小型水電站電氣工程設計的實踐與探析

楊海潮

（上海勘測設計研究院有限公司，上海 200434）

1 小型水電站電氣設計的種類

1.1 小型水電站電氣的一次設計

小型水電站一次設計具有回路數少并且接線簡單的特點，在其設計過程中，主要包括3方面的內容。

（1）電氣主接線。電氣系統能夠在水電站中起到的作用是按照電氣一次設計的原則，在設計過程中還要考慮到水文氣象、動能的特性、構建規模、地形運輸條件以及接入系統的設計與布線等相關的因素，通過綜合考慮上述因素來進行相關設計。在電氣一次設計的主接線的設計過程中，需要在保證電氣質量和供電安全的基礎上來設計，并滿足用戶的實際需求。經濟以及技術也是電氣主接線需要考慮到的問題，在滿足這2個條件的基礎上，連接線路需要使用不同顏色，并且保證線路上的線與線之間具有合適的距離，避免線與線之間產生纏繞，這樣會導致電流間互相干擾，對電流的穩定性以及發電機的工作造成影響。

（2）發電機和主變壓器。在水電站一次設計中，發電機和主變壓器的連接方式上，最好選擇單一變組單元接線的方式，這是最合理的連接方式。為了保證發電機連接線出口的安全，在電氣一次設備的發電機上最好安裝斷路器，而且在發電機接地時，最好的方式是通過變壓器來接地，這樣能夠有效的防止發電機因受到強電壓的影響而燒壞。此外，值得注意的是，發電器和變壓器之間不能直接相連，二者需要通過離線封閉母線來進行連接。

（3）快速落門控制回路。在小型水電站中，通常設置進水口快速落門控制回路來保證機組的安全，這個回路的位置位于機組過速接點與手動閘門的接點上，主要包括兩種形式，分別是二次電纜通道和監控系統與大壩之間的光纖。其中二次電纜通路的主要作用是防止出現進水口快速落門的問題，在設置監控系統與大壩間的光纖時，材料的選擇十分重要，應用的光纖線圈內阻不能過高，否則會導致其在系統運行過程中容易發生霉斷。在水電站中，進水口快落門具有十分重要的作用，是保證發電機組的最后一道防線，因此其功能能否正常發揮、動作是否正確關乎到水電站機組的安全運行，是管理過程中的重點內容。

2 小型水電站電氣的二次設計

小型水電站電氣的二次設計主要包括計算機監控系統、繼電保護、勵磁系統、直流電源以及交流電源的設計。

2.1 計算機監控系統的設計

計算機監控系統能夠有效的提升小型水電站運行的安全性和可靠性，在小型水電站電氣二次設計中，此系統的主要功能是對水電站內部的設備實施有效監控，并且基于設備的實際運行情況來對其進行適當的調整。在監控系統的運行過程中，其能夠通過收集設備運行的數據信息，對其進行有效的分析，從而掌握設備的運行情況，當運行存在異常情況時，其就會及時對系統進行自我診斷和調節，保證水電站設備能夠安全穩定的運行，從而保障水電站運行的安全性。

通常在小型水電站中，主要采用開放系統標準的分層分布結構來作為主要的運行管理模式，計算機監控系統的工作主要基于單元級控制來實現，通過其進行設備的監管和控制工作。通過該方式能夠有效的對水電站設備進行管理和監控，并且有效的減少了水電站運行過程中的資源消耗，并提升了運行效率。在小型水電站中，水電站控制和現地控制是計算機監控系統控制的單元級的主要組成部分，其連接是通過以太網來完成，同時該系統還能夠和其它系統建立起通訊聯系，從而能夠同時實現設備狀態監控以及即時信息的共享，這在一定程度上也促進了計算機監控系統運行的可靠性和準確性。

