浅析中小型水电站的电气二次设计

柯贤安

（安康市水利水电土木建筑勘测设计院 陕西 安康 725000）

1 工程概况

田坝水电站位于汉中市镇巴县境内汉江南岸二级支流楮河下游，电站坝址位于田坝乡，距上游镇巴县48.5km，属引水径流式电站。电站安装2台单机容量为8MW和1台4MW共3台立轴混流式水轮发电机组，总装机容量20MW，多年平均发电量5228万kW·h，年利用小时数2500h。

本站安装三台立轴混流式水轮发电机组，总容量2×8000+1×4000kW。电站不考虑近区供电，仅以一回110kV出线与系统联网。6.3kV发电机母线采用单母线接线，110kV升高电压侧采用变压器——线路组接线，电站设置一台主变压器。

本电站厂用电源取自发电机电压母线，根据厂用负荷，初步确定厂用变容量为400kVA。为保证厂用电的可靠性，由电站近区引入一路10kV备用电源，设一台400kVA备用厂变，厂用电接线采用单母线接线，装设一套备用电源自动投入装置。田坝电站拟装设2台8MW加1台4MW混流式水轮发电机组，1台110kV双卷主变压器，110kV出线一回。

2 电气二次设计的主要内容及要求

2.1 计算机监控系统

完成对电站设备的自动监控和调节，主要包括：准确、及时地对整个电站设备运行信息进行采集和处理。对电站机组及主要机电设备进行实时监控，保证电站安全运行并实现电站运行与管理自动化。提高电力系统的安全经济运行水平，保证供电电能质量；改善运行人员的工作条件，减少值班人员，提高电站的运行管理水平；为电站逐步实现无人值班（少人值守）创造条件。

2.1.1 计算机监控系统结构

本电站计算机监控系统采用符合国际开放系统标准的分层分布结构，实现“无人值班、少人值守”的运行管理模式。计算机监控系统分为电站控制级和现地控制单元级两层，采用100Mb/S光纤以太网连接。电站控制级负责全站电气设备的实时控制及其运行状态监视，现地控制单元级负责对水轮发电机组、电气一次设备及公用设备等进行实时控制及监视，当电站控制级因故退出运行时，现地控制单元可以独立运行而不受影响。计算机监控系统要求能实现与调度、水情测报、泄洪闸门控制等系统的通讯。

2.1.2 计算机监控系统组成

计算机监控系统由电站控制级和现地控制单元级两层组成。

电站控制级包括两台主机兼操作员工作站（热备用）、一台远程通信工作站、一台网络终端打印服务器、一套GPS卫星时钟系统和一套在线式UPS等。

现地控制单元级以触摸屏和可编程控制器为核心设备组成，包括3套机组单元LCU、1套开关站及公用设备单元LCU。

2.1.3 计算机监控系统的功能

计算机监控系统主要功能包括：数据采集和处理、安全运行监视、实时控制和调节、事件顺序记录、打印记录、事故追忆、事故处理指导和恢复操作指导、系统通信、系统自诊断与自恢复、电站运行维护管理、系统授权管理等。

2.2 继电保护设计

发电机及励磁变压器、主变压器、110kV线路及厂用变保护均采用成熟、可靠的微机保护装置。保护装置内部有完整的自检功能。采取可靠的抗干扰措施，防止大气过电压和电磁波侵入装置内部造成元件损坏和保护误动，确保在电厂强电磁干扰下保护正确工作。保护装置具有同监控系统通讯的接口，便于与机组控制单元通信。

表1 田坝水电站电气二次主要设备表

2.3 励磁系统设计

（1）每台发电机、每台主变压器、110kV出线、每台厂用变各配置一块交流采样电量综合监测仪，测量该单元的所有电气量。

（2）每台发电机的励磁电压、励磁电流配置电量变送器，由励磁装置配套；另外，每台发电机的有功功率、无功功率、定子电压（单相）、主变低压侧6.3kV母线电压（单相）、0.4kV厂用电母线电压、220V直流母线电压、UPS电源交流电压、频率均分别配置电量变送器，由计算机监控系统配套。

（3）为了宏观监视方便以及作为计算机监控系统的备用，在中控室配置少量的常规电测仪表，采用数字式或指针式仪表。

2.4 控制电源系统

2.4.1 直流电源

电站设一套220V直流系统，作为全站电气控制、保护、操作、自动装置、事故照明等的直流电源。拟设一组免维护阀控防爆铅酸蓄电池，电池104只，容量为200AH。直流母线为单母线，母线上挂一组蓄电池和一套充电装置，并配置微机绝缘监测装置和蓄电池巡检装置。充电装置拟采用微机控制高频开关整流模块,采用N＋1冗余模式。

2.4.2 交流电源

本电站设置一组独立的10kVAUPS交流电源装置，装置不配带蓄电池。正常工作时，由交流220V厂用电供电，装置带无触点旁路开关，当UPS整流—逆变单元故障时，应能自动切换至交流旁路电源（经稳压），切换时间应不大于5ms；220V直流电源用作热备用，当交流电源中断时，无时限地切换至直流电源，并进行逆变，以确保交流输出不间断。

3 电气设备的主要布置

电站主厂房安装三台立式水轮发电机组，每台机组尾水侧布置四面机旁屏。副厂房设在主厂房进水侧，宽度6.6m，长度与主厂房相同。副厂房分为两层，一层为油处理室、空压机室等。二层布置6.3kV高压开关室、中央控制室及厂变室等。高压开关室安装开关柜、电压互感器柜及励磁变等，中控室布置有微机监控系统设备、保护测控屏柜、直流及厂用屏柜等。

电站回车场布置在厂房下游，变电站布置在回车场里侧，面积30m×16m，高程441.00m。变电站设备采用户外中型布置，站内安装一台主变、一台备用厂变以及110kV配电装置。

4 结语

电气二次接线设计一般用于对于一次系统实现测量、控制、信号、保护、自动及远程控制，其附属于一次回路，同时对一次设备进行控制、操作、监视和保护，以保证水电站、变电站水工、水文、水力机械和电气一次设备能安全可靠、经济合理运行。因此，二次设备在水电站的电气设计中作用重大，是保障电站正常运行，顺利地将水能变成电能并成功输送的基础，是水电站设计中不可忽视的部分。陕西水利