潮汐電站電氣設(shè)計特點(diǎn)探討

劉曉東，王現(xiàn)進(jìn)，孫冬慧，藺 娜

（1 中國水電顧問集團(tuán)西北勘測設(shè)計研究院有限公司，西安 710065；2 西安ABB電力電容器有限公司，西安 710021；3 西安中機(jī)國際（西安）技術(shù)發(fā)展有限公司，西安 710054）

潮汐電站電氣設(shè)計特點(diǎn)探討

劉曉東1，王現(xiàn)進(jìn)2，孫冬慧3，藺 娜1

（1 中國水電顧問集團(tuán)西北勘測設(shè)計研究院有限公司，西安 710065；2 西安ABB電力電容器有限公司，西安 710021；3 西安中機(jī)國際（西安）技術(shù)發(fā)展有限公司，西安 710054）

潮汐是一種世界性的海平面周期性漲落的現(xiàn)象，這種現(xiàn)象蘊(yùn)藏的能量可以轉(zhuǎn)變成電能，潮汐能作為一種可再生的潔凈的自然能源，在國內(nèi)外很早就引起了人們的關(guān)注，世界各國已建成的潮汐電站有幾十座，是一項潛力巨大的事業(yè)。本文詳細(xì)介紹了潮汐電站電氣設(shè)備選擇的特殊性，特殊環(huán)境對電氣設(shè)備的影響及解決方法，潮汐電站機(jī)組控制特殊要求，潮汐電站接地特殊要求等，取得一定的研究成果，可為同類電站設(shè)計提供參考。

潮汐電站 鹽霧腐蝕；機(jī)組防腐；機(jī)組控制

1 概述

我國潮汐能資源豐富，潮汐發(fā)電作為可再生能源的一種，有著巨大的發(fā)展前景。在全球?qū)θ祟惿姝h(huán)境愈來愈關(guān)注的今天，人們對建設(shè)潮汐電站的觀念勢必會發(fā)生改變，因為潮汐發(fā)電不需燃料，不會污染環(huán)境，更無需淹地、移民，年發(fā)電量穩(wěn)定，取之不盡，用之不竭，其發(fā)展前景不可低估。

經(jīng)過多年來的實踐，潮汐電站在工作原理和總體構(gòu)造上基本成型，即將進(jìn)入大規(guī)模開發(fā)利用階段。中國地處太平洋西岸，潮汐能蘊(yùn)藏量十分豐富。根據(jù)調(diào)查統(tǒng)計，中國潮汐能總蘊(yùn)藏量為1.9億kW，年發(fā)電量2750億kWh。目前我國潮汐能開發(fā)已有40多年的歷史，建成并長期運(yùn)行的電站有8座，總裝機(jī)容量只有6120kW，可開發(fā)潛力巨大。我國的一些沿海地區(qū)具有建設(shè)大型潮汐電站的資源優(yōu)勢，可開發(fā)200kW及以上的潮汐424處，裝機(jī)容量21790MW，在潮汐能豐富經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)的濱海地區(qū)如福建、浙江、江蘇3省，建立大型潮汐能發(fā)電站是大勢所趨。

2 潮汐電站電氣設(shè)備的特殊性

潮汐電站的運(yùn)行方式和運(yùn)行環(huán)境有別于一般的水電站，需要在電站設(shè)計時采取相應(yīng)的措施，使電氣設(shè)備能滿足潮汐電站的特殊需要。

1）電站一般地處沿海地區(qū)，濕度大、鹽霧嚴(yán)重，為免使電氣設(shè)備受潮和開關(guān)觸頭結(jié)露，故應(yīng)采用戶內(nèi)式升壓開關(guān)站。

2）雙向發(fā)電的潮汐電站，機(jī)組有正、反向發(fā)電，正、反向泄水等運(yùn)行工況，當(dāng)發(fā)電機(jī)正、反向發(fā)電時，由于發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)方向相反，因而發(fā)電機(jī)電壓三相相序也隨之正、反向變化。為使并聯(lián)時取得固定的A、B、C相序，在主變高壓側(cè)采用兩段母線（上母線為定相母線，下母線為倒相母線），兩母線之間安裝兩組倒相開關(guān)，以保證在出線線路上維持固定的A、B、C相序。

3）設(shè)置多臺機(jī)組共同準(zhǔn)同期。潮汐電站的特點(diǎn)是機(jī)組臺數(shù)多，在發(fā)電工況時，所有機(jī)組均需要啟動并網(wǎng)，各發(fā)電機(jī)開關(guān)也需要進(jìn)行同期合閘，由于操作開關(guān)數(shù)目很多，全部同期需要的時間就較長，這對于一座發(fā)電時間較短的潮汐電站來說是個損失，所以要求同期時間盡可能地短。為此，在同期系統(tǒng)中，除設(shè)有一般水電站常有的手動準(zhǔn)同期和自動準(zhǔn)同期外，還設(shè)置了多臺機(jī)組共同準(zhǔn)同期。

