水电站增效扩容电气设计问题及措施

杨敏

（隆昌县石盘滩水电管理站四川内江　641000）

水电站增效扩容电气设计问题及措施

杨敏

（隆昌县石盘滩水电管理站四川内江641000）

伴随我国经济的飞速发展，人们生活水平的不断提升，增效减排也已成为目前水利开发的新趋势。早期我国设计的水电站，水工建筑和输电线路及机电设备等严重老化，存在较大安全隐患与缺陷。在对水电站进行增效扩容的改造时，电气设备及水轮发电机等电气的合理设计是增效扩容的关键，往往却未得到充分重视。若发电机于电气设备无法适应于水轮机的增效扩容，将会对电站的安全可靠性及经济运行造成隐患，从而难以实现增效扩容的真正意义。本文主要探讨了水电站增效扩容时电气设计改造应注重的关键性问题，并提出了相应措施。

水电站；增效扩容；电气设计；措施

引言

当前，我国水利事业的优化转变在不断进行，且新型水利建设工程也促使地方性水利发展呈现多样化趋势，使早期单一运行系统功能状态得到改善。同时，发电机组所承载负荷量也持续升高，这对水电系统提出更新要求。目前，我国水电站所配套的辅机设备与高低压配电设施、直流及控制保护等一、二次电气设备技术较为落后，且设备老化陈旧，故障多、能耗高，多数设备已属我国明令淘汰产品，备件与备品已无处购置，设备整体自动化度较低。因此，发电机组的增效扩容是改扩建水电站不可或缺的措施，发电机组的运行优化利于一体化去调控水电资源。所以，水电站根据社会发展的需要，以建立水电站增容的科学可行方案。

1　开展水电站增效扩容的重大意义

对于我站而言，其已经建成运行20多年，在电站内原配置机组设施、保护体系、自动化的控制系统以及高压配变等设备和引水发电体系都将出现程度不同的老化状况，已难以满足电网和社会经济发展的需求，存有诸多安全隐患问题，以致高压设备频频发生故障，降低运行效率，且维护运行成本提高，不能满足电站稳定运行与安全生产的要求，所以必须全面进行改造更新。此外，由实际运行状况也能表明水电站的机组设计与选型不适宜，已对水电站发电效益造成影响，水电站发、变电设备老化陈旧已无法继续运行下去。所以，鉴于此，实施增效扩容便显得非常必要，所以要尽快制订水电站增效扩容的改造方案且尽早开展实施。对电站全面实施增效扩容，不但能巩固当前水力的发电性能，还能使电站的装机容量和发电量得到扩大，这对节能减排及能源可再生发展的实现意义重大。

2　水电站增效扩容电气设计中所应注重的问题分析

2.1技术方面

水轮机是水电站动能与水能的转换平台，且能量转换的技术水平决定了总体的系统发电能力。我国水电站多数建于20世纪90年代之前，并随着时间推移，根据当时建设水电的技术水平与特殊历史背景，对水轮机的技术相对比较落后，且运行指标难以满足需要，效率低，发电能力比较滞后。现例举小中型水电站，根据统计，我国现有小中型水电站约45000多座，总发电机组约81000多台，但水电站的水轮机效率相对较低，严重影响了对水能资源有效利用，同时也使水电站经济效益受到影响。

2.2选型方面

因地区条件差异，使我国各地水电站的水轮机水平技术不一，且水轮机发电效率和所选机组型号存有较大关联。上世界末，我国经济技术落后，对水电站发电机组的选型无法较好的和流域水能所蕴藏量相匹配，使水能未获得充分性的利用，而伴随当今经济的飞速发展，用电荷载量的日益增高，以及区域电网的互联和电站装机总容量的适时增大，然而都没有依据理论对蕴藏量进行一次性到位的开发。例如我站，其在建设初期是由水轮泵改造的的装机设计为3×200kW，然而1986年为了满足对用电的需求，将装机扩建容量进行改造成2×1670kW，1996年供电已扩增，经技改后其装机总容量变成5×1670kW。

2.3状态方面

水轮机的工作状态客观反映了整个水电生产体系，发电机组的工作效率准则严格制约着电站产出能力。影响水轮机组状态的决定因素十分复杂，和机组产品生产质量、电站结构的设计、配电运作环境以及使用年限较久等密切相关，其中最关键的为水轮机的效率。例如，发电机组长时期处在高负荷工作条件下，内部配件的磨损状况加重，从而降低了发电站里水轮机组的效率，造成能量被部分浪费，进而导致发电生产指标降低，并引起设备的高故障率。

2.4环境方面

大部分中小水电站建于较偏远地区，如郊区、山区等适于水力发电的场所。由于自然条件在不断改变，且水轮发电机组的投运时间相对较长，使得自然气候条件与地质条件给水轮机结构造成了明显破坏。据测试可得，使用水轮机超过一定期限，其转子、定子、轴承和端盖等结构将遭受程度不同的磨损，从而机组能量转换工作效率会有显著变化，可使发电量幅度降低10～ 20%，进而增大了水电站的发电成本消耗。

