初探中小型水電站的電氣二次設計

何靜　余祥琪

摘 要：中小型水電站電氣設備種類復雜，涉及許多方面的問題。結合中小型水電站的運行狀況，簡單介紹了中小型水電站的電氣二次設計概況，并從中總結出了其設計思路。

關鍵詞：中小型水電站；電氣設備；二次設計；變壓器

中圖分類號：TV734.2；TV742 文獻標識碼：A 文章編號：2095-6835（2014）14-0054-02

中小型水電站是將流動的水能轉化為電能的大型工程。水電站主要是通過水庫將泄水引入水電站引水系統中，用泄水來提高機組的動力，讓機組可以正常運行，將水能轉化為電能，并將電能輸入到發電廠，為工業發展和居民生活提供基礎用電。

1 工程概況

某市一座引水徑流式水電站共有3臺水輪發電機組，均為立軸混流式電機，其容量分別為8 MW、8 MW、4 MW，總計20 MW，年均發電時長約2 500 h，年均發電量約5 ×107 kW·h。采用“變壓器-線路組”方式對110 kV升高電壓側進行接線，并將其出線連接至電網系統，水電站本身不為附近地區供電。

該水電站常用的電源為發電機電壓母線，根據廠用負荷可確定其容量負荷為400 kVA，可以確保水電站的用電需求。將1臺400 kVA的發電機作為備用，采用單母線連接、裝設1套備用電源自動投入裝置。該水電站擬裝2臺8 MW加1臺混流式水輪發電機組和1臺110 kV的雙卷主變壓器。

2 電氣二次設計的主要內容與要求

2.1 計算機監控系統

計算機監控系統的主要功能是監控水電站中的相關設備，并根據監控內容作出相應的調節。具體工作方式為：采集水電站設備運行時的數據信息，并進行分析；根據分析結果判斷設備的運行狀況，確保設備安全運行。當設備出現異常運行情況時，系統要進行自我診斷，并自動調節，系統會記錄異常狀態的全過程。

該水電站采用的是開放系統標準的分層分布結構，這種運行管理模式在一定程度上減少了值班人員，節省了人力資源成本。計算機監控系統依靠控制單元級對各種設備進行監管、控制，控制的單元級共有兩層，分別為水電站控制和現地控制，兩層控制單元級之間用以太網進行光纖連接。其中，水電站控制面向的對象是所有的電氣設備，現地控制面向的對象是水輪發電機組、公共設備等。另外，計算機監控系統還能夠與其他系統（比如水情觀測系統、調度系統等）建立通訊，實現設備運行狀態的信息共享。圖1為該水電站電氣二次設計圖。

2.2 繼電保護設計

該設計主要是為了給水電站中的重要設備提供繼電保護，比如水輪發電機組、變壓器、110 kV線路等。設計的保護裝置內部擁有自檢功能，能夠檢測水電站的重要元器件是否受到了電磁干擾，并作出相應的保護。保護裝置設計了一個能夠與監控系統連接的接口，實現了保護裝置與機組控制單元之間的通訊。

2.3 勵磁系統設計

在水電站的勵磁設計中，需要為每臺發電機、主變壓器和110 kV出線配置1塊交流電量綜合檢測儀。該檢測儀能夠檢測目標單元的電氣量，從而決定是否需要為發電機的勵磁電壓、勵磁電流等配置電量變送器。另外，發電機的功率（有功功率、無功功率）、母線電壓（220 V）、交流電壓（UPS電源）等是否需要配置電量變送器，這要由發電機的實際需求來決定。同時，在中央控制系統中安裝一些數字電測儀，方便對勵磁裝置進行宏觀監控。

2.4 直流電源設計

將水電站的直流系統設計成220 V的直流電源，并為電氣設備的操作、控制、保護、照明等裝置進行直流供電。另外設計1組（104只）鉛酸蓄電池和1套充電裝置，要求蓄電池具有閥控、免維護、防爆等特性。蓄電池組的容量為200 AH，要求充電裝置采用“N+1冗余模式”進行開關控制。將蓄電池組與充電裝置安裝在直流電源的母線上，并做好絕緣監測和電池巡檢工作。

2.5 交流電源設計

該水電站采用的是1組10 kVA的UPS交流電源裝置，裝置中不需要設置蓄電池。當水電站正常運作時，由交流220 V廠用供電，使用無觸點旁路開關，如果USP的逆變單元發生故障，旁路開關能夠自動切換交流電源。當交流電源中斷時，作為備用電源——220 V直流電源可以隨時切換，并進行逆變，確保水電站的供電安全。

