水電站電氣設備安裝及調試關鍵技術分析與優化

摘要：本文對水電站電氣設備的安裝與調試過程中的關鍵技術進行了分析與優化，首先介紹了亞洲某國大型水電站項目中主要設備的安裝與調試過程，然后以發電機安裝為例，介紹了安裝方案和關鍵技術的分析，接著討論了水電站無水聯合調試、充水啟動試運行、電站接入電力系統這三個步驟的關鍵技術，最后針對發電機額定電流優化關鍵技術中存在的問題，提出了優化方法與策略，并評估了優化效果。

關鍵詞：水電站;電氣設備;安裝調試;優化技術

DOI：10.12433/zgkjtz.20233242

水電是一種被廣泛使用的清潔能源，在全球能源供應中起著重要作用。水電站作為水能利用的主要形式，具有自然資源可再生、經濟效益穩定、環境友好等優勢。在水電站的建設和運行過程中，電氣設備的安裝和調試是確保發電系統正常運行的關鍵環節。準確、高效的電氣設備安裝和調試可保證水電站安全穩定運行，能夠提高發電效率，減少故障停機時間，降低運維成本。因此，對水電站電氣設備的安裝和調試關鍵技術的研究與優化具有重要的現實意義和工程價值。

一、項目背景

本文依托亞洲某國水電站設備的安裝與調試項目加以說明與論證。該項目水庫在發揮灌溉用途的同時，也用于水力發電。該項目為3臺單機容量為470MW（0.9功率因數下522兆伏安）的水輪發電機組的安裝與調試。

本項目的目標是確保水電發電機組及其附屬設備的安裝調試，使其能夠滿足設計要求，并達到最佳的運行效果。水電站主要的電氣設備有發電機及其配套設備、變壓器、開關設備、控制系統等。

二、水電站電氣設備安裝

（一）安裝方案

水輪發電機設備的安裝是確保設備正常運行和與電力系統連接的關鍵環節。安裝過程一般可分為準備工作、設備安裝和驗收三個階段。

（1）準備工作：制定詳細的施工方案，確定安裝順序、工期和所需資源。確認發電機的型號和技術要求，制定安裝方案。準備起重設備、人員和所需工具。

（2）設備安裝：安裝發電機及其配套設備，包括主發電機定子、轉子、冷卻系統等，可確保主發電機基礎平整，并根據設計要求安裝定位。使用起重設備進行主發電機就位，確保安全、穩定。接線連接應根據電氣圖紙和接線要求，進行主發電機的接線。調試過程中需測量校正，確保發電機的電氣參數符合設計要求，以確保連接的準確性和可靠性。根據主發電機的重量和振動要求，設計和安裝固定支撐結構，以確保主發電機的穩定性和安全性。

（3）驗收：根據安裝驗收標準驗收，確保設備安裝質量達到設計要求。

（二）發電機安裝關鍵技術分析

發電機采用立軸半傘式結構，主軸與水輪機主軸通過法蘭連接，需要確保兩個軸的定位和對中。在安裝過程中，使用適當的定位工具和測量儀器，如指示器和千分尺，確定法蘭連接的對中度和軸向偏移量。

定子部分包括定子機座組圓、定子疊片、定子繞組下線、定子繞組接頭連接等。定子機座組圓是固定定子繞組的基礎，需要具有足夠的剛性和穩定性。在安裝過程中，需確保機座組圓的水平度和垂直度。定子疊片是定子繞組的支撐和絕緣層，在安裝過程中，要確保疊片的位置準確、層疊密實。定子繞組的下線需要正確連接到固定端子上，在安裝過程中，需要按照正確的接線圖和標志，將繞組下線正確導出，并固定在終端箱或接線盒上。定子繞組的接頭連接需要確保電氣導通和機械連接的可靠性。

轉子部分包括轉子支架組焊、磁軛疊片等。轉子支架的組焊是確保轉子穩定性和承載能力的關鍵。在組焊過程中，需要使用適當的焊接工藝和焊接材料，確保焊接質量良好，不出現焊接缺陷和裂紋。焊接點的布置和焊縫的大小需滿足設計要求和強度要求。磁軛疊片用于固定磁極，在安裝過程中，需要確保磁軛疊片的位置準確，不出現偏移或錯位。疊片之間的間隙應符合設計要求，以確保磁軛疊片與磁極的連接牢固，不影響磁場的穩定性。