3　水电站增效扩容电气设计的相应措施分析

3.1发电机整体更新设计

对水电站进行增效扩容，其最简单方法便是维持机座和转速的不变，并保持埋入部件原有状态，然后根据全新设计进行整体更新。因发电机存在较多部件，影响出力与效率的因素也较多，例如发电机上定子的铁心、绕组和转子绕组，以及推动轴承、通风冷却设施等。对于发电机组是否要整体更换需进行综合论证与分析。所以，需深入现场对发电机运行情况进行详细了解，并了解电站投产时参数的设计、技术水平以及历年来的严重事故、维修与改造情况等，和运行人员共同论证分析，并按照增效扩容需要，利用全面检测以对水轮机组是要局部改造还是要整机更换进行确定。为确保水电站安全运行，需对发电机进行整体更换时，要按目前先进技术来展开制造与设计。

3.2定子绕组与转子绕组设计改造

在对发电机进行增效扩容时，需要保持机组增容后转速不变，所以也要维持发电机的极对数不变。要达到增容目的，还必须对原来定子绕组实施改变，对绕组线规进行增大，减小绕组的电阻，以使得绕组电阻的发热总量低于原绕组。并且绝缘工艺也需改变，绝缘等级由B级提高至F级，选用新型耐高压、介质耗损低的绝缘性材料，使绝缘厚度减小，从而为线规增大预留空间，并且机组温升控制于B级绝缘所允许极限温度之内，电气各项安全指标均要符合设计需要，以确保机组运行安全可靠。因发电机转、定子绕组制造设计时均有一定裕量预留，通常机组在增容10～15%范围内时，可不变动转、定子绕组。若机组有较大增容幅度时，须按照扩容幅度大小，经过计算以对所需匝数和绕组的截面积进行确定，以更换转子绕组与定子绕组。

3.3定子铁心设计改造

定子铁心发生故障几率较低，其更换与否需进行分析判断和检测。对于运行年限已达报废期限、存在严重缺陷或可能引起重大事故以及会对机组运行安全可靠产生直接影响的机组需进行更换，且建议选用新材料所制定子铁心。通过论证与检验定子铁心无需更换的机组，要按照扩容需要，并配合上定子绕组进行改造，对铁心结构设计进行改进，优化冷却条件并重新进行迭片，换掉不合格的硅钢片。在发电机的电磁损耗中，铁心损耗占很大部分。较早投产的机组其定子铁心多数选用热轧式硅钢片或有取向的冷轧式硅钢片，存在较大的磁滞损耗，加上铁心运行多年后松动，其绝缘性老化，增大了涡流损失，更换时要选用性能更优越的低损耗、高导磁无取向的冷轧式硅钢片，以使发电机的效率得到进一步提升。

3.4电气的主接线设计改造

对水电站开展增效扩容设计改造已经实施多年，且送出工程和与系统相连地点均已确定，其变动可能性较小，因此，只要当前主接线合理，在进行增效扩容时可维持原有的主接线方案，仅需按照现行规范和电流短路计算结果，复核机组容量和设备选择即可。而对于个别电站因修改多次，其原设计主接线方式改变，减少或增加了部分设施，布置改变，形成当前不合理接线形式，引起重复容量较大及继电保护较复杂、耗损高、配置设备不合理等，亦或当前接线方式与电力系统需求不符，对该情况要在设计时对主接线的方案实施优化与比选，并对送出线路输送容量与电压降能否符合增效扩容要求进行复核，以最终确定出电气主接线的设计改造方案。

4　结论

通过对水能资源的运用来发电是当前生产电力的重要方式，考虑到市场电能的供需关系转变，开展水电站的增效扩容改造，可使水电机组工作效率得以全面提升，从而向社会输送出更多电能。在水电站增容设计与实施过程之中，必须对电气设备设计改造进行论证，这不仅仅和水电站增效扩容之后综合效益密切相关，同时也关系到其今后运行时的设备与人身安全，因此，必须做好水电站增效扩容的电气设计改造，以使生产成本降低，提高经济效益，从而不断推动水电事业的发展。

[1]林玉珍.横县北滩水库电站增效扩容改造工程电气设计总结[J].企业科技与发展，2013（06）.

[2]穆建军.小型水电站增效扩容电气设计问题探讨[J].中国水能及电气化，2012（09）.

[3]杨圭武.水电站增效扩容改造过程中常见问题分析[J].黑龙江水利科技，2014（08）.

TV734

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1673-0038（2015）03-0163-02

2015-1-6

杨敏（1979-），女，工程师，本科，从事电站管理工作。