水電站電氣優化設計的幾點思考

崔領謙

（河北省保定市西大洋供水有限公司，河北 保定 071000）

水電站是一種將水能轉換為電能的綜合性工程設施，通常包含由擋水、泄水建筑物形成的水庫、機電設備、水電站引水系統及發電廠房等。水電是一種清潔性能源，具有可再生、無污染和運行費用低的優點，不僅方便相關部門進行電力調峰，有利于提高資源利用率，而且有助于實現社會綜合效益的最大化。因此，在當前世界能源危機日趨明朗化的今天，世界各國普遍優先開發水能資源。

我國的水電事業發展非常快，2006年三峽水電站的建成，標志著我國擁有總裝機容量2250萬kW·h、年發電量1000億kW·h的水電站，也標志著我國在水電行業邁出了研發與創新的第一步。另據相關統計資料顯示，截止2011年底，我國發電裝機容量已達到10.5億kW·h，其中水電2.3億kW·h，火電7.6億kW·h，核電1191萬kW·h，風電4700萬kW·h。由此可看出，水電站在我國經濟發展中的地位非常重要，因此，必須重視水電站建設與水電利用開發工作，也必須重視水電站電氣的優化設計工作，只有這樣，才能使水電真正成為造福我國人民的能源。

1 水電站電氣設備分類

水電站電氣設備中分成一次電氣設備和二次電氣設備兩種類型。

電氣一次設備還可分成升壓變電電氣設備與發電電氣設備，比較常見的是發電機與變壓器。電氣二次設備則是包括電站計算機的監控系統設備、機組勵磁系統、機組保護及輔機控制設備、機組狀態檢測系統、高壓系統保護和自動裝置，而水電站所使用的交直流控制電源系統主要是公共系統設備。

近年來，隨著水電站的快速發展，電氣設計中暴露出一些問題，主要表現在電氣一次設計和電氣二次設計兩方面。例如，在電氣一次設計中，電氣主接線易于發生纏繞，從而形成電流干擾，影響電流穩定性；在電氣二次設計中，直流電源在應用方面存在問題等，因此，應采取有效措施，進行優化設計。

2 優化水電站電氣一次設計

2.1 電氣接線的優化

水電站一次電氣設計原則是以水電站電氣系統的實際作用為根據進行相關設計，綜合考慮水文氣象、動能特征、建設規模、接入系統和布線等各種因素。在水電站一次電氣設計過程中，對于電氣的主連接線，在設計方面應充分符合客戶需要，并確保供電及其質量安全。另外，要合理利用先進技術，可在此基礎上采取不同種顏色連接線路，且保證線路上線和下線間存在一定距離，避免發生纏繞，以防形成電流干擾，從而降低電流穩定性，在一定程度上傷害發電機，增加維護難度。與此同時，還應防止連接線對相關設備檢查帶來影響。

2.2 發電機與主變壓器的優化

發電機和主變壓器間往往通過單一的變組單元連接線進行連接，這是較合理的。對水電站的一次電氣設備，可在發電機上安裝1個斷路器，從而確保其連接線出口足夠安全。如果發電機需要接地，則通過變壓器來實現接地，從而確保在較強電壓的影響下發電機不會發生損壞。需要注意的是，發電機和變壓器之間不能直接進行連接，而是使用離相封閉母線相連，從而最大程度地保證安全供電。

2.3 快速閘門控制回路優化

近年來，為了保證機組安全，很多水電站在機組的手動閘門接點和過速接點處進行了進水口的快速落門控制回路設計，主要包括兩種方式：①設計二次電纜通道；②設計監控系統和大壩之間的光纖。通過二次電纜通道，能夠有效監控機組的運行情況，以防止出現進水口的快速落門事件。另外，對于監控系統和大壩之間光纖的選取，要注意電磁閥的線圈內阻不可太高，過高的內阻易導致運行中的系統發生霉斷。一般來說，機組和進水口之間的電纜長度應超過1000m，由于水電站的進水口快速門是保護機組過速的重要防線，在水電站技術管理中發揮著重大作用，因此，必須引起相關人員重視，以防發生相關故障，進而導致不必要的成本浪費。

2.4 220kV側接線優化

對于水電站而言，500kV與220kV之間的側接線通常都采用自耦式聯絡變接，其中，220kV的側連接基本有3個回進出線，2個直接當作220kV的側接線，剩余1個則用在聯絡變進線上。另外，水電站的220kV側接線應采用單母線進行連接，且為全封閉式的電氣組合。除此之外，水電站電氣一次設計中，只有1個回進出線的220kV側接線，因此，無需安裝斷路器。