三、水電站電氣設備調試

水電站電氣設備調試過程一般包括發電單元設備的無水聯合調試、充水啟動試運行和電站接入系統調試三部分。

（一）無水聯合調試

無水聯合調試是在各單項設備安裝、調試完成后，通過計算機監控系統對機組和相關設備以及電氣設備進行控制的聯合調試。

（1）正常開停機流程調試和模擬事故流程調試：首先要對發電機的正常開停機流程進行調試，確保機組能夠按照規定的程序啟動和停機。同時，模擬事故流程調試，以驗證機組在發生異常或事故情況下的應對能力和保護措施。

（2）與機組調速器系統、勵磁系統、保護系統及進水口工作閘門、機組自動化元件、技術供水系統等聯調：這個聯調過程主要是確保機組的調速器、勵磁、保護系統等各個組成部分能與計算機監控系統無縫對接，以實現機組的自動化操作和保護功能。

（3）與開關站設備（包括斷路器同期等）聯調：確保機組與開關站設備的安全聯鎖和操作互鎖，需要測試機組和開關站設備之間的通訊和控制，以保證機組的運行不會影響或受開關站設備的干擾。

（4）測量裝置（電量與非電量）校驗：測量裝置的校驗是為了確保機組和相關設備的監測和計量功能的準確性和可靠性，包括電量測量裝置（如電能表）和非電量測量裝置（如壓力傳感器、溫度傳感器等）的校準和校驗工作。

（二）充水啟動試運行

充水啟動試運行是調試階段水輪發電機組的重要環節，具體包括空載試驗、主變壓器、高壓配電裝置試驗、水輪發電機組并列及負荷試驗。

在空載試驗中，需要按照部署操作。例如，在機組空轉運行下，進行調速系統的調整試驗，包括調整調速器的靈敏度、增益、運行參數等，以確保機組能在不同負荷變化時快速、穩定地調整轉速。通過模擬機組超過額定轉速的運行狀態，進行過速試驗和檢查，檢查機組過速時各部件的可靠性和穩定性，確保機組能在過速的情況下正常運行并保持安全。進行機組動平衡試驗，通過調整轉子的質量分布，消除或減小機組在運行時的振動和不平衡力，提高機組的運行平衡性和穩定性。

主變壓器與高壓配電裝置試驗的調試技術包括短路升流試驗、主變繼電保護試驗、遞升加壓試驗、沖擊合閘試驗等。例如，短路升流試驗是檢測主變壓器的電流和繼電保護功能的方法。通過在主變低壓側接入短路極，逐步升流到額定負荷電流的一定比例（通常為50%、75%和100%），檢測主變電流和繼電保護的動作情況。遞升加壓試驗是為了檢查一次設備的工作情況、主變電壓和同期回路的電壓相序、相位正確性。試驗過程中遞升電壓至標稱電壓的一定比例（通常為10%、50%和100%），同時觀察和記錄一次設備和電壓回路的工作情況和參數。

水輪發電機組并列及負荷試驗的調試技術主要包括并列試驗和負荷試驗。在并列試驗中，將多臺水輪發電機組聯接在同一電網上，通過同步操作實現發電機組的并列運行。例如，根據不同發電機組的性能曲線和發電機組計劃出力，確定各發電機組的功率分配比例，實現合理的并列運行。通過調整發電機組調速系統中的同頻調速系數，確保各發電機組的軸頻率相同，以便實現穩定的并列運行。負荷試驗用于驗證發電機組在額定負荷下的性能和運行穩定性。例如，通過調節機組負荷設定，使發電機組輸出額定負荷，確保機組能夠穩定運行。監測和記錄發電機組在負荷試驗過程中的各項參數，如輸出電壓、電流、頻率等，可評估機組的性能和穩定性。根據試驗結果，對發電機組的調速系統和勵磁系統進行調整和優化，以提高機組的負荷調整能力和穩定性。負荷試驗通過逐步增加有功負荷，檢查機組在加負荷時有無振動區，測量振動范圍及量值，進行補氣試驗。同時，進行帶負荷下調速系統試驗、勵磁系統試驗、定子/轉子一點接地試驗。在帶負荷試驗中，還將進行突變負荷試驗。甩負荷試驗應分別在25%、50%、75%、100%機組最大運行負荷下進行。受初期運行水頭的限制，機組的最大運行負荷按當時的具體情況確定。水輪發電機組甩負荷時，應檢查調速系統動態調節性能，校核導葉接力器緊急關閉時間、蝸殼水壓上升率和機組轉速上升率、自動勵磁調節器的穩定性和超調量等，使其均滿足設計要求。

