初探中小型水电站的电气二次设计

何静　余祥琪

摘 要：中小型水电站电气设备种类复杂，涉及许多方面的问题。结合中小型水电站的运行状况，简单介绍了中小型水电站的电气二次设计概况，并从中总结出了其设计思路。

关键词：中小型水电站；电气设备；二次设计；变压器

中图分类号：TV734.2；TV742 文献标识码：A 文章编号：2095-6835（2014）14-0054-02

中小型水电站是将流动的水能转化为电能的大型工程。水电站主要是通过水库将泄水引入水电站引水系统中，用泄水来提高机组的动力，让机组可以正常运行，将水能转化为电能，并将电能输入到发电厂，为工业发展和居民生活提供基础用电。

1 工程概况

某市一座引水径流式水电站共有3台水轮发电机组，均为立轴混流式电机，其容量分别为8 MW、8 MW、4 MW，总计20 MW，年均发电时长约2 500 h，年均发电量约5 ×107 kW·h。采用“变压器-线路组”方式对110 kV升高电压侧进行接线，并将其出线连接至电网系统，水电站本身不为附近地区供电。

该水电站常用的电源为发电机电压母线，根据厂用负荷可确定其容量负荷为400 kVA，可以确保水电站的用电需求。将1台400 kVA的发电机作为备用，采用单母线连接、装设1套备用电源自动投入装置。该水电站拟装2台8 MW加1台混流式水轮发电机组和1台110 kV的双卷主变压器。

2 电气二次设计的主要内容与要求

2.1 计算机监控系统

计算机监控系统的主要功能是监控水电站中的相关设备，并根据监控内容作出相应的调节。具体工作方式为：采集水电站设备运行时的数据信息，并进行分析；根据分析结果判断设备的运行状况，确保设备安全运行。当设备出现异常运行情况时，系统要进行自我诊断，并自动调节，系统会记录异常状态的全过程。

该水电站采用的是开放系统标准的分层分布结构，这种运行管理模式在一定程度上减少了值班人员，节省了人力资源成本。计算机监控系统依靠控制单元级对各种设备进行监管、控制，控制的单元级共有两层，分别为水电站控制和现地控制，两层控制单元级之间用以太网进行光纤连接。其中，水电站控制面向的对象是所有的电气设备，现地控制面向的对象是水轮发电机组、公共设备等。另外，计算机监控系统还能够与其他系统（比如水情观测系统、调度系统等）建立通讯，实现设备运行状态的信息共享。图1为该水电站电气二次设计图。

2.2 继电保护设计

该设计主要是为了给水电站中的重要设备提供继电保护，比如水轮发电机组、变压器、110 kV线路等。设计的保护装置内部拥有自检功能，能够检测水电站的重要元器件是否受到了电磁干扰，并作出相应的保护。保护装置设计了一个能够与监控系统连接的接口，实现了保护装置与机组控制单元之间的通讯。

2.3 励磁系统设计

在水电站的励磁设计中，需要为每台发电机、主变压器和110 kV出线配置1块交流电量综合检测仪。该检测仪能够检测目标单元的电气量，从而决定是否需要为发电机的励磁电压、励磁电流等配置电量变送器。另外，发电机的功率（有功功率、无功功率）、母线电压（220 V）、交流电压（UPS电源）等是否需要配置电量变送器，这要由发电机的实际需求来决定。同时，在中央控制系统中安装一些数字电测仪，方便对励磁装置进行宏观监控。

2.4 直流电源设计

将水电站的直流系统设计成220 V的直流电源，并为电气设备的操作、控制、保护、照明等装置进行直流供电。另外设计1组（104只）铅酸蓄电池和1套充电装置，要求蓄电池具有阀控、免维护、防爆等特性。蓄电池组的容量为200 AH，要求充电装置采用“N+1冗余模式”进行开关控制。将蓄电池组与充电装置安装在直流电源的母线上，并做好绝缘监测和电池巡检工作。

2.5 交流电源设计

该水电站采用的是1组10 kVA的UPS交流电源装置，装置中不需要设置蓄电池。当水电站正常运作时，由交流220 V厂用供电，使用无触点旁路开关，如果USP的逆变单元发生故障，旁路开关能够自动切换交流电源。当交流电源中断时，作为备用电源——220 V直流电源可以随时切换，并进行逆变，确保水电站的供电安全。

3 主要电气设备的布置

该水电站的主厂房采用的是3台立式水轮机组，在每台机组的四周设置屏幕保护，副厂房在主厂房旁边，与主厂房的面积大小相同。副厂房又分为空压机室和油处理室2层。副厂房采用的是6.3高压开关室和中央控制室。将开关柜和电压互感器柜等安装在高压开关室中，并将微机监控系统的相关设备安装在中央控制室中，这样能够有效保护测控屏柜。

