水电站电气主接线优化设计

王晨曦

四川省水利水电勘测设计研究院有限公司 四川 成都 610000

引言

对于传统水电站电气主线路设计工作中，涉及的设计内容主要有短路分析、配电设备、无功补偿、变压器等，其中短路计算和设备的选取是传统电气设计模式下的重点任务，在传统设计思路下，对于电气主接线方式的了解不太深入，而在目前电力技术高速发展的背景下，电气主接线已经成为一项新式的重要接线方式，在水电站电气设计领域获得了大范围运用，同时也逐渐在实际水电建筑中发挥出越来越重要的作用，所以，在开展电气设计时，应当对主接线设计进行重点关注，加强对其设计方案的优化调整。

1 小型水电站电气主接线设计的注意事项

1.1 解决近区负荷的供电问题

水电站和火电厂之间存在一定差异，通常是一次建设完毕，后续不会进行扩建；而且水电站开机程序非常简单，机组启动速度较快，同时还较易实现自动化与智能化；和负荷中心间隔距离较远，不存在较大的近区负荷，使用升高电压运送电能，出线回路不多，大多数是调峰运作，启停非常频繁[1]；和火电厂与降压变电所有所不同，通常不会预先留设出线回路；水电厂内所用电能负荷较低，通常不会从高压侧接线，而且备用厂用电源能够由地区配电网或者是保留施工变电站提供；水电站大多修建在狭小的山区地带，开关站往往不会作为分配或者是中转电能的变电站，对于电气主接线而言愈是简单、清晰愈佳；处于相同河流上的梯级水电站或者是地理位置临近的几处水电站，电站相互间不仅存在电能的联系，同时还在水方面存在联系；水电站在进行电气主接线设计过程中，需要合理解决近区负荷的供电需求。

1.2 过电压保护和接地设计

过电压保护与接地设计应当按照实际水电站工程情况进行设计。比如，在进行某一处小型水电站设计时，可采取下述方法实行过电压保护与接地设计：①直击雷保护。把避雷设备安装在电站的屋顶处，再将接地扁钢和地网进行连接，可以充分避免水电站受到直击雷的危害，避雷带要和尾水接地网进行连接。升压站的直击雷防护需要采取两支高度为24m的避雷针作为保护，而且每一支避雷针都需要单独设置。对于雷电侵入波的过压保护，需要在升压站35kV进线设置一道长度在1～2km左右的避雷线，将雷电沿着导线侵入的坡度控制在可承受的范围内，让经过避雷器的冲击电流值不高于5kA。并且，为避免雷电波流至升压站使得现场机械设备受到损坏，需要在35kV母线安装一组氧化锌Y5W-42/134型避雷装置。因为雷电波能够沿着110kV线路进行攻击，所以需要在此线路中安装避雷线，把浪涌保护装置安装在低压配电柜中发挥出保护效果[2]。②接地。避雷接地主要是由垂直接地体与水平接地体构成，前者是由十条长度为2.5m的50×5的角钢构成，后者则是由长度为30m的40×4扁钢构成，且接地电阻值不得高于10Ω。神电站的工作节点则是由40×4的扁钢水平接地体构成，在设备接地部位一同设置12条长度为2.5m的50×50角钢垂直接地体，且接地电阻值不可超过4Ω。厂房主要是钢筋砼结构，对于厂房基础钢筋和接地网应当进行连接处理。

1.3 微机监控综合及自动化系统

按照小型水电站的基本状况与满足减少值班人员数量的需求，可主要使用计算机监控方式，并辅以常规监控，比如采取亚太公司研发的分层分布式结构的DZWX-2000水电站计算机监控系统，该系统主要构成包括上位机系统、当地控制模块、水轮机操控系统、励磁屏等。其中，上位机所涵盖的设备有一台监控主机、打印机以及可以持续使用的电源；当地控制模块一共有6组，而机组当地控制模块、水轮机调速装置、可控硅励磁设备各有2组。

首先，上位机和调度中心或者是信管系统之间的通信也采取SDT通信协议加以实现，或是可以按照实际需求将水电站的实时数据发送至办公室或厂长个人终端；其次，监控主机能够自动化地做好对水电站实时情况的收集、整理、监控、对于监控对象运行参数实行调整、发出警告以及意外事故的登记、遥控操作、水电站历史信息查询、报表汇总与处理，实时显示出电站运作状态与参数情况等；最后，危机自动控制系统需采取一机一屏的模式，将一次设备与二次设备组建成一整块屏幕。而屏内一次设备主要有隔离刀开关装置、自动空气开关、电流/电压互感装置以及熔断器等，二次设备不仅有微机测量、保护以及控制装置，还要安装一机一台同期表[3]。