多臺機(jī)組共同準(zhǔn)同期可以減少同期次數(shù)：當(dāng)進(jìn)入發(fā)電工況時，將全部機(jī)組同時啟動，并合上發(fā)電機(jī)開關(guān)，在機(jī)組低轉(zhuǎn)速下投入發(fā)電機(jī)手動單元空載勵磁，使全部機(jī)組在低轉(zhuǎn)速、低電壓下自整步為一等效機(jī)組，然后通過中壓開關(guān)用自動準(zhǔn)同期方式一次同期并網(wǎng)。

3 環(huán)境對電氣設(shè)備的影響和解決方法

3.1 機(jī)組防腐防污一般方式

機(jī)組防腐防污方案選擇原則有：長期有效，至少能保證機(jī)組在一次大修期限內(nèi)得到可靠的保護(hù)；便于施工，維護(hù)簡單，并易于測定；不會污染自然環(huán)境，不會影響生態(tài)規(guī)律；經(jīng)濟(jì)上合理。潮汐電站機(jī)組防腐防污一般方式有：

1）防腐防污配套漆。把涂料裝在與海水接觸的流道及機(jī)組構(gòu)件的表面，使被保護(hù)面與海水隔離，防止腐蝕的發(fā)生。涂料中還能逐漸釋放出有毒物質(zhì)，能殺死海生物，涂料起著防腐和防污的雙重作用。

2）外加電流陰極保護(hù)。潮汐電站機(jī)組在海水中運(yùn)行，海水是天然的電解質(zhì)，鋼鐵本身還有雜質(zhì)及表面的不均勻性，這樣就形成了無數(shù)的微電池，產(chǎn)生電化學(xué)腐蝕。在這個過程中，陰極不腐蝕，而受到腐蝕的是陽極。如果設(shè)法外加一個電流使整個鋼鐵表面都成為陰極狀態(tài)，從而抑制微陽極區(qū)電子的釋放，就可以使鋼鐵得到保護(hù)。

3）犧牲陽極陰極保護(hù)。犧牲陽極陰極保護(hù)原理是將電位較負(fù)的金屬或合金連接在被保護(hù)的構(gòu)件上，當(dāng)浸入電解質(zhì)溶液時，由于它們之間的電位差產(chǎn)生電流，使被保護(hù)的構(gòu)件陰極化。

4）電解海水系統(tǒng)。海水是一電解質(zhì)，只需要采用適當(dāng)?shù)碾姌O、控制適當(dāng)?shù)碾姌O電位，經(jīng)電解后可產(chǎn)生氯和次氯酸鈉（NaClO），而氯和次氯酸鈉是強(qiáng)氧化劑，它能分解附著生物生命所必需的酵素，使附著生物的呼吸系統(tǒng)產(chǎn)生強(qiáng)烈的化學(xué)性燒傷。電解海水防污原料廣、安全性好、不產(chǎn)生污染且有長效性。

3.2 電氣設(shè)備防腐主要解決方式

潮汐電站在鹽霧嚴(yán)重的環(huán)境中運(yùn)行，一些電氣設(shè)備和自動化元件不能適應(yīng)運(yùn)行環(huán)境的特殊性，如開關(guān)的相間絕緣距離需要增大，這增加了選型難度。因此，只有改變運(yùn)行環(huán)境才能解決問題。除開關(guān)站設(shè)在戶內(nèi)外，所有安裝電氣設(shè)備的場所應(yīng)實施全封閉，并有加熱、除濕裝置，使運(yùn)行環(huán)境得到徹底改善，以滿足電氣設(shè)備的運(yùn)行要求，使其能正常工作。對于一些特殊設(shè)備，設(shè)計時可提高其絕緣等級，并用不銹鋼殼體封閉，使其與外界環(huán)境隔絕，以提高運(yùn)行的可靠性，為實現(xiàn)潮汐電站無人值班創(chuàng)造條件。

一般的潮汐機(jī)組有局部滲漏水現(xiàn)象，可將磁極、定子等結(jié)構(gòu)設(shè)計為封閉式，并增大爬電距離，要求主機(jī)廠家備品備件整體準(zhǔn)備，完全封閉。

