農村水電增效擴容改造中電氣節能設計與應用

吳明亮

（湖南水利水電職業技術學院，湖南 長沙 410131）

農村水電增效擴容改造中電氣節能設計與應用

吳明亮

（湖南水利水電職業技術學院，湖南 長沙 410131）

文章介紹了農村水電增效擴容改造設計中節能降耗設計的原則，闡述了通過更新改造機電設備、無功補償、合理選擇輸電線路材料和截面、水輪機與發電機匹配，水輪機性能參數與運行參數匹配等方法來實現節能。

水電站；增效擴容；電氣節能

加強節能工作是國民經濟和社會發展的一項長遠戰略方針和迫切任務，而農村水電站增效擴容改造，電氣節能是一個不容忽視的問題。文章中筆者在農村水電增效擴容改造工程設計中的一些做法，就如何實現電氣節能談一談自己的體會。

1 節能降耗設計主要遵循以下原則

電站的電氣設計及設備選型節能降耗設計主要遵循以下原則：①遵循國家法律法規及有關設計標準的規定，滿足有關節能規劃和節能措施的要求。②在工程設計中貫徹節能降耗設計思想，通過技術經濟能源環境等綜合分析比較論證，選擇設計方案。③根據工程特點，分析能耗指標，明確節能目標，落實節能措施。④采取節能新技術和新工藝，對落后的耗能過高的用能產品、設備實行淘汰制度。

2 更新改造機電設備，以實現節能

筆者設計的水庫電站，大多設備從投運發電至今已運行了30多年，設備陳舊、老化嚴重、效率低下、損耗量大，大多已接近或超過其正常使用壽命，且大部分設備屬高耗能及淘汰產品，無備件更換，嚴重影響設備的安全運行。因此在設計中廣泛采用新技術、新材料、新工藝和新設備，實現電站設備設施的升級換代，全面提高自動化、信息化和現代化水平。大幅度提升能效和發電能力。

2.1 變壓器選擇

變壓器是輸變電行業中的耗能大戶，我國變壓器的總損耗占系統總發電量的10%左右，變壓器的節能降耗意義重大。由于水電站升壓變不經常處于滿載甚至超載運行，根據電站所裝機組臺數容量，選用升壓變壓器容量，同時選擇升壓變的變比要適當，通過調整無載分接開關，使發電機保持在額定電壓運行，不應偏離太多，電壓過高或過低對節能都不利。

由于材料技術的不斷發展和變壓器廠對結構的不斷改進，節能型變壓器發展很快。S11系列是目前推廣應用的低損耗變壓器，空載損耗較S9系列低75%左右，其負載損耗與S9系列變壓器相等。因此，在工程中推廣使用低損耗變壓器。

筆者在某水電站改造設計中，變壓器由原S7-200/10型更換為 Sll-315/10型節能變壓器，315kVA的變壓器比200kVA的變壓器空載損耗還少53W，315kVA的變壓器比200kVA的變壓器容量多出115kVA，而負載損耗（鐵耗）僅多119W。同容量的S7與S11比較，空載損耗多295W，負載損耗多1345W，如表1所示，可見同容量的變壓器可降低變電損耗1640W以上。

表1 S7-200/10型與Sll-315/10型變壓器比較

2.2 發電機改造

發電機改造主要是定子線圈和轉子線圈的改造,繞組絕緣等級原來為B級絕緣，現改為F級絕緣。

（1）定子鐵芯改造。更換定子鐵心材料，定子鐵心可采用的50W250硅鋼片，在發電機的頻率為50Hz、波形為正弦波、磁感峰值為1.5T時，硅鋼片單位重量鐵損值為2.50W/kg，而過去采用的D42硅鋼片，在同樣情況下，其單位重量鐵損值為3.15W/kg。定子鐵心采用高質量的導磁材料，提高迭裝系數，可減小定子鐵心損耗，提高發電機運行效率。

（2）定子線圈的改造。定子線圈主絕緣新型環氧云母事帶連續絕緣,介電強度高。而目前廣泛使用的F級環氧粉云母帶絕緣，在相同電壓等級條件下，其厚度可比原A級絕緣厚度減薄約10%～20%。絕緣厚度的減薄，有利于繞組的散熱，能在沖片槽型不變的情況下，增加繞組的銅線截面，降低定子損耗和繞組溫升，提高繞組效率，增大機組輸出功率。在發電機絕緣水平提高、絕緣減薄的基礎上，可增加定子繞組銅線的截面，提高線圈的槽滿率，由此可增大電機的線負荷，提高發電機輸出功率，達到增容的目的。

（3）改造轉子勵磁繞組。發電機增容改造常受到勵磁繞組溫升的限制，因發電機容量增大，勢必增大相應的勵磁電流。在原繞組銅線截面積不變的情況下，勢必增加銅線的電流密度。勵磁繞組的改造，通常是在不影響發電機通風冷卻性能和保證極間最小安全距離的前提下，適當增加勵磁繞組的銅線截面或勵磁繞組的匝數，以降低銅線損耗，使勵磁繞組的溫升控制在安全范圍內，以保證機組增容運行的安全。

（4）改善發電機通風條件。20世紀80年代前投入運行的電站的通風測試經驗表明，發電機的通風損耗普遍占額定容量的0.8%～5%，而目前結構優良的發電機通風損耗只占其額定容量的0.4%左右。因此，改造原有的風路系統，改進通風結構，減少通風損耗，同樣可以提高發電機的效率和出力。

