探析小型水电站电气工程的设计实践

◎周廉晟

引言：随着我国经济不断发展，水电站作为清洁可再生能源越来越多地应用在发电行业。其特点为清洁可再生、运营成本低、可按需实时分配、同时可改善水利环境。对于小型水电站而言，电气工程设计是关键的基础工作，在开展设计工作期间，需要满足技术、成本、要求，展现技术的指导思想。在小型水电站设计期间，新技术、新材料以及新设施都需要依靠设计工作来加以运用。因此，必须重视小型水电站的电气设计工作，通过不断地探寻解决措施，来确保小型水电站的电气设计工作能够更加高效开展。

一、电气主接线设计

电气主接线是水电站电气设计的主要部分，也是基础部分，是电站电力系统完成构成的重要组成部分，主接线的设计对水电站整体的安全性、可靠性和经济性起重要作用。业主在方案决策时主要关注经济性，设计时必须要考虑安全可靠，兼顾运行灵活。

主接线设计主要包括主要输电线路设计、主变高压侧单元接线设计、发变单元侧接线设计等。笔者对洪江市及其周边县市小水电站进行调查和统计，小型水电站输电线路很多只有一回，因此可用“主变—线路组”的接线方式，而发电侧主接线大多数参用扩大单元主接线方案，少部分采用单元接线方案。采用单元接线方案的如有2台以上主变的，不主张主变并列运行。

二、主要设备选型及校验

目前，水电站运行管理模式一般为“少人值守、无人值班”，故应首先选择能够满足正常运行，且短路、过电压等暂态电气参数满足要求的产品，同时考虑有运行经验、维护检修方便、经济性适当的设备。

水电站主要电气设备包括水轮发电机、主变压器、发电机电压回路开关设备、输电设备、电气保护设备、接地设备、照明设备、配电设备等。

小型水电站一般在边远山区，设备运行环境的温度、湿度等没有约束性限制条件，设备选择主要按额定特性参数选择即可。当然要注意的是有部分小水电在处高海拔地区，主要考虑绝缘耐受电压。选择输电线路也较远，距离负荷中心较远，因此短路电流较小，设备选择主要按额定特性参数选择即可，热、动稳定校验绝大多数均能满足要求。

三、厂用电及枢纽供电

1.厂用电。水电站从功能和运行要求上看，其厂用电具有如下特点：厂用电负荷较小，厂用变压器容量一般只占电站总装机的0.4%—1.5%。厂用变压器的实际负荷通常仅为其额定负荷的15%—60%。最小负荷与最大负荷相差5—7倍。设备年利用小时数很低。一般包括了厂内用电和厂外用电，厂内由厂房内用电和开关场、站等用电；厂外用电包括坝区、进水口，可能还有副坝灌溉洞等地用电。对于单机容量小于800kW的电站，由于发电机一般选择低压机组，因此不单独设计厂用变，而是从主变低压母线直接作为厂用电源。2.枢纽供电。枢纽用电一回由发电机母线6.3kV侧直接引接，利用6kV架空线路送至枢纽，距离约为2km。另一回由枢纽附近的外电源线路10kV“T”接作为备用电源。在枢纽设2台专用配电变压器，容量均为100kVA，供闸门启闭机、照明、采暖及其它用电。

四、过电压保护及接地

1.过电压保护。电站高压电气绝缘水平应满足国家和部门的强制性标准的要求。过电压保护装置主要按《电力设备过电压保护设计技术规程》设置。为了保护变压器及高压电气设备不受侵入雷电波的危害，在一回输电线路出线侧装设一组氧化锌避雷器。为防止变压器高压侧的雷电波经过变压器危及发电机的绝缘，在发电机电压侧母线上装设一组过电压保护器。主、副厂房防雷采取屋顶上敷设避雷带或避雷针，建筑物金属构件和钢筋混凝土中的钢筋焊接成网状，并多点引下与接地网可靠焊接。

2.接地。为了保护人身及设备的安全，主、副厂房及开关站的接地保护装置按《电力设备接地设计技术规程》规定设置。本电站除独立避雷针外的防雷接地，全厂工作接地、保护接地，共享一个接地网。接地网由厂房及尾水接地网等几部分组成，并尽可能利用建筑物混凝土中的钢筋、机组外壳、尾水管、门槽基础钢管等自然接地体。水电站接地电阻值应不大于10Ω，大接地系统不大于4Ω。如不满足规程要求，需敷设人工接地网。

五、小型水电站电气设计注意事项

1.注意问题。其一，应注意选择合适发电机中性点的接地方式，通常情况下会采用中性点直接接地的三相四线接线方式，这样不仅能够满足变压以及照明的要求，而且还会防止中性线中因电流过大而造成发电机的损坏。其二，是一次电气设备的选型以及布置的问题，由于小型水电站一般内部比较小，为了充分的利用空间，可以采取机旁现地布置的方法来布置机组控制保护屏、励磁屏、低压屏以及主变控制保护屏等设施。其三，是互感器的设置，设置电流互感器的目的是有效的测量或保护升变电站，而在进行断电器配套的互感器设置时，应考虑到其稳定性不高且精度低、容量小的特点，对其进行单独的设置。

2.保障措施。针对小型水电站电气一次设计常见问题，保障小型水电站电气设计质量的有效措施，主要体现在电气主接线设计与变压器选择上。电气主接线设计需要满足运行灵活、供电可靠、维护便捷、经济安全等要求，对此，在保障电力系统安全运行基础上，发挥主接线对短路电流的限制作用，同时通过严格把控设备占地、设备经济性能，降低水电站设计资源消耗，维护电力企业运营效益。在选择变压器时，应根据不同等级水电站负荷情况，合理选择、配置变压器规格、数量。但是由于电力系统符合会因各种因素而发生变化，所以导致水电站各节点电压会随之改变，因此，对于部分电压变化较大的水电站，如果普通变压器不能满足电力系统安全运行、用户电压要求时，可以选用有载调压变压器。

3.加强设计人员的培训工作。设计人员随着时代的不断发展，信息技术也获得了极大的提升，因此，必须要不断地通过培训、学习来提升自身的专业能力，促使自身能够与科技的发展共同进步。针对小型水电站来讲，除了规模与标准存在差异之外，其他的设计工作几乎都与其他类型水电站的设计相符。但是，与大型水电站设计不同的是，小型水电站除了需要对设计有充分的了解以外，同时也需要具备一定的处理能力。

4.严格遵循行业技术法规进行设计。设计人员必须要将小型水电站的相关设计规定、标准作为依据，展开设计工作。针对小型水电站的设计工作来讲，不仅需要对其厂房建筑物的布置、机电设计以及资源利用有充分的考虑，同时还需要考虑生态环境、施工管理、水库移民等问题。确保小型水电站的设计能够更加具有安全性与可靠性。

结束语：随着我国的经济发展脚步正在不断加紧，同时也对水电站的设立提出了更高的要求。水电站机电设备工作的可靠性、稳定性和安全性，深受电气一次设计影响。本文对水电站电气一次设计思路、流程及关键点进行了分析和探讨，从设计方法、计算要点、设备选型等方面进行了介绍，是水电站设计流程更加清晰明了，在提高设计效率的同时，保证系统及设备的可靠性、灵活性、经济性。在水电站设计初期，电气一次设计的合理和清晰，能够有效节省电站建设成本。