水電站電氣主接線優化設計

王晨曦

四川省水利水電勘測設計研究院有限公司 四川 成都 610000

引言

對于傳統水電站電氣主線路設計工作中，涉及的設計內容主要有短路分析、配電設備、無功補償、變壓器等，其中短路計算和設備的選取是傳統電氣設計模式下的重點任務，在傳統設計思路下，對于電氣主接線方式的了解不太深入，而在目前電力技術高速發展的背景下，電氣主接線已經成為一項新式的重要接線方式，在水電站電氣設計領域獲得了大范圍運用，同時也逐漸在實際水電建筑中發揮出越來越重要的作用，所以，在開展電氣設計時，應當對主接線設計進行重點關注，加強對其設計方案的優化調整。

1 小型水電站電氣主接線設計的注意事項

1.1 解決近區負荷的供電問題

水電站和火電廠之間存在一定差異，通常是一次建設完畢，后續不會進行擴建；而且水電站開機程序非常簡單，機組啟動速度較快，同時還較易實現自動化與智能化；和負荷中心間隔距離較遠，不存在較大的近區負荷，使用升高電壓運送電能，出線回路不多，大多數是調峰運作，啟停非常頻繁[1]；和火電廠與降壓變電所有所不同，通常不會預先留設出線回路；水電廠內所用電能負荷較低，通常不會從高壓側接線，而且備用廠用電源能夠由地區配電網或者是保留施工變電站提供；水電站大多修建在狹小的山區地帶，開關站往往不會作為分配或者是中轉電能的變電站，對于電氣主接線而言愈是簡單、清晰愈佳；處于相同河流上的梯級水電站或者是地理位置臨近的幾處水電站，電站相互間不僅存在電能的聯系，同時還在水方面存在聯系；水電站在進行電氣主接線設計過程中，需要合理解決近區負荷的供電需求。

1.2 過電壓保護和接地設計

過電壓保護與接地設計應當按照實際水電站工程情況進行設計。比如，在進行某一處小型水電站設計時，可采取下述方法實行過電壓保護與接地設計：①直擊雷保護。把避雷設備安裝在電站的屋頂處，再將接地扁鋼和地網進行連接，可以充分避免水電站受到直擊雷的危害，避雷帶要和尾水接地網進行連接。升壓站的直擊雷防護需要采取兩支高度為24m的避雷針作為保護，而且每一支避雷針都需要單獨設置。對于雷電侵入波的過壓保護，需要在升壓站35kV進線設置一道長度在1～2km左右的避雷線，將雷電沿著導線侵入的坡度控制在可承受的范圍內，讓經過避雷器的沖擊電流值不高于5kA。并且，為避免雷電波流至升壓站使得現場機械設備受到損壞，需要在35kV母線安裝一組氧化鋅Y5W-42/134型避雷裝置。因為雷電波能夠沿著110kV線路進行攻擊，所以需要在此線路中安裝避雷線，把浪涌保護裝置安裝在低壓配電柜中發揮出保護效果[2]。②接地。避雷接地主要是由垂直接地體與水平接地體構成，前者是由十條長度為2.5m的50×5的角鋼構成，后者則是由長度為30m的40×4扁鋼構成，且接地電阻值不得高于10Ω。神電站的工作節點則是由40×4的扁鋼水平接地體構成，在設備接地部位一同設置12條長度為2.5m的50×50角鋼垂直接地體，且接地電阻值不可超過4Ω。廠房主要是鋼筋砼結構，對于廠房基礎鋼筋和接地網應當進行連接處理。

1.3 微機監控綜合及自動化系統

按照小型水電站的基本狀況與滿足減少值班人員數量的需求，可主要使用計算機監控方式，并輔以常規監控，比如采取亞太公司研發的分層分布式結構的DZWX-2000水電站計算機監控系統，該系統主要構成包括上位機系統、當地控制模塊、水輪機操控系統、勵磁屏等。其中，上位機所涵蓋的設備有一臺監控主機、打印機以及可以持續使用的電源；當地控制模塊一共有6組，而機組當地控制模塊、水輪機調速裝置、可控硅勵磁設備各有2組。

首先，上位機和調度中心或者是信管系統之間的通信也采取SDT通信協議加以實現，或是可以按照實際需求將水電站的實時數據發送至辦公室或廠長個人終端；其次，監控主機能夠自動化地做好對水電站實時情況的收集、整理、監控、對于監控對象運行參數實行調整、發出警告以及意外事故的登記、遙控操作、水電站歷史信息查詢、報表匯總與處理，實時顯示出電站運作狀態與參數情況等；最后，危機自動控制系統需采取一機一屏的模式，將一次設備與二次設備組建成一整塊屏幕。而屏內一次設備主要有隔離刀開關裝置、自動空氣開關、電流/電壓互感裝置以及熔斷器等，二次設備不僅有微機測量、保護以及控制裝置，還要安裝一機一臺同期表[3]。

