小型水電站技術改造工程電氣設計與注意要點

張圣釀

（中國水利水電第十六工程局有限公司機電制造安裝分公司，福建福州 350000）

1 小型水電站技術電氣設計類型

1.1 主接線計算復核設計

許多增效擴建電站的運行時間相對較長，輸電工程和系統的連續地址相對固定，受各組成部分的影響很難改變，因此無需再論證電站接入系統。如果目前的主接線相對合理，在進行效率拓展創新時也可以適當保持原接線方案的效率。根據目前的實際環境，可以了解電流的計算效果進而選擇設備。由于內外部因素的影響，單側電站經常受到干擾，原來計劃的接線形式沒有了，設備的數量和類型也發生了變化。因此，大型設備的狀態與計劃不同，導致重復生產能力和消耗量增加。為改變上述環境，應在規劃中對主接線方案進行優化，并復核送電能力壓降與實際效率擴大的比率。評審時應了解電站電流互感器的變化環境及相關電氣設備的運行和熱穩定環境是否能滿足遠程工作的需要。其基本工作原理是在保證輸出電壓水平和接入系統恒定的情況下，減少改造投資，避免資金浪費。

1.2 短路電流相關設計

針對現有的電力系統參數，提出了未來一段時間內電力系統機組參數滯后、機組參數滯后、短路電流計算重疊復核等問題，并根據時代的要求適當調整電器的型號、參數。為此，必須明確目標，開展工程建設，提高工程質量，甚至可以更新整個發電機。提高水輪發電機效率和擴大發電能力最常用的方法是對舊部件進行全面更新，但是這需要大量的資金投入，不僅會增加相關部件的負擔，而且還會導致公共資源超支，應酌情采用。在增大功率之后，可以通過保持發電機轉速恒定，確定發電機的極數，同時不斷改變絕緣浸涂施工工藝，提高絕緣等級，通過切割耐壓新材料推廣線規。另外，電機通風冷卻系統的工作質量也直接影響著發電機的溫升和膨脹。

1.3 接地檢查修復設計

水電廠對接地系統的規劃要求非常嚴格，一旦發現接地系統有問題，工作人員就很容易單方面發現危險，很難保證設備的正常運行。為提高變電所運行參數的科學性，應從接地電阻值著手。在對接地系統進行規劃時，需要考慮工頻短路、電流等方面問題，并滿足防雷電流的要求，而這些問題在小型水電站站擴能增效和設備改造中沒有得到足夠的重視。隨著國家電網的不斷發展，微機安全和通用自動化元件在水電站中的應用越來越廣泛，所以相關規劃者也應該重視弱電元件對接地網的拉力。經過多年來的連續使用，發現大面積接地網存在腐蝕問題，在緊張的工作環境中，特別是在大氣層中，甚至會發生斷裂，所以在規劃之初就應該進行系統評估，當評估結果與方案值有較大差異時應對方案進行修正。在施工過程中如果發現難以達到規范要求的基本指標值，也可改變其局限性。小型水電站已成功運行多年，改造廠房及改造水下接地網的難度較大，可以創新性地嘗試采用增加接地網面積的方法。

2 小型水電站技術電氣設計注意事項

2.1 電氣設計中設備的布置

電氣設計中，需要一次安裝時一般采用就近原則，即在機組附近就近安裝，該方法大大提高了空間利用率。在變壓器安裝過程中，必須根據實際情況和布置方案選擇合適的布置方式。經常采用室外放置法，可以在很大程度上節約開支。但是，小型水電廠偶爾也會遇到室外空間不足的問題，這時戶外放置方式明顯不適合，則可以采用室內放置方式。電流互感器的作用是保護變電站的設備和顯示數據，受容量值的限制，穩定性差，是單機施工的理想選擇。變壓器主要是對高壓側電壓進行保護，隨時監測數據，防止頻率過高，所以需安裝在不同位置。對于水輪機自動回路的建造和保護，在建造發電機自動回路時，可采用滾動軸承式的雙支點回路。在小型水電站勵磁裝置主要有無刷勵磁和穩定勵磁兩種方案：無刷勵磁價格低廉，后續保護較方便，但響應速度較理想；穩定勵磁響應速度較快，可簡單地作用于轉子，但成本較高、后續保護難度較大。目前，穩定勵磁技術的應用較廣泛。