3 主要電氣設備的布置

該水電站的主廠房采用的是3臺立式水輪機組，在每臺機組的四周設置屏幕保護，副廠房在主廠房旁邊，與主廠房的面積大小相同。副廠房又分為空壓機室和油處理室2層。副廠房采用的是6.3高壓開關室和中央控制室。將開關柜和電壓互感器柜等安裝在高壓開關室中，并將微機監控系統的相關設備安裝在中央控制室中，這樣能夠有效保護測控屏柜。

在廠房下游區域布置電站回車場，并在回車場靠內一側布置變電站，面積約為500 m2，高程420.21 m，變電設備采用戶外中型布置，站內安裝1臺主變壓器和1臺備用的110 kV配電裝置。

4 結束語

綜上所述，中小型水電站的二次設計對整個電站的安全、平穩運行至關重要。電氣二次接線設計通常用于對一次系統的測量控制和信號保護，二次設計對一次設備進行監控和保護是確保水電站正常運行的基礎。文中提到的計算機監控系統、繼電保護設計、勵磁系統設計、控制電源設計和交流電源設計等，都為中小型水電站的電氣二次設計提供了必要的參考。

參考文獻

[1]柯賢安.淺析中小型水電站的電氣二次設計[J].陜西水利，2011（4）：101-102.

[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）：23-24.

[3]朱冠廷，黃天東，陳吉祥，等.湖北三里坪水電站電氣二次設計[J].人民長江，2013，44（20）：68-71.

〔編輯：白潔〕

Abstract： types of electrical equipment for small and medium hydropower complex， involving many aspects of the problem. Combined operating conditions for small and medium hydropower stations， a brief overview of the secondary electrical design for small and medium hydropower stations， from which summed up their design ideas.

Key words： small and medium hydropower stations； electrical equipment； secondary design； transformer

摘 要：中小型水電站電氣設備種類復雜，涉及許多方面的問題。結合中小型水電站的運行狀況，簡單介紹了中小型水電站的電氣二次設計概況，并從中總結出了其設計思路。

關鍵詞：中小型水電站；電氣設備；二次設計；變壓器

中圖分類號：TV734.2；TV742 文獻標識碼：A 文章編號：2095-6835（2014）14-0054-02

中小型水電站是將流動的水能轉化為電能的大型工程。水電站主要是通過水庫將泄水引入水電站引水系統中，用泄水來提高機組的動力，讓機組可以正常運行，將水能轉化為電能，并將電能輸入到發電廠，為工業發展和居民生活提供基礎用電。

1 工程概況

某市一座引水徑流式水電站共有3臺水輪發電機組，均為立軸混流式電機，其容量分別為8 MW、8 MW、4 MW，總計20 MW，年均發電時長約2 500 h，年均發電量約5 ×107 kW·h。采用“變壓器-線路組”方式對110 kV升高電壓側進行接線，并將其出線連接至電網系統，水電站本身不為附近地區供電。

該水電站常用的電源為發電機電壓母線，根據廠用負荷可確定其容量負荷為400 kVA，可以確保水電站的用電需求。將1臺400 kVA的發電機作為備用，采用單母線連接、裝設1套備用電源自動投入裝置。該水電站擬裝2臺8 MW加1臺混流式水輪發電機組和1臺110 kV的雙卷主變壓器。

2 電氣二次設計的主要內容與要求

2.1 計算機監控系統

計算機監控系統的主要功能是監控水電站中的相關設備，并根據監控內容作出相應的調節。具體工作方式為：采集水電站設備運行時的數據信息，并進行分析；根據分析結果判斷設備的運行狀況，確保設備安全運行。當設備出現異常運行情況時，系統要進行自我診斷，并自動調節，系統會記錄異常狀態的全過程。

該水電站采用的是開放系統標準的分層分布結構，這種運行管理模式在一定程度上減少了值班人員，節省了人力資源成本。計算機監控系統依靠控制單元級對各種設備進行監管、控制，控制的單元級共有兩層，分別為水電站控制和現地控制，兩層控制單元級之間用以太網進行光纖連接。其中，水電站控制面向的對象是所有的電氣設備，現地控制面向的對象是水輪發電機組、公共設備等。另外，計算機監控系統還能夠與其他系統（比如水情觀測系統、調度系統等）建立通訊，實現設備運行狀態的信息共享。圖1為該水電站電氣二次設計圖。

2.2 繼電保護設計

該設計主要是為了給水電站中的重要設備提供繼電保護，比如水輪發電機組、變壓器、110 kV線路等。設計的保護裝置內部擁有自檢功能，能夠檢測水電站的重要元器件是否受到了電磁干擾，并作出相應的保護。保護裝置設計了一個能夠與監控系統連接的接口，實現了保護裝置與機組控制單元之間的通訊。

