水電站電氣一次設計的研究

歐陽帆

摘 要：隨著我國國民經濟的迅速發展，能源瓶頸問題已經成為當前制約經濟發展的重要問題。水力發電因具有環保、一次能源低廉、循環再利用、綜合效益高等突出優點而得到了國家政策的大力扶持。水電站電氣一次設計是水電站設計的重要組成部分，本文主要是從小型水電站的發展狀況及特點出發，對水電站的400V電氣主接線、電氣設備選型布置及廠用電接線等重點問題，作了較詳細的闡述，并提出了解決方案，結果表明該研究能使水電站的運行更加安全和可靠。

關鍵詞：小型水電站；電氣一次設計；電氣主接線；廠用電接線

1. 前言

近年來，小型水電站得到了空前發展。單機500kW以下、出口電壓為400V的小型水電站有著廣闊的發展前景，也是私人資本介入的重點。小型水電站與單機1000kW以上，出口電壓為6.3kV的小型水電站相比，它在調速、勵磁、機組保護以及水機自動化等方面都大為簡化，在電氣一次設計中，如何節省投資和滿足電站安全高效的運行，成為設計中需要重點解決的問題。

2. 水電站概況

小型水電站一般都位于邊遠山區，近區負荷很小，主運行方式通常采用就近升壓并入10kV當地電網運行，由于發電機的出口電壓為400V，發電機發電時便可直接供J一區負荷。調速器一般不具有自動調頻的功能，主接線通常采用發電機組主變擴大單兀接線。

3. 電氣主接線設計

小型水電站的電氣主接線應滿足如下條件：(1)在機組故障檢修、水電站枯水或者低負荷時，每臺發電機都有停機的可能，因此要求發電機之間直接或間接的實現并列，以便相互備用，也就是為電網提供必要的可靠的電源。(2)負載線路必須保持連續供電，不能任意的切斷或失去電源，要求每一條負載線路都能從任意一臺發電機獲得電源，并能夠在電源之間進行合理的負荷分配。由此可見，如果有同級電壓的若干電源進線和若干負荷出線，只要將各進出線并接，便能夠基本實現發電機之間并列和負載連續供電的要求。（3）并列在一起的各主要電力元件如發電機、變壓器以及線路等在正常運行時任一元件的投入或者切出都不宜干擾和影響其余部分的正常工作。但當某元件發生故障時，只需切除發生故障的回路，這樣不會使停電事故擴大而破壞其余部分的正常工作，因此在各主要電力元件回路中安裝一種能夠投切負荷電流以及短路電流的多功能開關電器，也就是斷路器。(4)斷路器承擔著電路中投切負荷電流以及短路電流的繁重任務，因此需要較頻繁的檢修和維護，并且各主要電力元件有時也要檢修和測試，這些被檢修部分一般脫離電源，并與電源側保持足夠、明顯可見的間隙，因此在斷路器或主要電力元件的電源側安裝可提供此種檢修間隙的隔離開關。（5）發電機中性點接地變壓器也是電氣主接線設計的一部分，它不但可以對因接地電弧所引起的過電壓值進行有效的限制，還可以對發電機單向接地發生故障時的電流進行限制，從而防止發電機因發生故障而被燒壞，同時也可以避免出現諧振過電壓現象。由一個主要電力元件及其斷路器和隔離開關等組成的電路是構成電氣主接線的最小接線部分。接線單元按不同方式構成的基本接線形式有單母線、雙母線、橋式接線、單元接線和環形接線等多種形式。水電站的容量越大，主接線形式越要滿足電力系統的需要。

3. 廠用電接線設計

如果廠用變壓器接在發電機電壓母線上，便要考慮當母線發生故障時，能夠盡量保證大部分廠用機械能繼續工作。小型水電站的廠用變壓器選用10～110kv，一般僅一級電壓供電，它的容量較小而且不經常切換，因此其高壓側通常采用熔斷器作為操作保護設備。一般情況下，廠用電母線需要分段，使廠用電負荷均勻分布在兩段母線上，每一分段母線上都要有獨立的工作電源(由發電機通過廠用變壓器引出)和備用電源，并裝設有備用電源自動投入裝置。單機容量在1000kW及以下的小型水電站，可只設一個廠用電源。廠用電接線中應盡量使對負荷供電的線路最短以便節省電纜和導線，減小線路中的損耗和便于運行管理，若在負荷較集中處設置有分盤或配電箱，便將分散的負荷盡量接到就近的分盤或配電箱上。

4. 電氣一次設備選型和布置

機組控制保護屏、勵磁屏、主變控制保護屏、低壓屏等通常采用機旁現場布置。這樣可充分利用空間、節約廠房土建面積。主變采用室外落地布置，在進行施工圖的詳細設計時可將高壓設備出線高程移動到和主變相同的高程，這樣可以在施工時節省一定的施工量，并可以加快施工進度，高壓10kV設備少、體積小、安裝技術成熟、價格低廉，與室內高壓柜布置相比，采用室外中式桿上布置既合理利用了室外山地，又大大節省了廠房土建費用和一次設備費用，這是一種比較理想的布置方式。當然，如果水電站位置確實比較狹窄，也可以考慮室內布置。

5. 互感器設置

為了滿足變電站保護和計量的需要，需要設置一組電流互感器，采用0．2／B雙次級。斷路器配套互感器由于容量小、精度低、穩定性差，不宜與戶外斷路器合用，建議單獨設置。在斷路器并網側設置一組電壓互感器，主要滿足：

(1)變電站高壓側監測和計量；

(2)變電站高壓側電壓和頻率保護；

(3)變電站保護、信號和斷路器的交流操作電源。

特小型水電站并網點一般會就近梯接于lOkV線路，因此電力部門計量點一般會選在電站與電網的產權分界處，由一組專門電壓電流組合式互感器來擔負計量工作。

6. 水機自動化和發電機保護

(1)水輪發電機組采用兩支點滾動軸承，與傳統三支點滑動軸承相比，這種支承型式由于取消了軸溫監測、簡化了自動化回路、具有機組軸向尺寸緊湊、價格低廉、軸溫穩定、壽命長、維護簡單等顯著優點，因此近年來在小型機組中得到了廣泛的應用。

(2)機組設過流、過壓、失壓保護。機組操作電源通常取自發電機出口，在機組內部或母線處發生短路。發生故障時，因出口電壓很低，由失壓保護來確保低壓斷路器跳閘。

(3)根據小型水電站的特點，選用手、電兩用直接傳動型調速器，無中間放大環節，既節省了投資，又滿足了自動化要求。電動裝置的設置，使運行人員能夠集中控制機組開度，為樣便減輕了勞動強度。在機組和主變發生故障跳閘時，聯動關閉導葉，便可縮短機組停機時間、控制飛逸時間以及保證了機組運行在正常范圍內，延長了機組壽命。

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