2.3 水輪機改造

水輪機選型方面考慮如下措施，一是水輪機的蝸殼、尾水管等主要埋設部件不拆除，仍保留使用；二是水輪機的進水流道尺寸保持不變，所以所選機組必須符合原引水系統和流道的運行要求，選用效率高的水輪機模型；三是電站裝機臺數不變，水輪機安裝高程不變，新轉輪采用合理的結構設計，轉輪葉片采用不銹鋼材料制造，汽蝕性能應滿足現有安裝高程的要求，以保證機組安全穩定運行。

如某電站原有水輪機規格型號為ZD560-LMY-60（5°）；改造后的水輪機規格型號為ZD560-LMY-60（10°），主要進行轉輪更換、導葉及傳動機構更換。

3 通過無功補償實現節能

根據負載情況對變電所0.4kV側采取集中無功補償，功率因數提高后，可減少送變和配電設備中的電流，從而降低電能損耗，達到節能的目地。

4 合理選擇輸電線路材料和截面實現節能

合理選擇輸電線路材料和截面，負荷線路盡量短，以降低線路損耗，通過優化電氣設備布置，降低動力電纜的輸電損耗。10kV升壓站應盡量與水電站電氣副廠房毗鄰，變壓器及配電設備盡可能設于負荷中心，盡量減小供電路徑，以節省線材，降低線路損耗。

5 照明節能

照明節能設計就是在保證不降低照明質量的前提下，盡量減少照明電路中能量的損失，從而達到能量利用的最大化。重點是節能光源的優選，采用節能的LED光源，在相同照度和色溫的前提下，可以大幅度降低光源的能耗比；另外采用智能照明控制技術通過對有效的照明區域、照度需求和照明時間的自動控制，提高人工照明的效率。

6 水輪機與發電機匹配，以實現節能

水輪機與發電機匹配，避免浪費水電站的設備容量，減少水電站的運行損耗。過去有的水電站缺乏技術資料以及當時條件下的技術水平問題，所選水輪機與發電機不匹配，有些小型水電站水輪機的輸出功率大于水輪發電機或主變壓器的額定容量，形成“大馬拉小車”，使水電站的設計出力受到限制，在發電期間出現非正常的棄水現象。也有的水電站發電機容量大于水輪機出力,形成“小馬拉大車”，不但浪費了設備容量，也增大了運行損耗。

7 水輪機性能參數與運行參數匹配，以實現節能

早期建成的一些水電站，尤其是小型水電站 由于當時當地客觀條件限制，機組選型一般只按當時所頒布的系列型譜選擇水輪機型號和標準直徑，而早期編制的水輪機模型轉輪型譜中可供各水頭段選用的轉輪型號較少，造成機組實際運行參數與設計參數偏離而不匹配，以致機組長期達不到額定出力、偏離最優工況運行，造成水能資源的浪費。有些小型水電站建成后，其實際的流量、水頭等水文數據與設計資料有所變化或者缺少必要的水文資料，結果選用的水輪機性能參數與電站實際運行參數不適應。

上述情況水輪機處于非最優或非較優工況區運行,效率低、振動大、損壞快、年發電量損失多。因此，在水電站水輪機參數選擇時，水輪機選型要根據水電站的開發方式、動能參數、水工建筑物的布置等，綜合考慮國內外已有水輪機的參數、制造廠家的生產水平，擬定若干個機型比較方案，再通過技術經濟比較，確定出最優方案。首先根據水頭選好機型，再對水輪機轉輪選擇，根據電站的給定水頭范圍段，比較幾個模型轉輪的主要技術參數，選擇性能較優的轉輪，使之在高效率區域工作。做好其它預期參數的選擇，例如比轉速應根據國內外水輪機的實際設計制造水平和國內外同類電站已經運行電站的資料，結合電站的實際進行選擇；水輪機效率應根據國內外水輪機的實際設計制造水平和國外著名水輪機制造商對水輪機的效率指標綜合考慮。然后需要檢驗所選參數能否滿足要求，如出力、吸出高度、所選工作范圍等。

8 結語

總之，農村水電增效擴容改造設計中，如何實現電氣節能，除了電氣設計要考慮如何節能外，同時水機設計中水輪機的性能參數與運行參數如何匹配也是一個重要因素，只有綜合考慮，才能真正達到電氣節能的效果。

［1］林長茂.淺談清河水庫水電站工程電氣設備節能措施［J］.黑龍江水利，2016，（2）.

［2］熊光明，李小江.淺談中小型水電站水輪機技術改造［J］.中國高新技術企業，2015，（15）.

［3］曾玉好，崔永明，楊悅偉，等.水輪發電機增容改造［J］.東方電氣評論，2016，（3）.

Design and Application of Electric Energy Saving in the Transformation of Rural Hydro-electric Power Expansion

WU M ing-liang
（Hunan Polytechnic of Water Resources and Electric Power，Changsha，Hunan 410131，China）

This paper introduces the design principle ofenergy saving and consumption expansion transformation efficiency of rural hydropower design，describes the renovation ofmechanical and electrical equipment，reactive power compensation，reasonable selection of transmission linematerials and cross section，hydraulic turbine and generator，turbine performance parametersand operation parameters，and othermethods toachieve energy saving.

hydropowerstation；efficiency expansion；electric energy saving

F426.61

A

2095-980X（2017）05-0072-02

2017-04-18

湖南省水利水利科技項目，項目編號：湘水科技[2015]13-19。

吳明亮（1964-），男，湖南望城人，副教授，主要研究方向：機電技術應用等。