在厂房下游区域布置电站回车场，并在回车场靠内一侧布置变电站，面积约为500 m2，高程420.21 m，变电设备采用户外中型布置，站内安装1台主变压器和1台备用的110 kV配电装置。

4 结束语

综上所述，中小型水电站的二次设计对整个电站的安全、平稳运行至关重要。电气二次接线设计通常用于对一次系统的测量控制和信号保护，二次设计对一次设备进行监控和保护是确保水电站正常运行的基础。文中提到的计算机监控系统、继电保护设计、励磁系统设计、控制电源设计和交流电源设计等，都为中小型水电站的电气二次设计提供了必要的参考。

参考文献

[1]柯贤安.浅析中小型水电站的电气二次设计[J].陕西水利，2011（4）：101-102.

[2]张羽进.中小型水电站电气设计的探讨[J].河南水利与南水北调，2012（12）：23-24.

[3]朱冠廷，黄天东，陈吉祥，等.湖北三里坪水电站电气二次设计[J].人民长江，2013，44（20）：68-71.

〔编辑：白洁〕

Abstract： types of electrical equipment for small and medium hydropower complex， involving many aspects of the problem. Combined operating conditions for small and medium hydropower stations， a brief overview of the secondary electrical design for small and medium hydropower stations， from which summed up their design ideas.

Key words： small and medium hydropower stations； electrical equipment； secondary design； transformer

摘 要：中小型水电站电气设备种类复杂，涉及许多方面的问题。结合中小型水电站的运行状况，简单介绍了中小型水电站的电气二次设计概况，并从中总结出了其设计思路。

关键词：中小型水电站；电气设备；二次设计；变压器

中图分类号：TV734.2；TV742 文献标识码：A 文章编号：2095-6835（2014）14-0054-02

中小型水电站是将流动的水能转化为电能的大型工程。水电站主要是通过水库将泄水引入水电站引水系统中，用泄水来提高机组的动力，让机组可以正常运行，将水能转化为电能，并将电能输入到发电厂，为工业发展和居民生活提供基础用电。

1 工程概况

某市一座引水径流式水电站共有3台水轮发电机组，均为立轴混流式电机，其容量分别为8 MW、8 MW、4 MW，总计20 MW，年均发电时长约2 500 h，年均发电量约5 ×107 kW·h。采用“变压器-线路组”方式对110 kV升高电压侧进行接线，并将其出线连接至电网系统，水电站本身不为附近地区供电。

该水电站常用的电源为发电机电压母线，根据厂用负荷可确定其容量负荷为400 kVA，可以确保水电站的用电需求。将1台400 kVA的发电机作为备用，采用单母线连接、装设1套备用电源自动投入装置。该水电站拟装2台8 MW加1台混流式水轮发电机组和1台110 kV的双卷主变压器。

2 电气二次设计的主要内容与要求

2.1 计算机监控系统

计算机监控系统的主要功能是监控水电站中的相关设备，并根据监控内容作出相应的调节。具体工作方式为：采集水电站设备运行时的数据信息，并进行分析；根据分析结果判断设备的运行状况，确保设备安全运行。当设备出现异常运行情况时，系统要进行自我诊断，并自动调节，系统会记录异常状态的全过程。

该水电站采用的是开放系统标准的分层分布结构，这种运行管理模式在一定程度上减少了值班人员，节省了人力资源成本。计算机监控系统依靠控制单元级对各种设备进行监管、控制，控制的单元级共有两层，分别为水电站控制和现地控制，两层控制单元级之间用以太网进行光纤连接。其中，水电站控制面向的对象是所有的电气设备，现地控制面向的对象是水轮发电机组、公共设备等。另外，计算机监控系统还能够与其他系统（比如水情观测系统、调度系统等）建立通讯，实现设备运行状态的信息共享。图1为该水电站电气二次设计图。

2.2 继电保护设计

该设计主要是为了给水电站中的重要设备提供继电保护，比如水轮发电机组、变压器、110 kV线路等。设计的保护装置内部拥有自检功能，能够检测水电站的重要元器件是否受到了电磁干扰，并作出相应的保护。保护装置设计了一个能够与监控系统连接的接口，实现了保护装置与机组控制单元之间的通讯。

