水電站電氣系統的分析

王曉輝　何文擁

河南豫能電力工程有限責任公司

水電站電氣系統的分析

王曉輝何文擁

河南豫能電力工程有限責任公司

水電站是現代電能生產的重要樞紐之一，采用電氣設備把自然界水源轉換為電能，為該地區經濟社會發展提供穩定的能源支持。隨著我國對電能資源需求的日益增長，再加上以多元化電能生產的電力作業模式改革進程的加快，從而推動了我國電氣系統自動化改造進程。本文對水電站電氣系統進行了詳細的闡述。

水電站；電氣系統；分析

一、電氣主接線方案的選擇

（一）水電站電氣主接線的特點

1.水電站一般遠離負荷中心，在發電機電壓側很少接有大功率用戶，而用較高電壓送電，故主變壓器容量多按機組容量確定。

2.除徑流式電站外，其余電站大部分但任系統調頻、調峰和事故備用，利用小時數一般較低，因此，開停機較頻繁。

3.水電站開機程序比較簡單，機組起動迅速并且容易實現自動化。

4.水電站規模確定后，一般不考慮擴建。

5.水電站多處山區，地形復雜，電氣設備布置及出線走廊均受到一定限制，因此，應盡可能簡化接線。

（二）初選方案的選擇

1.發電機—變壓器組接線方式

根據單元接線與擴大單元接線的特點，并考慮滿足本電站機組運行的靈活性要求，只能采用單元接線。

2.主接線接線方式

根據各電氣主接線的特點及使用范圍，能使用于本電站的電氣主接線方式有：單母線帶旁路母線、雙母線、雙母線帶旁路母線。

（三）初選方案的比較和精選方案的確定

各種電氣主接線的優缺點：

1.單母線帶旁路母線接線

單母線帶旁路母線，除具有單母線優點外，還可以使出線斷路器檢修時不影響送電，它比單母線分段帶旁路母線節省一組斷路器及其附屬設備，布置面積小，同時也存在單母線其它的一些缺點。

2.雙母線接線

優點：雙母線接線與單母線相比，停電機會減小了，必需的停電時間縮短了，運行的可靠性和靈活性有了顯著提高。另外，雙母線在擴建時也比較方便，施工時不停電。

缺點：使用設備較多，投資大，配電裝置較復雜。同時，在運行時需將隔離開關作為操作電器，操作隔離開關時需按嚴格的操作程序進行。

3.雙母線帶旁路母線接線

優點：它具有雙母線優點，可靠性和靈活性都高于所有單母線接線和雙母線接線。

缺點：母聯斷路器故障時全廠短時停電，檢修時兩組母線解列運行，隔離開關切換操作工作量大，繼電保護復雜，不利于實現自動化，同時增加設備和投資，增大布置面積。

方案一的投資較方案二和方案三少，繼電保護和實現自動化均簡單易行，但由于本電站在系統中的重要作用，對靈活性和可靠性要求較高，因此將方案二和方案三作為精選方案。

二、水電站短路電流的計算

（一）最優方案等值電抗

對于發電機出口，由于發電機出口電壓需升高至110KV和220KV兩個電壓等級，因此，對連接于兩個電壓等級下的發電機出口各取一個短路點；接于聯絡變壓器下的發電機出口也取一個短路點；對于110KV側負荷回路短路時所有發電機和系統的電流均送往該點，因此，把110KV負荷側的短路點做為短路計算點；220KV側母線短路時所有發電機及系統電流均送至該點。

（二）母線的選擇

根據《發電廠電氣部分》P61“當母線回路工作電流不超過2000A時，可采用每相單條矩形母線；當母線回路工作電流超過2000A時，可在每相將2～4條矩形母線并列使用，每相2或3條矩形母線適用于母線工作電流為2000～4000A的回路中；槽型母線載流量大，集膚效應系數小，機械強度高，一般適用于母線工作電流為4000～8000A的回路中；管型母線的集膚效應系數小，機械強度高，還可以采用管內通水或通風冷卻措施，因此，當母線工作電流超過8000A時常采用管型母線”。鋁的電阻率為銅的1.7-2倍，但密度只有銅的30%，易于加工，安裝連接方便，且價格便宜。