2.3 勵磁系統設計

在水電站的勵磁設計中，需要為每臺發電機、主變壓器和110 kV出線配置1塊交流電量綜合檢測儀。該檢測儀能夠檢測目標單元的電氣量，從而決定是否需要為發電機的勵磁電壓、勵磁電流等配置電量變送器。另外，發電機的功率（有功功率、無功功率）、母線電壓（220 V）、交流電壓（UPS電源）等是否需要配置電量變送器，這要由發電機的實際需求來決定。同時，在中央控制系統中安裝一些數字電測儀，方便對勵磁裝置進行宏觀監控。

2.4 直流電源設計

將水電站的直流系統設計成220 V的直流電源，并為電氣設備的操作、控制、保護、照明等裝置進行直流供電。另外設計1組（104只）鉛酸蓄電池和1套充電裝置，要求蓄電池具有閥控、免維護、防爆等特性。蓄電池組的容量為200 AH，要求充電裝置采用“N+1冗余模式”進行開關控制。將蓄電池組與充電裝置安裝在直流電源的母線上，并做好絕緣監測和電池巡檢工作。

2.5 交流電源設計

該水電站采用的是1組10 kVA的UPS交流電源裝置，裝置中不需要設置蓄電池。當水電站正常運作時，由交流220 V廠用供電，使用無觸點旁路開關，如果USP的逆變單元發生故障，旁路開關能夠自動切換交流電源。當交流電源中斷時，作為備用電源——220 V直流電源可以隨時切換，并進行逆變，確保水電站的供電安全。

3 主要電氣設備的布置

該水電站的主廠房采用的是3臺立式水輪機組，在每臺機組的四周設置屏幕保護，副廠房在主廠房旁邊，與主廠房的面積大小相同。副廠房又分為空壓機室和油處理室2層。副廠房采用的是6.3高壓開關室和中央控制室。將開關柜和電壓互感器柜等安裝在高壓開關室中，并將微機監控系統的相關設備安裝在中央控制室中，這樣能夠有效保護測控屏柜。

在廠房下游區域布置電站回車場，并在回車場靠內一側布置變電站，面積約為500 m2，高程420.21 m，變電設備采用戶外中型布置，站內安裝1臺主變壓器和1臺備用的110 kV配電裝置。

4 結束語

綜上所述，中小型水電站的二次設計對整個電站的安全、平穩運行至關重要。電氣二次接線設計通常用于對一次系統的測量控制和信號保護，二次設計對一次設備進行監控和保護是確保水電站正常運行的基礎。文中提到的計算機監控系統、繼電保護設計、勵磁系統設計、控制電源設計和交流電源設計等，都為中小型水電站的電氣二次設計提供了必要的參考。

參考文獻

[1]柯賢安.淺析中小型水電站的電氣二次設計[J].陜西水利，2011（4）：101-102.

[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）：23-24.

[3]朱冠廷，黃天東，陳吉祥，等.湖北三里坪水電站電氣二次設計[J].人民長江，2013，44（20）：68-71.

〔編輯：白潔〕

Abstract： types of electrical equipment for small and medium hydropower complex， involving many aspects of the problem. Combined operating conditions for small and medium hydropower stations， a brief overview of the secondary electrical design for small and medium hydropower stations， from which summed up their design ideas.

Key words： small and medium hydropower stations； electrical equipment； secondary design； transformer

摘 要：中小型水電站電氣設備種類復雜，涉及許多方面的問題。結合中小型水電站的運行狀況，簡單介紹了中小型水電站的電氣二次設計概況，并從中總結出了其設計思路。

關鍵詞：中小型水電站；電氣設備；二次設計；變壓器

中圖分類號：TV734.2；TV742 文獻標識碼：A 文章編號：2095-6835（2014）14-0054-02

中小型水電站是將流動的水能轉化為電能的大型工程。水電站主要是通過水庫將泄水引入水電站引水系統中，用泄水來提高機組的動力，讓機組可以正常運行，將水能轉化為電能，并將電能輸入到發電廠，為工業發展和居民生活提供基礎用電。

1 工程概況

某市一座引水徑流式水電站共有3臺水輪發電機組，均為立軸混流式電機，其容量分別為8 MW、8 MW、4 MW，總計20 MW，年均發電時長約2 500 h，年均發電量約5 ×107 kW·h。采用“變壓器-線路組”方式對110 kV升高電壓側進行接線，并將其出線連接至電網系統，水電站本身不為附近地區供電。

該水電站常用的電源為發電機電壓母線，根據廠用負荷可確定其容量負荷為400 kVA，可以確保水電站的用電需求。將1臺400 kVA的發電機作為備用，采用單母線連接、裝設1套備用電源自動投入裝置。該水電站擬裝2臺8 MW加1臺混流式水輪發電機組和1臺110 kV的雙卷主變壓器。