（三）電站接入電力系統調試

首先，調試通信，檢查光纖通道，確保所有光纖通道與對側調試均正常，通道及通信指標符合要求。

其次，進行變電站升流試驗。主要涉及CT（電流互感器）二次極性的檢查以及各電流回路接線的驗證。在升流試驗中，與對側相連的CT二次回路的極性應互相匹配，以確保相對相位準確無誤。在升流試驗中，驗證母線、變壓器、斷路器保護以及線路保護的電流回路接線。

再次，進行變電站升壓試驗。升壓試驗前，需要準確核對開關站內接線與系統接線的相序，確保相序一致。通過對開關站內接線圖和系統接線圖的對比，逐一核對各個設備和電纜的相序。對開關站內的接線進行目視檢查，確保實際接線與接線圖一致，且相序正確。零起升壓試驗是為了驗證開關站內CVT和PT二次回路接線的正確性。升壓試驗前，將所有接入測量設備的回路斷開，確保只有開關站內CVT和PT二次回路接入。通過電源施加測試電壓（通常為標稱值的10%或20%），確保電壓穩定。

最后，額定電壓下沖擊合閘試驗主要涉及變壓器和電抗器的操作。根據設備額定電壓，確定合適的測試電壓。通過控制系統，施加額定電壓下的沖擊電壓。在進行電抗器試驗時，需要發出5次沖擊信號。觀察合閘試驗效果，并評估設備的運行情況，確保設備在額定電壓下的沖擊合閘操作正常。試驗后，需要進行合閘試驗結果的評估，評估的目的是驗證設備的可靠性和穩定性。

四、發電機額定電流調試技術優化

（一）技術優化方法

本研究對該項目發電機參數調整進行了優化。根據工作要求，進一步調整和優化設備參數，如電流、響應時間等。根據負載需求和設備運行特性，調整發電機的額定電流。如果負載需要更高的電流輸出，則將額定電流調整為更適合的值。

通過調整發電機的勵磁電流或勵磁電壓，改變發電機輸出電流的上限和下限。如果發電機的溫度上升導致額定電流受限，可以考慮增加通風冷卻設備，以增強散熱效果。設置額定電流保護裝置，當發電機電流超過預設的上限或下限時，及時觸發保護裝置，避免過載或其他問題發生。通過綜合考慮發電機組的電流輸出和其他發電機組的運行特性，合理調度發電機組，以最大限度地滿足負載需求，保證發電機安全運行。

（二）優化結果分析

本文對該項目發電機優化前后進行了電流的測試。在發電機設備中引入閉環控制方法，監測發電機輸出電流，并根據反饋信號進行調整。根據負載設備的反饋信息，通過控制電流調節器的增益和工作模式，實現更精確的電流調整和穩定控制。根據性能指標的選擇，優化后的電流響應特性更接近預期的負載需求，并能更好地適應該負載，優化前后的結果如圖1所示。

五、結語

本文討論了水電站電氣設備安裝與調試過程中的關鍵技術，介紹了發電機的合理安裝方案設計。在調試階段，對發電機進行準確測量與校正、合理調整與優化參數，以實現其高效運行和性能優化。通過發電機額定電流調整優化的關鍵技術，使發電機的額定電流更好地適應負載變化，為負載設備提供穩定的電能輸出。本研究可為水電站電氣設備安裝和調試提供可行的方案參考，以期對水電行業的可持續發展有所助益。

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