1.4 發電機斷路器的裝設方案

對于每一個發電機-變壓器單元的機端都需要安裝發電機出口斷路器，此項措施的優勢體現在：①②③安裝發電機斷路器之后，水電站同期能夠不在變壓器高壓端進行，而是能夠基于斷路器完成。若是使用220kVGIS斷路器，因為其并非是三相聯動，而在同期操作過程中存在出現單相或者是兩相拒動的概率，并且發電機斷路器屬于三相聯動，相間分合閘不同期時間較短，并不會產生單相或者是兩相拒動的問題，并且，在同期中只用率先操控一組13.8kV隔離開關便能夠做到同期操作，可以操作的設備數量不多，顯著降低了誤操作的概率。此外，GIS高壓斷路器使用壽命為分合閘總循環次數5000次不檢修與替換零部件，而根據《高壓交流發電機斷路器》GB/T 14824-2008中的相關規定，需要進行頻繁操作的發電機斷路器，其不檢修總操作次數可以為10000次。從此方面來看，發電機斷路器比較適合運用在需要頻繁操作的場合中。

2 水電站電氣主接線設計方案

2.1 發電機電壓側接線

主變壓器作為水電站運作期間的關鍵設備，技術人員應當按照水電站建設規模合理設置主變壓器的安裝數目，以建設較為普遍的中小型水電站為例，通常會設有2臺主變壓器，在此條件下，對于發電機電壓側接線方法主要包括下述幾種。

2.1.1 單母線與單母線分段接線。單母線接線方式最為突出的優勢便是接線流程十分簡單易行，不過也存在嚴重的缺陷，比如當母線出現故障，則為確保檢修人員的人身安全以及有關電氣機械設備的安全性，一般要求將水電站全部設備都停止運行，這樣就會對水電站的正常運作帶來影響。針對此問題，技術人員慢慢提出了單母線分段接線方式，即把母線之間通過并聯的形式加以連接，如果其中某一段母線出現了故障，則只用啟動備用線路便可使水電廠持續、穩定、安全運作，有效確保了線路運作的安全性，并且單母線分段接線方式具有各條線路連接十分清晰明了的特征，水電廠內不同電氣機械設備相互間的工作并不會因為故障而受到影響，極大程度上提高了電氣主接線設計的合理程度。

2.1.2 單元接線方式。也就是在主變壓器下分別接通2條直線，其中一條要求裝設廠用變壓器，另外一條要求裝設發電機組，采用線路分流的形式大幅提高了水電站主接線的穩定程度，有效確保了主變壓器和發電機的容量匹配性，充分減少了因為發電機運作而引起的連接線路受熱故障的問題發生，不過此時投資金額會有所提高，就實際使用角度考慮，單元連接的方式具有較高的應用價值。

2.1.3 擴大單元接線。將單元接線予以擴大，有效簡化了電氣結構，例如原本要求安裝兩臺主變壓器，而在此接線方式下，只用使用一臺主變壓器便可以完成對應的工作要求，即使有一臺主變壓器出現了故障，其他備用變壓器也會接替其位置發揮應有的作用，確保水電站持續穩定運行[4]。

2.2 升高電壓側的接線模式

一般而言，水電站的主變壓器會用到兩繞組變壓器，此種變壓器具有非常高的絕緣性以及耐高溫效果，尤其是在夏季高溫天氣時，居民用電量大幅提高，水電站所承受的載荷壓力比較高，采取繞組變壓器能夠有效減輕水電廠的運作壓力。而在采取升高電壓側接線方式期間，根據接線位置的差別，又可將其細分成下述幾種方式。

2.2.1 變壓器線路組接線。此種接線方式具有簡單易操作的特征，是通過采取外增倒流線路的措施來提高變壓器運作效率，相較于變壓器來說，連接導線的電阻整體上能夠忽略不計，因此有可能發生的變壓器短路故障再加之主接線電氣設計采取的圍單線路連接方式，在實行維修工作期間就必須將整個水電站都進行停電，所以許多水電站漸漸不再采取此種接線方法[5]。

2.2.2 單母線與單母線分段接線。不同于發電機電壓側接線方式，在升高電壓側單母線分段接線所花費的成本不高，并且在具體線路中所使用的電氣裝置數目和種類都非常單一，此種接線方法會導致同條母線承擔的電流/電壓值減小，適合使用的范圍較小。因此，在水電站具體開展電氣主接線設計工作時，技術工作人員可通過將某段母線和發電機組進行連接的措施來發揮出繼電保護的效果，并且，還能夠在母線周圍增設隔離開關，如果其中一段母線出現故障，則隔離開關便會發揮出相應的保護功能，充分防止在實行檢修維護期間出現斷電的情況。

2.2.3 橋形連接。有些水電站采取的是“兩進兩出”的形式，如果采用單母線和單母線分段接線的方法，由于兩回路間變壓器功率存在差異，所以，電氣主接線無法直接接通起來，如此便會導致水電站發電功率減小。但橋形連接可以很好地實現對功率的平衡調控，從而提高水電站內電氣主接線設計的合理、科學與穩定性。

3 結束語

綜上所述，水電站是當前國內電力能源的關鍵性生產方式之一，特別是隨著社會經濟的蓬勃發展，各行各業以及人們的日常生活都開始對電力資源有了更高的要求，水電廠承受的供電載荷大幅提高，加強對水電站電氣主接線的改進設計，可以大幅提高電力系統運作的安全和穩定程度，更好地滿足新時代背景下人們對于水電站電能供應的需求，使得水電站的安全程度和社會經濟效益一同提高，有助于帶動水電產業朝著新的發展階段邁進。