綜上，發電機出口母線型式選用槽型鋁母線。

（三）電壓互感器的選擇

1.電壓互感器的配置原則

○11發電機：一般在發電機出口裝設2～3組電壓互感器。其中一組為三只單相雙繞組電壓互感器，供勵磁調節裝置用，準確級為0.5級，另一組為三繞組構成Y/Y/Δ接線供測量、周期、繼電保護及絕緣監視適用。

○22母線：工作母線和備用母線都應裝一組三繞組電壓互感器。

○33出線：對方無電源時不裝。有電源時可裝設一臺單相雙繞組或單相三繞組電壓互感器；110KV及以上線路為了節約投資和占地，載波通信和電壓測量可共用耦合電容，故一般用電容分壓式電壓互感器。

三、二次基本方案的初步規劃

為了保證水電站電氣一次設備正常工作和安全經濟運行以及操作管理二次設備，如測量監視儀表、繼電保護裝置、操作電器的設備和各種自動、遠動裝置等，電流互感器和電壓互感器的二次繞組、蓄電池組或自用電等低壓電源供電，將二次設備通過連接導體互相連接而構成的電路稱為二次回路或二次接線。

二次設備一部分安裝在配電裝置內，如電流互感器和電壓互感器的二次線圈、斷路器的跳、合閘線圈和其輔助觸點等。另一部分則安裝在控制屏、保護屏、自動裝置屏和直流屏上，二次設備之間通過二次電纜加以連接。

由于目前大、中型水電站對全廠高壓送電線路、發電機、主變壓器和自用電變壓器高壓側斷路器等的操作，水輪發電機的開、停機和功率的增減，電站綜合自動化的投入和切除，滅磁開關的投入和切除，同期方式的選擇，操作電源和事故照明的切換等都是在中央控制室集中進行的，因此上述的控制屏、保護屏、自動裝置屏和直流屏等大都集中在中央控制室。

電力系統繼電保護的設計與配置是否合理，直接影響著電力系統的安全運行。

選擇保護方式時，希望能全面滿足可靠性、選擇性、靈敏性和速動性的要求。同時滿足四個基本要求有困難時，可根據電力系統的具體情況，在不影響系統安全運行的前提下，可以降低某一些要求。

選擇保護方式時，應力求采用最簡單的保護裝置來滿足系統的要求。只有簡單的保護裝置不能達到目的時，才考慮采用較復雜的保護裝置。

四、主要設備保護

1.送電線路的保護：送電線路上安裝的電流互感器主要用于母線保護，測量儀表，線路保護及斷路器失靈保護。

2.水輪發電機的保護：發電機縱差動保護作為發電機相間短路的主保護，保護靈敏，簡單，采用環流接線法。在發電機引出線側靠近繼電器處和中性點側裝設特性和變化完全相同的電流互感器，且兩側電流互感器一次回路的正極置于母線側和中性點側，二次回路的同性端子相連接，保護范圍除發電機定子繞組外，還包括發電機出口至斷路器線路。裝設發電機的橫差動保護，用于反映雙星形定子繞組的匝間短路，接線只用一個互感器裝于雙星形繞組的中性點的連線上。發電機的過電流保護，作為縱差動保護的后備保護，以反映發電機外部故障引起的過電流，其保護范圍除發電機外，還包括升壓變壓器高壓側，母線和自用變壓器低壓側。另外還接有定子100%接地保護。

3.變壓器的縱差動保護：用于反映變壓器的相間短路，高壓側單相接地短路及匝間短路的主保護，其保護范圍包括變壓器套管及其引出線。瓦斯保護，反映變壓器內部故障。變壓器的過電流及過負荷保護，不另設負荷保護，在環形接線輸入端接入互感器，防止外部故障時引起的過電流，作為變壓器的后備保護。

［1］耿長興，孫云峰，冀振亞，胡博，康健.自動化控制在小型水電站中的應用［J］.電子技術與軟件工程.2015（17）

［2］揭育東.淺談電氣與自動化設計在工程實踐中的融合［J］.科學之友.2011（16）