27%，发电量及经济效益等明显提高(见表3)。

表3 活动坝电站发电量统计[2]

6 结 语

淮阴区活动坝水电站增效扩容改造后，充分利用了过水流量，加快了电站持续高效发展的步伐，提高了水能的利用效率，生产了更多的清洁电力，为本地区以及周边地区的工农业生产、人民的生活做出了重大贡献，取得了显著的社会效益和经济效益。