小型水電站改造電氣設計研究

梁芳

(廣州市水務規(guī)劃勘測設計研究院，廣東 廣州 510640)

小型水電站是我國的電力系統(tǒng)的重要組成部分，其具有投資小、建設周期短、見效快等特點。但是因為多方面的原因，大量的老式小型水電站電氣設備已經(jīng)開始老化，并且能效也逐年降低，因此有必要對此類小型水電站進行電氣設備的改造更新。小型水電站的改造是一個復雜且系統(tǒng)的過程，我們要經(jīng)過縝密地分析才能制定改造方案，對小型水電站的改造要有足夠的重視。

1 水輪發(fā)電機增效擴容改造的合理選取

增效擴容的水電站大多建于上世紀，由于當時材料、工藝、技術和設計水平的限制，設備經(jīng)過幾十年的運行后，出現(xiàn)發(fā)電機絕緣老化、溫升高、定子鐵心松動、效率下降等問題，影響電站的安全運行。但各個電站由于運行管理水平和生產(chǎn)廠家的技術不同，出現(xiàn)的問題也各不相同，因此需要認真分析，找出主要原因"對癥下藥"。

1.1 發(fā)電機的整體更新

水輪發(fā)電機增效擴容最簡單的方法是在維持機座不變、轉速不變、埋入部件不動的情況下，按照全新的設計整體更換（發(fā)電機所有部件），但其一次性投資大，既浪費資金，也浪費公共資源。

1.2 定子繞組轉子繞組的改造

在發(fā)電機增效擴容改造中，要求增容后機組轉速保持不變，因此發(fā)電機極對數(shù)也維持不變。要達到增容的目的，對原定子繞組必須進行改變，增大繞組線規(guī)，降低繞組電阻，使繞組電阻發(fā)熱總量不高于原繞組。同時改變絕緣浸漆工藝，將B級絕緣等級提高到F級，采用新型的耐壓高、介質損耗低的絕緣材料，減薄絕緣厚度，為增大線規(guī)騰出空間。

1.3 通風冷卻系統(tǒng)的改造

發(fā)電機通風冷卻系統(tǒng)的好壞，對發(fā)電機溫升和擴容也有較大的影響。早期的發(fā)電機冷卻器和風機由于受當時技術水平的限制，通風冷卻系統(tǒng)存在不少弊病，散熱效果差、效率低、噪音大，長期運行后會在冷卻器內部發(fā)生結垢、銹蝕、堵塞等現(xiàn)象，使冷卻效果進一步下降，機組溫升上升。

1.4 定子鐵芯的改造

定子鐵芯出現(xiàn)故障的幾率比較少，其是否更換應進行檢測和分析判斷。筆者認為對運行年限達到報廢年限或有嚴重缺陷、發(fā)生過重大事故、直接影響機組安全可靠運行的機組應予以更換，并建議采用新材料的定子鐵芯。經(jīng)檢驗和論證不需要更換定子鐵芯的機組，應根據(jù)擴容條件，配合定子繞組的改造，改進鐵芯結構，優(yōu)化鐵芯設計，改善冷卻條件，重新迭片，更換部分不合格硅鋼片。

1.5 推力軸承及其它改造

在水輪發(fā)電機運行時，推力軸承承受全部的軸向負荷。推力軸承工作性能的好壞，會直接影響水輪發(fā)電機能否長期、安全穩(wěn)定運行。在確定了機組最終容量后，根據(jù)新的資料需要復核推力軸承的推力負荷，確定推力負荷能否滿足擴容的要求，并根據(jù)運行情況綜合分析是否需要對推力軸承進行更換或改造。

2 電氣主接線及短路電流的計算復核

2.1 電氣主接線

進行增效擴容改造的電站均已運行多年，送出工程及與系統(tǒng)連接地點已經(jīng)確定，變動的可能性不大，對電站的接入系統(tǒng)不必再進行論證，所以只要現(xiàn)有主接線相對合理，在增效擴容改造中可維持原主接線方案不變，只需根據(jù)現(xiàn)行規(guī)范和短路電流計算成果，對機組容量進行復核和選擇設備即可。對個別電站由于多次修改，改變了原設計的主接線形式，增加或減少了部分設備，改變了布置，形成現(xiàn)有不合理的接線方式，造成重復容量大、損耗高、繼電保護復雜、設備配置不合理等，或現(xiàn)有接線方式不適應目前電力系統(tǒng)要求，對這種情況應在設計過程中對主接線方案進行優(yōu)化比選，同時復核送出線路的輸送容量和電壓降是否滿足增效擴容的要求，復核電站內部電流互感器變比、電氣設備動、熱穩(wěn)定和開斷電流等能否滿足要求。基本原則是送出電壓等級和接入系統(tǒng)點不改變，否則投入資金會相應增加比較多，浪費比較嚴重。 如果改變了主接線的接線方式或運行方式，涉及到電力系統(tǒng)的計量、保護方式和保護整定值等問題，需要與電力系統(tǒng)調度部門共同協(xié)商。

2.2 短路電流

早期投入的水電站當時電力系統(tǒng)容量較小，經(jīng)過幾十年的發(fā)展，電力系統(tǒng)的容量大為增加，結構也有很大的變化，網(wǎng)絡在不斷加強，同時由于發(fā)電機的改造，電氣參數(shù)也會發(fā)生變化。因此，有必要根據(jù)目前電力系統(tǒng)的參數(shù)，或今后5～10年電力系統(tǒng)發(fā)展規(guī)劃和改造后機組的參數(shù)，對短路電流進行重新復核計算。依據(jù)復核計算結果來復核現(xiàn)有電氣設備的開斷能力，或重新選擇電氣設備的型式和參數(shù)。一般情況下，嚴重老化設備、高耗能設備和淘汰設備會隨著機組增效擴容一起進行更換，以提高電站運行的安全性，減少維護工作量，增加電站經(jīng)濟效益，保證新更新的電氣設備能適應電力系統(tǒng)的發(fā)展和長期安全穩(wěn)定運行。