3 優化水電站電氣二次設計

3.1 直流電源應用優化

水電站電氣設備可采用直流電源，以便對電器設備的機組進行檢測、控制和維護，特殊情況下也可當作備用電源使用，直流電源的電阻應為104Ω，電網頻率為50Hz。另外，還可將單母線當作直流的母線，單組充電電池和單組蓄電池也應在直流母線上進行裝配，并安裝微機檢測監控點位與直流電源監控裝置。如果條件允許，資金充足，可在維護備用電池上配置微機操控開關，以提高機組維修的便利性。

3.2 交流電源應用優化

在水電站電氣設備應用直流電源的同時，為了節省成本，必須安裝交流電源，交流電源中無需安裝維護備用電池。實際情況中，交流電源主要用在對設備供電方面，但需注意的是，機組和交流電源之間應安裝無觸點開關，以便內部發生異常時可及時斷開電源，或更換備用電源進行使用。通常情況下，無觸點開關5s內會切換完畢，因備用電源為直流電，所以，一旦發生異常，無觸點開關會自動切斷交流電源，并使用備用電源。

3.3 計算機監控系統優化

水電站電氣二次設計中的計算機監控系統主要由電站控制級和限制控制單元級構成。在考慮成本的前提下，可為電站控制級配備1臺遠程通信工作站，1臺復制打印服務機，2臺主機和操作員工作站，1套連線式UPS及1套衛星定位監測儀等。至于限制控制單元級，則主要用在控制編程方面，可有效地解決水電站因電氣設備體積龐大和程序復雜等原因導致的編程弊端。

水電站自動化包含以下內容：①機組和附屬機械設備的自動化；②全廠共用機械設備的自動化；③發電機的自動調整勵磁；④機組的自動調速；⑤發電機的自動同期及信息采集等。

自動化是水電站能否經濟和安全運行的重要基礎，在盡量降低成本的前提下，設計時需考慮的措施有以下幾點：

3.3.1 配備可靠和先進的計算機監控系統

對于適用于大中型水電站網絡、上位機以及現地控制等設備，配置上有必要采取相應的冗余措施。

3.3.2 配備水輪發電機組附屬設備自動化系統

采用PLC對機組進水主閥進行控制，采用冗余的雙微機雙通道對勵磁裝置進行勵磁，至于調速器，則采用可編程的調速器等。另外，還應采取開關量和模擬量對機組重要的水力機械參數進行雙重監視，而發電機和其他電氣元件的電氣參數等，則采用變送器進行監視或交流采樣裝置等設備。

3.3.3 配備可靠和完善的全廠基礎自動化系統

對于空壓機，采用單片機進行控制，對于給排水等系統，則采用PLC進行控制，至于一些重要的參數，則采取開關量和模擬量進行雙重監視。

3.3.4 配備可靠和完善的系統

主要有安全自動裝置及火災報警系統。

3.3.5 配備可靠和完善的通信系統

對光纖通信、程控通信、電力載波及接入調度的通信網絡管理系統等部分，應分頻分層進行管理，從而保證通信的暢通。

4 結語

（1）設計工作人員在保證水電站安全生產的基礎上，從水電站電氣一次設計、二次設計及水電站自動化等多方面進行優化設計，從而使其更可靠與實用，避免發生浪費和設備閑置等現象。

（2）完善水電站無人值班綜合自動化系統，在節省投資費用的同時，降低水電站日常維護性費用。

（3）對于水電站電氣設備中的機組詳細資料和運行情況，必須精確進行掌握，并實行全天候24h監控，從而最大程度地保證水電站實現電氣設備運行和管理的自動化，確保設備安全可靠運行。

［1］關有同.賽珠水電站機電設備安裝及運行中幾個問題的處理［J］.云南水力發電，2010（6）.

［2］李曉軍,尚現軍,朱峰,等.淺析小型水電站電氣設備的電器故障與排除［J］.中國水運（下半月），2011（4）.

［3］趙越,劉斌,陳碧輝,等.瑞麗江一級水電站2號水輪機自然補氣系統的改進［J］.大電機技術，2012（5）.

［4］王飛,王慶方,王勇軍,等.水輪機蝸殼的優化設計與CFD分析［J］.水利水電科技進展，2012（5）.

［5］呂玉忠,陳居森,祁美蓮.超大型立式水輪發電機組軸線檢測及調整工藝探討［J］.四川水力發電，2012（5）.

［6］于文杰,趙輝,羅登玲.官地水電站調速技術的應用與維護［J］.四川水力發電，2012（5）.

［7］張自敏.錦屏一級水電站6#機組軸線調整問題分析與處理［J］.四川水力發電，2012（5）.

［8］軒書剛.官地水電站水輪發電機組啟動試運行管理實踐［J］.四川水力發電，2012（5）.