2.3 励磁系统设计

在水电站的励磁设计中，需要为每台发电机、主变压器和110 kV出线配置1块交流电量综合检测仪。该检测仪能够检测目标单元的电气量，从而决定是否需要为发电机的励磁电压、励磁电流等配置电量变送器。另外，发电机的功率（有功功率、无功功率）、母线电压（220 V）、交流电压（UPS电源）等是否需要配置电量变送器，这要由发电机的实际需求来决定。同时，在中央控制系统中安装一些数字电测仪，方便对励磁装置进行宏观监控。

2.4 直流电源设计

将水电站的直流系统设计成220 V的直流电源，并为电气设备的操作、控制、保护、照明等装置进行直流供电。另外设计1组（104只）铅酸蓄电池和1套充电装置，要求蓄电池具有阀控、免维护、防爆等特性。蓄电池组的容量为200 AH，要求充电装置采用“N+1冗余模式”进行开关控制。将蓄电池组与充电装置安装在直流电源的母线上，并做好绝缘监测和电池巡检工作。

2.5 交流电源设计

该水电站采用的是1组10 kVA的UPS交流电源装置，装置中不需要设置蓄电池。当水电站正常运作时，由交流220 V厂用供电，使用无触点旁路开关，如果USP的逆变单元发生故障，旁路开关能够自动切换交流电源。当交流电源中断时，作为备用电源——220 V直流电源可以随时切换，并进行逆变，确保水电站的供电安全。

3 主要电气设备的布置

该水电站的主厂房采用的是3台立式水轮机组，在每台机组的四周设置屏幕保护，副厂房在主厂房旁边，与主厂房的面积大小相同。副厂房又分为空压机室和油处理室2层。副厂房采用的是6.3高压开关室和中央控制室。将开关柜和电压互感器柜等安装在高压开关室中，并将微机监控系统的相关设备安装在中央控制室中，这样能够有效保护测控屏柜。

在厂房下游区域布置电站回车场，并在回车场靠内一侧布置变电站，面积约为500 m2，高程420.21 m，变电设备采用户外中型布置，站内安装1台主变压器和1台备用的110 kV配电装置。

4 结束语

综上所述，中小型水电站的二次设计对整个电站的安全、平稳运行至关重要。电气二次接线设计通常用于对一次系统的测量控制和信号保护，二次设计对一次设备进行监控和保护是确保水电站正常运行的基础。文中提到的计算机监控系统、继电保护设计、励磁系统设计、控制电源设计和交流电源设计等，都为中小型水电站的电气二次设计提供了必要的参考。

参考文献

[1]柯贤安.浅析中小型水电站的电气二次设计[J].陕西水利，2011（4）：101-102.

[2]张羽进.中小型水电站电气设计的探讨[J].河南水利与南水北调，2012（12）：23-24.

[3]朱冠廷，黄天东，陈吉祥，等.湖北三里坪水电站电气二次设计[J].人民长江，2013，44（20）：68-71.

〔编辑：白洁〕

Abstract： types of electrical equipment for small and medium hydropower complex， involving many aspects of the problem. Combined operating conditions for small and medium hydropower stations， a brief overview of the secondary electrical design for small and medium hydropower stations， from which summed up their design ideas.

Key words： small and medium hydropower stations； electrical equipment； secondary design； transformer

摘 要：中小型水电站电气设备种类复杂，涉及许多方面的问题。结合中小型水电站的运行状况，简单介绍了中小型水电站的电气二次设计概况，并从中总结出了其设计思路。

关键词：中小型水电站；电气设备；二次设计；变压器

中图分类号：TV734.2；TV742 文献标识码：A 文章编号：2095-6835（2014）14-0054-02

中小型水电站是将流动的水能转化为电能的大型工程。水电站主要是通过水库将泄水引入水电站引水系统中，用泄水来提高机组的动力，让机组可以正常运行，将水能转化为电能，并将电能输入到发电厂，为工业发展和居民生活提供基础用电。

1 工程概况

某市一座引水径流式水电站共有3台水轮发电机组，均为立轴混流式电机，其容量分别为8 MW、8 MW、4 MW，总计20 MW，年均发电时长约2 500 h，年均发电量约5 ×107 kW·h。采用“变压器-线路组”方式对110 kV升高电压侧进行接线，并将其出线连接至电网系统，水电站本身不为附近地区供电。

该水电站常用的电源为发电机电压母线，根据厂用负荷可确定其容量负荷为400 kVA，可以确保水电站的用电需求。将1台400 kVA的发电机作为备用，采用单母线连接、装设1套备用电源自动投入装置。该水电站拟装2台8 MW加1台混流式水轮发电机组和1台110 kV的双卷主变压器。