3 電氣設備的選擇與布置

1995年以前的中小型水電站，由于受當時技術水平和建設資金的限制，電氣設備存在性能較差、安全性不符合現(xiàn)要求、維護工作量大以及備品備件難以購買等問題。例如，低壓開關柜多為GGD型或更老的BSL型等，開關和保護設備為DW系列或DZ10系列，而更多的是采用熔斷器保護；10kV設備采用GG-1A開關柜配SN10少油斷路器，或早期的真空斷路器；35kV設備采用DW6、DW8等系列的多油斷路器，或GBC戶內型高壓開關柜；110kV設備采用 SW3、SW6及 SW7少油型斷路器；變壓器采用SLJ1或SF7型等。這些設備是目前國家已明令禁止使用的產(chǎn)品，開斷電流小，損耗大，不環(huán)保，由于諸多原因長期帶病運行，嚴重影響電站和電網(wǎng)的安全，因此對這些電氣設備進行更新?lián)Q代是十分必要的。

電氣設備的選擇應按照安全可靠、技術先進、維護簡單方便和經(jīng)濟合理的原則進行，并應適應農(nóng)村水電站的特點。對電氣設備應根據(jù)增效擴容后的參數(shù)和短路電流計算結果來選取，而不應延用舊設備的參數(shù)來確定新設備的參數(shù)，這樣可保證更換的電氣設備能適應目前和將來系統(tǒng)發(fā)展的要求。

由于設備基礎、支架、房間的尺寸和開關站的位置均保持不變，因此在選擇電氣設備型式時還應考慮這些因素，盡可能多地利用已有基礎或僅做小改動。

4 接地系統(tǒng)的檢查與修復

水電站接地系統(tǒng)的好壞是關乎人身和設備安全的重要保障。接地電阻值是保證電站安全運行的重要參數(shù)，接地系統(tǒng)的設計不但要滿足工頻短路電流的要求，還要滿足雷電沖擊電流的要求，但在增效擴容和設備改造過程中，往往忽視了這部分內容。隨著電網(wǎng)的不斷發(fā)展，特別是電站內微機保護、綜合自動化裝置和電子元件的大量應用，這些弱電元件對接地網(wǎng)的要求更高，接地電位的干擾對監(jiān)控和自動化裝置的影響已經(jīng)引起了人們的重視。早期投產(chǎn)的水電站由于短路電流較小和舊規(guī)范的要求，接地系統(tǒng)設計時接地線的截面積較小(原主網(wǎng)多為40×4扁鋼，分支線多為20×4扁鋼)，經(jīng)過幾十年的運行，接地網(wǎng)銹蝕嚴重，甚至部分斷裂，特別是戶外開關站和暴露于空氣中的接地連接線的問題更為嚴重。因此，在增效擴容改造電氣設備的同時，為保證水電站的安全運行，修復和改造接地系統(tǒng)也是十分必要的。在接地網(wǎng)改造修復前，首先應對現(xiàn)有接地系統(tǒng)的接地電阻進行實際測量，驗證是否達到了設計目標值的要求。其次應對敷設于地面較淺的地下接地網(wǎng)（如開關站接地網(wǎng)及外引接地網(wǎng)）挖開后檢查接地線的腐蝕和連接情況，檢查暴露于空氣中的接地連接線是否牢靠、截面積是否滿足要求和銹蝕情況。

在初步設計中應對現(xiàn)有接地系統(tǒng)做初步評估，如果接地電阻達不到設計值的要求或腐蝕嚴重，則應提出改造方案和目標值。在施工設計中應根據(jù)電力系統(tǒng)要求和短路電流計算結果提出具體的實施建議和改造范圍，使其達到目標值。

由于水電站已建成并運行多年，要改造廠房、尾水渠及大壩下方的地下或水下接地網(wǎng)已不可能，只有改造戶外開關站的接地網(wǎng)和外引增加接地網(wǎng)面積，或采用其它相應的降阻措施來實現(xiàn)。接地網(wǎng)及接地線截面積的設計應按現(xiàn)行的接地設計規(guī)范進行，并復核接能電勢和跨步電勢是否滿足要求。

如果接地網(wǎng)系統(tǒng)良好，接地電阻符合目標值的要求，可以不對接地網(wǎng)進行改造，只需按最新設計規(guī)范對暴露于空氣中銹蝕嚴重、接觸不良的接地線以及改造設備的接地連接線進行修復。

結語

針對目前社會經(jīng)濟不斷發(fā)展的環(huán)境下，小型水電站的發(fā)展越來越快，為了緊跟小水電的前進腳步，我們要重視水輪發(fā)電機和電氣設備的改造，做好小型水電站的增效擴容設計。好的小型水電站的電氣改造設計不僅可以提高水電站的綜合效益，還可以降低成本，提高經(jīng)濟效益。

[1]吳惠珠.小型水電站技術改造項目中電氣施工存在的問題及解決辦法[J].黑龍江科技信息.2012（16）

[2]張羽進.中小型水電站電氣設計的探討[J].河南水利與南水北調.2012（12）