2 電氣二次設計的主要內容與要求

2.1 計算機監控系統

計算機監控系統的主要功能是監控水電站中的相關設備，并根據監控內容作出相應的調節。具體工作方式為：采集水電站設備運行時的數據信息，并進行分析；根據分析結果判斷設備的運行狀況，確保設備安全運行。當設備出現異常運行情況時，系統要進行自我診斷，并自動調節，系統會記錄異常狀態的全過程。

該水電站采用的是開放系統標準的分層分布結構，這種運行管理模式在一定程度上減少了值班人員，節省了人力資源成本。計算機監控系統依靠控制單元級對各種設備進行監管、控制，控制的單元級共有兩層，分別為水電站控制和現地控制，兩層控制單元級之間用以太網進行光纖連接。其中，水電站控制面向的對象是所有的電氣設備，現地控制面向的對象是水輪發電機組、公共設備等。另外，計算機監控系統還能夠與其他系統（比如水情觀測系統、調度系統等）建立通訊，實現設備運行狀態的信息共享。圖1為該水電站電氣二次設計圖。

2.2 繼電保護設計

該設計主要是為了給水電站中的重要設備提供繼電保護，比如水輪發電機組、變壓器、110 kV線路等。設計的保護裝置內部擁有自檢功能，能夠檢測水電站的重要元器件是否受到了電磁干擾，并作出相應的保護。保護裝置設計了一個能夠與監控系統連接的接口，實現了保護裝置與機組控制單元之間的通訊。

2.3 勵磁系統設計

在水電站的勵磁設計中，需要為每臺發電機、主變壓器和110 kV出線配置1塊交流電量綜合檢測儀。該檢測儀能夠檢測目標單元的電氣量，從而決定是否需要為發電機的勵磁電壓、勵磁電流等配置電量變送器。另外，發電機的功率（有功功率、無功功率）、母線電壓（220 V）、交流電壓（UPS電源）等是否需要配置電量變送器，這要由發電機的實際需求來決定。同時，在中央控制系統中安裝一些數字電測儀，方便對勵磁裝置進行宏觀監控。

2.4 直流電源設計

將水電站的直流系統設計成220 V的直流電源，并為電氣設備的操作、控制、保護、照明等裝置進行直流供電。另外設計1組（104只）鉛酸蓄電池和1套充電裝置，要求蓄電池具有閥控、免維護、防爆等特性。蓄電池組的容量為200 AH，要求充電裝置采用“N+1冗余模式”進行開關控制。將蓄電池組與充電裝置安裝在直流電源的母線上，并做好絕緣監測和電池巡檢工作。

2.5 交流電源設計

該水電站采用的是1組10 kVA的UPS交流電源裝置，裝置中不需要設置蓄電池。當水電站正常運作時，由交流220 V廠用供電，使用無觸點旁路開關，如果USP的逆變單元發生故障，旁路開關能夠自動切換交流電源。當交流電源中斷時，作為備用電源——220 V直流電源可以隨時切換，并進行逆變，確保水電站的供電安全。

3 主要電氣設備的布置

該水電站的主廠房采用的是3臺立式水輪機組，在每臺機組的四周設置屏幕保護，副廠房在主廠房旁邊，與主廠房的面積大小相同。副廠房又分為空壓機室和油處理室2層。副廠房采用的是6.3高壓開關室和中央控制室。將開關柜和電壓互感器柜等安裝在高壓開關室中，并將微機監控系統的相關設備安裝在中央控制室中，這樣能夠有效保護測控屏柜。

在廠房下游區域布置電站回車場，并在回車場靠內一側布置變電站，面積約為500 m2，高程420.21 m，變電設備采用戶外中型布置，站內安裝1臺主變壓器和1臺備用的110 kV配電裝置。

4 結束語

綜上所述，中小型水電站的二次設計對整個電站的安全、平穩運行至關重要。電氣二次接線設計通常用于對一次系統的測量控制和信號保護，二次設計對一次設備進行監控和保護是確保水電站正常運行的基礎。文中提到的計算機監控系統、繼電保護設計、勵磁系統設計、控制電源設計和交流電源設計等，都為中小型水電站的電氣二次設計提供了必要的參考。

參考文獻

[1]柯賢安.淺析中小型水電站的電氣二次設計[J].陜西水利，2011（4）：101-102.

[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）：23-24.

[3]朱冠廷，黃天東，陳吉祥，等.湖北三里坪水電站電氣二次設計[J].人民長江，2013，44（20）：68-71.

〔編輯：白潔〕

Abstract： types of electrical equipment for small and medium hydropower complex， involving many aspects of the problem. Combined operating conditions for small and medium hydropower stations， a brief overview of the secondary electrical design for small and medium hydropower stations， from which summed up their design ideas.

Key words： small and medium hydropower stations； electrical equipment； secondary design； transformer