1.4 发电机断路器的装设方案

对于每一个发电机-变压器单元的机端都需要安装发电机出口断路器，此项措施的优势体现在：①②③安装发电机断路器之后，水电站同期能够不在变压器高压端进行，而是能够基于断路器完成。若是使用220kVGIS断路器，因为其并非是三相联动，而在同期操作过程中存在出现单相或者是两相拒动的概率，并且发电机断路器属于三相联动，相间分合闸不同期时间较短，并不会产生单相或者是两相拒动的问题，并且，在同期中只用率先操控一组13.8kV隔离开关便能够做到同期操作，可以操作的设备数量不多，显著降低了误操作的概率。此外，GIS高压断路器使用寿命为分合闸总循环次数5000次不检修与替换零部件，而根据《高压交流发电机断路器》GB/T 14824-2008中的相关规定，需要进行频繁操作的发电机断路器，其不检修总操作次数可以为10000次。从此方面来看，发电机断路器比较适合运用在需要频繁操作的场合中。

2 水电站电气主接线设计方案

2.1 发电机电压侧接线

主变压器作为水电站运作期间的关键设备，技术人员应当按照水电站建设规模合理设置主变压器的安装数目，以建设较为普遍的中小型水电站为例，通常会设有2台主变压器，在此条件下，对于发电机电压侧接线方法主要包括下述几种。

2.1.1 单母线与单母线分段接线。单母线接线方式最为突出的优势便是接线流程十分简单易行，不过也存在严重的缺陷，比如当母线出现故障，则为确保检修人员的人身安全以及有关电气机械设备的安全性，一般要求将水电站全部设备都停止运行，这样就会对水电站的正常运作带来影响。针对此问题，技术人员慢慢提出了单母线分段接线方式，即把母线之间通过并联的形式加以连接，如果其中某一段母线出现了故障，则只用启动备用线路便可使水电厂持续、稳定、安全运作，有效确保了线路运作的安全性，并且单母线分段接线方式具有各条线路连接十分清晰明了的特征，水电厂内不同电气机械设备相互间的工作并不会因为故障而受到影响，极大程度上提高了电气主接线设计的合理程度。

2.1.2 单元接线方式。也就是在主变压器下分别接通2条直线，其中一条要求装设厂用变压器，另外一条要求装设发电机组，采用线路分流的形式大幅提高了水电站主接线的稳定程度，有效确保了主变压器和发电机的容量匹配性，充分减少了因为发电机运作而引起的连接线路受热故障的问题发生，不过此时投资金额会有所提高，就实际使用角度考虑，单元连接的方式具有较高的应用价值。

2.1.3 扩大单元接线。将单元接线予以扩大，有效简化了电气结构，例如原本要求安装两台主变压器，而在此接线方式下，只用使用一台主变压器便可以完成对应的工作要求，即使有一台主变压器出现了故障，其他备用变压器也会接替其位置发挥应有的作用，确保水电站持续稳定运行[4]。

2.2 升高电压侧的接线模式

一般而言，水电站的主变压器会用到两绕组变压器，此种变压器具有非常高的绝缘性以及耐高温效果，尤其是在夏季高温天气时，居民用电量大幅提高，水电站所承受的载荷压力比较高，采取绕组变压器能够有效减轻水电厂的运作压力。而在采取升高电压侧接线方式期间，根据接线位置的差别，又可将其细分成下述几种方式。

2.2.1 变压器线路组接线。此种接线方式具有简单易操作的特征，是通过采取外增倒流线路的措施来提高变压器运作效率，相较于变压器来说，连接导线的电阻整体上能够忽略不计，因此有可能发生的变压器短路故障再加之主接线电气设计采取的围单线路连接方式，在实行维修工作期间就必须将整个水电站都进行停电，所以许多水电站渐渐不再采取此种接线方法[5]。

2.2.2 单母线与单母线分段接线。不同于发电机电压侧接线方式，在升高电压侧单母线分段接线所花费的成本不高，并且在具体线路中所使用的电气装置数目和种类都非常单一，此种接线方法会导致同条母线承担的电流/电压值减小，适合使用的范围较小。因此，在水电站具体开展电气主接线设计工作时，技术工作人员可通过将某段母线和发电机组进行连接的措施来发挥出继电保护的效果，并且，还能够在母线周围增设隔离开关，如果其中一段母线出现故障，则隔离开关便会发挥出相应的保护功能，充分防止在实行检修维护期间出现断电的情况。

2.2.3 桥形连接。有些水电站采取的是“两进两出”的形式，如果采用单母线和单母线分段接线的方法，由于两回路间变压器功率存在差异，所以，电气主接线无法直接接通起来，如此便会导致水电站发电功率减小。但桥形连接可以很好地实现对功率的平衡调控，从而提高水电站内电气主接线设计的合理、科学与稳定性。

3 结束语

综上所述，水电站是当前国内电力能源的关键性生产方式之一，特别是随着社会经济的蓬勃发展，各行各业以及人们的日常生活都开始对电力资源有了更高的要求，水电厂承受的供电载荷大幅提高，加强对水电站电气主接线的改进设计，可以大幅提高电力系统运作的安全和稳定程度，更好地满足新时代背景下人们对于水电站电能供应的需求，使得水电站的安全程度和社会经济效益一同提高，有助于带动水电产业朝着新的发展阶段迈进。