2.2 繼電保護的設計

在小型水電站電氣設計中進行過電保護設計的主要目的是，為水電站中的重要設備提供可靠的機電保護，包括變壓器和水輪發電機組等，通過對這些設備進行有效的過電保護，有助于提升水電站運行的穩定性。在小型水電站中，進行有效的繼電保護設計，可以使繼電保護裝置擁有非常優異的自我檢測功能，從而能夠明確水電站內部重要元器件所受到的影響，并基于實際情況對這些元器件進行有效的保護。在繼電保護的設計過程中，通過繼電保護裝置的接口，還可以將繼電保護裝置和計算機監控系統進行有效的連接，使其能夠和計算機監控系統之間實現良好的通訊，通過這樣的方式能夠對水電站內部設備進行更好的保護，從而促進其更加穩定的運行。

2.3 勵磁系統的設計

勵磁系統的設計對于保證小型水電站的安全穩定運行，通過應用交流電量綜合檢測儀來對發電機、主變壓器和110kV出線等進行和合理的配置十分重要，通過這樣的方式能夠進一步增強小型水電站電氣二次設計的合理性。為了充分發揮出交流電量綜合檢測儀的作用，除了對目標單元的電氣量進行檢測之外，還需要明確發電機的勵磁電壓和勵磁電流等進行電量變送器的配置情況，從而使水電站能夠良好的運行。根據水電站發電機運行的實際情況和需求，明確是否進行發電機的功率、母線電壓、交直流電壓等電量變送器的配置工作。此外，為了能夠對勵磁裝置進行更好的宏觀控制，可以在中央控制系統中安裝數字電測儀，從而更好的保障小型水電站的運行。

2.4 直流電源的設計

小型水電站的直流系統設計可以采用220V直流電源，并輔以鉛酸蓄電池以及配套的充電設備，利用此為電氣設備的操作、照明和控制保護等提供直流電源。其中對于所應用的鉛酸蓄電池有一定的要求，需要其具備閥控、免維護、防爆等特點，以方便應用。通常情況下蓄電池組擁有200AH的容量，相應的充電裝置應使用“N+1”冗余模式進行開關控制。此外，蓄電池組以及充電裝置的安裝位置也需要注意，應裝在直流電源的母線之上，同時為了保證蓄電池組的安全，應做好電池巡檢以及絕緣監測等工作。

2.5 交流電源的設計

在小型水電站的交流電源的選擇上，可以應用1組 10kVA的UPS交流電源進行交流供電，同樣在裝置中也需要設置蓄電池。在正常工作的情況下使用交流220V進行場用供電，并應用無觸點旁路開關，而當UPS出現故障時，旁路卡關會自動進行交流電源的切換，從而保證水電站的正常供電。

3 小型水電站電氣設計過程中需要注意的問題

在小型水電站的電氣設計過程中，為了保證電氣系統的安全穩定運行，應注意以下幾方面的問題。其一，應注意選擇合適發電機中性點的接地方式，通常情況下會采用中性點直接接地的三相四線接線方式，這樣不僅能夠滿足變壓以及照明的要求，而且還會防止中性線中因電流過大而造成發電機的損壞。在有些時候發電機可以不引出中點線，因此可以直接應用三相三線的接線方式。其二，是一次電氣設備的選型以及布置的問題，由于小型水電站一般內部比較小，為了充分的利用空間，可以采取機旁現地布置的方法來布置機組控制保護屏、勵磁屏、低壓屏以及主變控制保護屏等設施。另外，可以應用室外中式桿上布置的方式來進行主變的布置，從而實現資源利用的最大化，降低成本。其三，是互感器的設置，設置電流互感器的目的是有效的保護變電站，而在進行斷電器配套的互感器設置時，應考慮到其穩定性不高且精度低、容量小的特點，對其進行單獨的設置。除了上述3方面應注意的問題外，水機自動化和發電機保護以及勵磁問題都應得到充分的關注，在選擇上針對小型水電站的實際特點來選擇恰當的方式，在保證其充分發揮功能的基礎上，降低成本，保證小型水電站的正常安全運行。

參考文獻：

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