2.2 建造過程中的各類問題

由于小型水電站的站引水系統布置中存在一些問題，導致引水式小型水電站站排沙、引水管道存在一些問題，影響其安全運行，進而導致發電流量下降。為確保小型水電站站的安全運行，必須保證發電機與水輪機相互配合。許多小型水電站機組的機組容量小于水輪機的輸出功率，也有些大于水輪機的輸出功率，前一種情況將限制發電機功率，而后一種將擴大發電機容量，增加發電機消耗。受多種因素的影響，在運行過程中機組功能參數與實際運行參數有較大差異，從而制約機組的正常運行。尤其是少數水庫有較多的泥沙，當泥沙進入一側時就會對機組造成破壞、形成安全隱患。

2.3 勵磁裝置的選擇

小型水電站的設計中應用最廣的勵磁裝置主要有兩種，即無刷勵磁和靜止勵磁，它們各有特點：無刷勵磁價格較低，后續維護比較方便，但反應速度不太理想；靜止勵磁反應的速度極快，可以直接作用在轉子上，但價格高、后續的維護也存在一定的難度（表1）。綜合分析，靜止勵磁的使用更加廣泛。

表1 無刷勵磁和靜止勵磁方式比較表

2.4 竣工驗收結果

完成小型水電站全部技術改造后，必須對改造效果進行驗收，高度重視應用成果和設備應用機能。例如，采用增容創新的方法對機組進行改造，在改造前和改造后進行機能數據的對比，以檢驗改造后的機組是否能夠滿足當前的發電需求，同時檢驗改造后的機組是否符合改造后的相關標準。所有經過改造的機組都要進行試運行，確保通過試運行合格后才能通過驗收，如進行分期改造則須進行分期驗收。小型水電廠的技術創新對許多方面都有影響，為此在技術創新過程中應根據電站運行指導原則，采取施工作業票連續運行、停機停運、合理配置施工作業面等措施，確保施工安全。

3 小型水電站技術改造措施

3.1 電氣設計的改造措施

大部分的小型水電站已經運行多年，在初期建設中由于技術水平有限，設備的性能不高，如果現在將所有的老設備都更換為新設備，費用將會過高，因此有可能出現設備老化單邊維修的情況。因地理環境不同，設備受損情況也不相同，需要作出特殊的決策和改造。

（1）對發電機，注意不能改變電機的轉速和極數，若通風冷卻系統有問題，也勢必會影響發電機的擴容。在水電廠建設初期，通風冷卻系統有散熱不足、噪聲大、空鼓堵塞、作業適應性差等問題，為此必須加強其整頓工作。

（2）定子鐵芯的穩定性很強，一般不會被破壞，但要隨時監測，一旦鐵心發生破壞則將對整個系統產生較大影響，甚至引起重大事故，所以有必要對鐵芯進行隱患排查，及時更換合適的原材料。另外，還需要優化定子鐵心等部件的決策結構。

（3）在發電機運轉時，推力軸承的軸負荷過大，一旦被挖出勢必損壞發電機，為此需參照系統計算的負荷值對軸承進行修正，這時只需計算單位容量。

如果制度的衡量和保障都涉及優化過程，就應該積極與單邊的相關方面進行溝通和討論，做出很好的決策。隨著科技的進步，現在的電力系統結構已經發生變化，用電容量也有很大提高，電力參數也會發生很大的變化，如電力系統已趨于自動化水平。所以，在計算短路電流時必須考慮電流的電氣參數，并要結合電氣設備的技術指標謹慎選擇。

3.2 輸水系統的改造措施

小型水電站技術改造的重點是輸水系統，所以要準確核算。對供水設備的改造，應著重解決水力計算問題。液壓計算最重要的部分是計算超大流量和水輪機額定水頭，主要目的是找出對策、糾正錯誤，進一步優化現有供水系統。需要注意的事項有兩個：①磨蝕性創新主要適用于含沙量大的小型水電站，如果泥沙淤積量大，則會降低水電站的運行效率、進一步損壞設備；②深入分析泥沙淤積的原因，選取河流豐枯期泥沙條件的有關資料，利用抗磨誤差響應法優化現有水輪機布局，使之與實際泥沙條件基本一致，如有必要還可以進行落差練習，安裝尾水能量采集裝置。

為了改善小型水電機組的流量和工作水頭，有必要對機組工作水頭進行改造：①修建翻板式閘門，增高現有壩體，并粗略掌握水頭損失情況，達到提高水頭的目的；②更新和優化攔污設備，以移動清污機取代老式雙攔污柵，降低攔污設備的水頭損失。

4 結語

隨著時間的推移，小型水電站站將在我國有更大、更好的發展，這要求規劃者嚴格遵守電力規劃標準，及時發現、研究和處理規劃中的問題，同時進行改革和創新，不斷優化電力系統的質量。個別小型水電站的建設周期長，技術改造工作量大，因此應抓住創新重點，搞好施工管理，確保小型水電站機組技術創新后安全高效運行，提高技術創新效益。