小型水電站改造電氣設計研究

梁芳

(廣州市水務規劃勘測設計研究院，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的過程，我們要經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，設備經過幾十年的運行后，出現發電機絕緣老化、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廠家的技術不同，出現的問題也各不相同，因此需要認真分析，找出主要原因"對癥下藥"。

1.1 發電機的整體更新

水輪發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，因此發電機極對數也維持不變。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，降低繞組電阻，使繞組電阻發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，為增大線規騰出空間。

1.3 通風冷卻系統的改造

發電機通風冷卻系統的好壞，對發電機溫升和擴容也有較大的影響。早期的發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生結垢、銹蝕、堵塞等現象，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。經檢驗和論證不需要更換定子鐵芯的機組，應根據擴容條件，配合定子繞組的改造，改進鐵芯結構，優化鐵芯設計，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，會直接影響水輪發電機能否長期、安全穩定運行。在確定了機組最終容量后，根據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，送出工程及與系統連接地點已經確定，變動的可能性不大，對電站的接入系統不必再進行論證，所以只要現有主接線相對合理，在增效擴容改造中可維持原主接線方案不變，只需根據現行規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，或現有接線方式不適應目前電力系統要求，對這種情況應在設計過程中對主接線方案進行優化比選，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，涉及到電力系統的計量、保護方式和保護整定值等問題，需要與電力系統調度部門共同協商。

2.2 短路電流

早期投入的水電站當時電力系統容量較小，經過幾十年的發展，電力系統的容量大為增加，結構也有很大的變化，網絡在不斷加強，同時由于發電機的改造，電氣參數也會發生變化。因此，有必要根據目前電力系統的參數，或今后5～10年電力系統發展規劃和改造后機組的參數，對短路電流進行重新復核計算。依據復核計算結果來復核現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。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，增加電站經濟效益，保證新更新的電氣設備能適應電力系統的發展和長期安全穩定運行。

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品，開斷電流小，損耗大，不環保，由于諸多原因長期帶病運行，嚴重影響電站和電網的安全，因此對這些電氣設備進行更新換代是十分必要的。

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

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 接地系統的檢查與修復

水電站接地系統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，接地系統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。隨著電網的不斷發展，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的要求更高，接地電位的干擾對監控和自動化裝置的影響已經引起了人們的重視。早期投產的水電站由于短路電流較小和舊規范的要求，接地系統設計時接地線的截面積較小(原主網多為40×4扁鋼，分支線多為20×4扁鋼)，經過幾十年的運行，接地網銹蝕嚴重，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也是十分必要的。在接地網改造修復前，首先應對現有接地系統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（如開關站接地網及外引接地網）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有接地系統做初步評估，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電力系統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已不可能，只有改造戶外開關站的接地網和外引增加接地網面積，或采用其它相應的降阻措施來實現。接地網及接地線截面積的設計應按現行的接地設計規范進行，并復核接能電勢和跨步電勢是否滿足要求。

如果接地網系統良好，接地電阻符合目標值的要求，可以不對接地網進行改造，只需按最新設計規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

針對目前社會經濟不斷發展的環境下，小型水電站的發展越來越快，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）