淺談水電站增效擴容電氣設計存在的問題與應對策略

摘要：水電站在我們的生產生活中發揮了重要的作用，但是，由于我國部分水電站建設年代久，使用年限長，急需進行增效擴容改造。對此，筆者對于水電站增效擴容中，電氣設計部分的發電機更新設計和電氣主接線設計存在的問題進行深入分析，對普遍存在的問題進行簡述并給出一定的應對策略，以期提升我國水電站增效擴容電氣設計的有效性。

關鍵詞：水電站；擴容增效；電氣設計；問題；對策

當前，電力能源在人類的生活中占有著重要的地位，人們對電力的需求越來越大，導致用電方面的矛盾越來越大。為了保證電力的正常供應，充分利用水能資源，對我國各類早期建設的中、小水電站進行擴容改造工作，提高水能資源利用，提升水力發電量，顯得意義重大。仔細分析我國水力發電歷史，我國的河流眾多，水力資源豐富，有著各種類型的水力發電站，這些發電站由于建設時間和建設規模的不一致，機電設備的設計、選型都受當時各種因素的限制，在增效擴容改造過程中，必然存在著各種各樣的不同問題。由于多方面因素的作用，早期建成的一批水電站，投運時間長、設備老化、能效不斷衰減，對這些水電站進行擴容增效，雖然需要投入較大的物力、人力資源，但改造后能顯著提升水力資源的利用，促進河流生態環境的改善，是一項利國利民的事業。結合當前我國技術水平的發展程度，以及進行水電站擴容增效的資金投入等情況，筆者在深入調研和仔細分析的基礎上，研究水電站的增效擴容電氣設計，對其中存在的問題進行分析和研究，提出一定的解決策略，從而有效的實現水力發電設施的增效目標，也使水電能源安全、節能和環保等優勢得到進一步體現。

一、發電機更新設計存在的問題及解決措施

對于水力發電，進行發電機更新是擴容增效設計中首先就應解決和考慮的問題。對于水輪發電機，進行增效擴容采取的最簡單辦法就是在保持發電機座不變、發電機轉速不變、埋入部件不變的情況下，依據設計方案，將發電機的內部部件進行整體更換，但是，這樣的方法存在著資金投入大、施工時限長等問題。

發電機作為水力發電站的核心裝置，其組成的部件較多，對于發電機的效率和功率產生影響的因素也較多，例如電機的定子鐵心、定子繞組、轉子繞組、通風冷卻裝置、軸承等。是否對發電機組整體更換應進行綜合分析和論證。因此，需要結合改造的水電站的實際情況，對發電機運行情況進行深入了解，并掌握電站投產時有關的設計參數、技術標準以及運行中出現的各種問題、檢修情況等，并對其進行客觀的論證分析，然后依據理論計算與擴容增效的實際要求，確定發電機組的增效擴容改造方案。

（一）定子繞組、轉子繞組的改造

在發電機的增效擴容改造中，由于對增容后機組的轉速需要保持不變，因此，在進行電氣設計時，必須要確保發電機的極對數維持恒定，但是又想要實現擴容增效，只有從原定子繞組的改造設計入手。采取的方案是增大繞組的線規，使繞組的電阻下降，這樣繞組的電阻發熱總量也不會高于原繞組。此外，還需要對于絕緣浸漆的工藝進行重新的設計，使得線材的絕緣等級由B級提高到F級，同時，選擇新型的耐高壓、介質損耗低的絕緣材料，使得絕緣厚度降低，為增大線規提供更多的空間。

將絕緣等級提升到F級之后，對于定子繞組和轉子繞組的機組升溫，仍然需要控制到B級絕緣情況下所允許的極限溫度內，以保證各項電氣的安全指標能夠達到有關的規定和標準的要求。

此外，在進行發電機定子繞組和轉子繞組的電氣設計改造時，還需要結合此前機組設計時留有的定轉子繞組設計的裕量，一般留有15%，因此，機組增容的幅度較小時，對于定子繞組可以不做變動。如果增容幅度較大，則需要依據擴容幅度的大小，通過計算確定需要的匝數及繞組截面積，更換定子繞組和轉子繞組。由于水輪機此時需要的增容幅度較大，如果機墩受限或者是其他因素制約水輪機出力的不匹配問題，也可以采取更換定轉子繞組附加提高機組功率因數的方式來解決。

（二）定子鐵心的改造設計

在水電站的增效擴容改造中，對于發電機部分的改造，進行定子鐵心改造也是重要的改造設計工作。由于定子鐵心基本上不會出現故障，但是，為了確保整個發電機組在改造后的安全運行，筆者認為首先應進行定子的檢測，一旦出現運行年限達到或者是檢測出存在缺陷的，或者是發生過重大事故的，應予以更換。在鐵心的損耗中，發電機的電磁損耗是主要的原因，投產較早的機組定子鐵心大多采用熱軋硅鋼片或有取向冷軋硅鋼片，磁滯損耗較大，加之多年運行后鐵心松動，絕緣老化，渦流損失增加，更換時，在設計方案中，對材料的選擇應選擇新型的鐵心材料，使發電機效率進一步提高。對于檢測后確定不需進行更換的，則依據水電站改造后的需求和其他相關因素，配合定子繞組改造，對鐵心結構進行優化設計，對于鐵心的冷卻條件進行升級優化，更換不合格的硅鋼片。

二、電氣主接線設計存在的問題及解決措施

（一）電氣主接線

由于進行增效擴容的水電站已經運行多年，對于送出工程和系統的接入點已經確定，再次變動的現實意義不大，對于電站的接入系統不再進行論述，所以，只要現有的主接線合理，在擴容增效設計中，可維持原有的主接線方案，只是需要進行一定的復核計算，并依據有關規范和短路電流計算，電氣設備的容量進行復核，然后合理的選擇設備即可。筆者在工作實踐中，發現存在著個別的水電站，由于進行過多次的檢修和改造，現有的水電站的主接線形式已經發生了變化，其中存在一些電氣設備的增加或者是縮減，而且布置情況也發生了變化，在增效擴容的中，如有接線方式是不合理的，可能存在著系統的重復容量偏大、線路損耗高、繼電保護系統復雜等現象，因此，在進行電氣設計時，對于這種主接線方案應該進行優化。在優化設計過程中，首先應制定出幾種不同的主接線方案，然后對送出線路的輸送容量和電壓降進行有效的復核，選擇那些能夠滿足增效擴容要求的主接線方案。在這個過程中，還需要對變電站內的電流互感器變比、電氣設備的動熱穩定性和開端電流等進行檢查復核，進而確定最佳的主接線方案。主接線方案設計的基本原則是送出電壓等級和接入系統點不改變，確保資金的使用效率得到保證。在主接線方案設計過程中，主接線的接線方式和運行方式如果進行變更，需要對電力系統的計量、保護方式和整定值的保護等問題進行深入分析，而且需要與電力系統的調度部門進行溝通與協商，確定適應的主接線的接線方式。

總結

對水電站進行增效擴容，能夠在一定程度上優化我國的電力能源結構，提升電力資源的供應量，促進環境保護事業的向前發展。一個優秀的電氣改造設計方案能夠提高經濟效益，降低生產成本，節省運行費用，降低勞動強度。在水電站的擴容增效改造實施過程中，要重視發電機組和電氣設備改造的重要性，要同進行水輪機組的改造一樣重視。這樣才能有效確保增效擴容改造后的水電站的整體安全性和穩定性。

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