3.3 輸配電線路防鹽霧腐蝕

鹽霧指懸浮在大氣中的氣溶液狀的Na2O粒子。它的形成主要是因為海風(fēng)引起海面擾動和漲、落潮時，海水相互間的沖擊和海浪拍擊海岸，致使很多海浪粒子拖入空中，水分發(fā)蒸后，留下一些極小的鹽粒，在大氣團(tuán)的平流和紊流交換作用下，這些鹽粒在空氣中散開來，并隨風(fēng)流動形成沿海地區(qū)鹽霧。鹽霧對電氣設(shè)備的危害程度主要與沉積在電氣設(shè)備表面鹽粒的多少有關(guān)，沉積又與鹽霧含量、有無阻隔物、近海或遠(yuǎn)海等諸多因素有關(guān)，其中影響最大的是阻隔物。

除將主要電氣設(shè)備場所實施全封閉外，對于裸露的輸配電線路，也應(yīng)采取相應(yīng)的防護(hù)措施。

1）對于瓷體絕緣子，應(yīng)采取提高瓷件的單位泄漏距離，采取阻隔物減少鹽霧沉降量。主要方法有：人工定期清掃擦拭，在絕緣瓷件上涂有機(jī)硅；在瓷件上涂地臘；設(shè)計時增大外絕緣爬電距離，提高泄漏比距值，優(yōu)化傘裙結(jié)構(gòu)。對電氣設(shè)備外絕緣表面采取“憎水性”技術(shù)處理。電氣設(shè)備絕緣介質(zhì)外表面發(fā)生閃絡(luò)現(xiàn)象與介質(zhì)的親水性有關(guān)，親水性強(qiáng)的物質(zhì)由于表面容易潮濕且易形成水膜，會導(dǎo)致絕緣體表面泄漏電流增大，使閃絡(luò)電壓降低。而用做絕緣體的陶瓷和玻璃是親水性較強(qiáng)的材料，雖然在生產(chǎn)制作時進(jìn)行了表面處理如陶瓷材料制品的表面噴釉，但對親水性改善不大。試驗證明，具有憎水性的物質(zhì)可以防止絕緣體表面形成水膜，從而提高閃絡(luò)電壓，對防止電氣設(shè)備發(fā)生污閃是有益的。

合理選用防污型絕緣子和新型材料絕緣子，復(fù)合絕緣子（硅橡膠絕緣子）具有體積小、重量輕、耐污性能好、不需測零值等優(yōu)越性。具有高度的抗表面污染力和防止碳化泄漏。復(fù)合絕緣子所需的爬距比瓷和玻璃絕緣子所需爬距平均少30%。當(dāng)線路使用鋼芯鋁絞線架設(shè)，絕緣子最好選用復(fù)合絕緣子。

2）對于室外的電氣設(shè)備，如油斷路器、SF6斷路器、電纜分接箱、計量箱及各種開關(guān)柜等，外殼應(yīng)采用不銹鋼和熱鍍鋅，以進(jìn)一步加強(qiáng)防鹽霧腐蝕的能力，提高設(shè)備的使用壽命。

3）在電氣設(shè)備安裝、電氣設(shè)備檢修時，可在導(dǎo)電排搭接處接觸面涂敷電力復(fù)合脂（導(dǎo)電膏），能抗鹽霧腐蝕，降損節(jié)能，運(yùn)行效果良好，并取得較好的經(jīng)濟(jì)效益。

4）輸配電線路的鐵塔、鐵桿及鐵附件，全部熱鍍鋅。為了增強(qiáng)線路防鹽霧腐蝕能力，提高線路使用壽命，對新架設(shè)的輸配電線路運(yùn)行2～3年后，進(jìn)行一次油漆；以后每2年除銹并油漆一次。這種方法比較簡便，維護(hù)管理方便，而且效果好，也是最有效的防腐措施。低壓線路的金具及附件同樣采用熱鍍鋅。而經(jīng)過熱鍍鋅制作的角鋼至少可使用10年以上。線路金具、螺栓及其它配件，應(yīng)采用國家定型產(chǎn)品和定點(diǎn)廠家生產(chǎn)，經(jīng)熱鍍鋅的產(chǎn)品。

4 潮汐電站機(jī)組控制特殊要求

潮汐電站的機(jī)組運(yùn)行涉及多種工況，運(yùn)行控制面復(fù)雜，機(jī)組的負(fù)荷變化也比較大，為此，要求勵磁系統(tǒng)和調(diào)速器設(shè)備適應(yīng)性強(qiáng)，調(diào)節(jié)速度快，控制精度高。同時由于機(jī)組正反向運(yùn)行時，電氣主接線的相序要做變換，為此要求連鎖及閉鎖關(guān)系需要做到可靠而正確，并且在時間上也要配合適當(dāng)。