2 电气二次设计的主要内容与要求

2.1 计算机监控系统

计算机监控系统的主要功能是监控水电站中的相关设备，并根据监控内容作出相应的调节。具体工作方式为：采集水电站设备运行时的数据信息，并进行分析；根据分析结果判断设备的运行状况，确保设备安全运行。当设备出现异常运行情况时，系统要进行自我诊断，并自动调节，系统会记录异常状态的全过程。

该水电站采用的是开放系统标准的分层分布结构，这种运行管理模式在一定程度上减少了值班人员，节省了人力资源成本。计算机监控系统依靠控制单元级对各种设备进行监管、控制，控制的单元级共有两层，分别为水电站控制和现地控制，两层控制单元级之间用以太网进行光纤连接。其中，水电站控制面向的对象是所有的电气设备，现地控制面向的对象是水轮发电机组、公共设备等。另外，计算机监控系统还能够与其他系统（比如水情观测系统、调度系统等）建立通讯，实现设备运行状态的信息共享。图1为该水电站电气二次设计图。

2.2 继电保护设计

该设计主要是为了给水电站中的重要设备提供继电保护，比如水轮发电机组、变压器、110 kV线路等。设计的保护装置内部拥有自检功能，能够检测水电站的重要元器件是否受到了电磁干扰，并作出相应的保护。保护装置设计了一个能够与监控系统连接的接口，实现了保护装置与机组控制单元之间的通讯。

2.3 励磁系统设计

在水电站的励磁设计中，需要为每台发电机、主变压器和110 kV出线配置1块交流电量综合检测仪。该检测仪能够检测目标单元的电气量，从而决定是否需要为发电机的励磁电压、励磁电流等配置电量变送器。另外，发电机的功率（有功功率、无功功率）、母线电压（220 V）、交流电压（UPS电源）等是否需要配置电量变送器，这要由发电机的实际需求来决定。同时，在中央控制系统中安装一些数字电测仪，方便对励磁装置进行宏观监控。

2.4 直流电源设计

将水电站的直流系统设计成220 V的直流电源，并为电气设备的操作、控制、保护、照明等装置进行直流供电。另外设计1组（104只）铅酸蓄电池和1套充电装置，要求蓄电池具有阀控、免维护、防爆等特性。蓄电池组的容量为200 AH，要求充电装置采用“N+1冗余模式”进行开关控制。将蓄电池组与充电装置安装在直流电源的母线上，并做好绝缘监测和电池巡检工作。

2.5 交流电源设计

该水电站采用的是1组10 kVA的UPS交流电源装置，装置中不需要设置蓄电池。当水电站正常运作时，由交流220 V厂用供电，使用无触点旁路开关，如果USP的逆变单元发生故障，旁路开关能够自动切换交流电源。当交流电源中断时，作为备用电源——220 V直流电源可以随时切换，并进行逆变，确保水电站的供电安全。

3 主要电气设备的布置

该水电站的主厂房采用的是3台立式水轮机组，在每台机组的四周设置屏幕保护，副厂房在主厂房旁边，与主厂房的面积大小相同。副厂房又分为空压机室和油处理室2层。副厂房采用的是6.3高压开关室和中央控制室。将开关柜和电压互感器柜等安装在高压开关室中，并将微机监控系统的相关设备安装在中央控制室中，这样能够有效保护测控屏柜。

在厂房下游区域布置电站回车场，并在回车场靠内一侧布置变电站，面积约为500 m2，高程420.21 m，变电设备采用户外中型布置，站内安装1台主变压器和1台备用的110 kV配电装置。

4 结束语

综上所述，中小型水电站的二次设计对整个电站的安全、平稳运行至关重要。电气二次接线设计通常用于对一次系统的测量控制和信号保护，二次设计对一次设备进行监控和保护是确保水电站正常运行的基础。文中提到的计算机监控系统、继电保护设计、励磁系统设计、控制电源设计和交流电源设计等，都为中小型水电站的电气二次设计提供了必要的参考。

参考文献

[1]柯贤安.浅析中小型水电站的电气二次设计[J].陕西水利，2011（4）：101-102.

[2]张羽进.中小型水电站电气设计的探讨[J].河南水利与南水北调，2012（12）：23-24.

[3]朱冠廷，黄天东，陈吉祥，等.湖北三里坪水电站电气二次设计[J].人民长江，2013，44（20）：68-71.

〔编辑：白洁〕

Abstract： types of electrical equipment for small and medium hydropower complex， involving many aspects of the problem. Combined operating conditions for small and medium hydropower stations， a brief overview of the secondary electrical design for small and medium hydropower stations， from which summed up their design ideas.

Key words： small and medium hydropower stations； electrical equipment； secondary design； transformer