在機(jī)組運(yùn)行中，有抽水工況，對于其啟動方式的選擇則是非常重要，可選的方式有變頻啟動、全電壓異步啟動、降壓啟動方式等，針對機(jī)組的容量、運(yùn)行特點(diǎn)，需要比對各種方式的啟動效果以及機(jī)組的運(yùn)行振動擺度參數(shù)綜合考慮，選擇適合機(jī)組的抽水啟動方式。

潮汐電站機(jī)組的啟動控制過程中，必須采用高壓油頂轉(zhuǎn)子裝置。在機(jī)組啟動過程中，由于高壓油的存在，可以減少摩擦力矩，對機(jī)組平穩(wěn)運(yùn)行非常有利。常規(guī)水電機(jī)組，在機(jī)組穩(wěn)定運(yùn)行后，高壓油頂轉(zhuǎn)子即停止運(yùn)行。對于潮汐發(fā)電的機(jī)組，由于存在正反兩個方向的旋轉(zhuǎn)運(yùn)行，機(jī)組的支撐結(jié)構(gòu)、受力面等等將有特殊設(shè)計，因此需要的高壓油頂轉(zhuǎn)子的運(yùn)行方式也是不同的，需要根據(jù)機(jī)組的結(jié)構(gòu)要求設(shè)置適應(yīng)的運(yùn)行程序。

潮汐電站的機(jī)組控制方式要求具有靈活性，由于每天的最高潮位都是變化的，電站實際的開機(jī)水頭、停機(jī)水頭需要隨時進(jìn)行調(diào)整修正。一般來講，大潮、中潮情況下，可以進(jìn)行正反向雙向運(yùn)行，在小潮時，選擇正向發(fā)電、反向泄水，以提高機(jī)組及全廠的經(jīng)濟(jì)效益。具體選擇何種方式運(yùn)行，需要根據(jù)潮位、可運(yùn)行的機(jī)組數(shù)量以及機(jī)組正反向運(yùn)行的效率等因素綜合考慮。

5 潮汐電站接地特殊要求

潮汐電站具有自身的特點(diǎn)，根據(jù)考察及查閱相關(guān)資料，潮汐電站接地系統(tǒng)設(shè)計一般應(yīng)考慮以下幾點(diǎn)：

1）潮汐電站濕度大、鹽霧嚴(yán)重，采用普通接地扁鋼容易腐蝕，應(yīng)采用鍍鋅扁鋼，甚至采用扁銅，并應(yīng)減少明敷方式，盡量將接地材料埋入土壤或混凝土中。

2）潮汐電站應(yīng)設(shè)有工作接地、保護(hù)接地、防雷接地，所有接地均接于一個總的接地網(wǎng)。

3）在出線站接地網(wǎng)及周圍預(yù)埋垂直接地極，并應(yīng)充分利用水工鋼筋，形成等電位接地以使本電站滿足DL/T 5091《水力發(fā)電廠接地設(shè)計技術(shù)導(dǎo)則》里對接觸電勢和跨步電勢的要求。

4）不同用途和不同電壓的電力設(shè)備，包括特殊設(shè)備接地如通信設(shè)備、計算機(jī)接地，接入同一個總接地網(wǎng)。

5）設(shè)計中應(yīng)考慮充分利用自然接地體將金屬構(gòu)件及水工建筑物中的主筋相互焊接起來，并形成不大于10m有電氣通路的網(wǎng)孔。

6 結(jié)論

隨著社會發(fā)展對能源需求的不斷提升和技術(shù)的進(jìn)步，在全球?qū)θ祟惿姝h(huán)境愈來愈關(guān)注的今天，人們對建設(shè)潮汐電站的觀念勢必會發(fā)生改變。潮汐發(fā)電不需燃料，不會污染環(huán)境，更無需淹地、移民、年發(fā)電量穩(wěn)定，取之不盡，用之不竭，其發(fā)展前景不可低估。本文詳細(xì)介紹了潮汐電站電氣設(shè)備選擇的特殊性，特殊環(huán)境對電氣設(shè)備的影響及解決方法，潮汐電站機(jī)組控制特殊要求，潮汐電站接地特殊要求等，取得一定的研究成果，可為同類電站設(shè)計提供參考。

［1］導(dǎo)體和電器選擇設(shè)計技術(shù)規(guī)定［S］.DL/T 5222-2005，2005.

［2］水力發(fā)電廠機(jī)電設(shè)計規(guī)范［S］.DL/T 5186-2004，2004.

［3］阮全榮.水電站電氣設(shè)備選擇與布置［M］.中國水利水電出版社，2013.

A

劉曉東（1980-），男，陜西人，碩士，主要從事水電工程電氣設(shè)計工作。