中小型水电站电气主接线设计分析

梁海英

（阳江市水利水电勘测设计有限公司，广东 阳江 529900）

0 引言

电气主接线系统的设计质量会对电力系统的可靠性、安全性、经济性产生直接影响。现阶段，为保证电气主接线系统满足水电站预定功率传输、运行等方面的要求，水电站方面应在明确电气主接线设计工作注意事项的基础上，开展电气主接线系统设计，以实现提升电气系统整体安全性、可靠性的目的。

1 电气主接线设计原则

数据调查显示，2022 年我国总发电量达到了88487.1 亿kW·h，其中，火电、水电与风电发电量在总发电量中的占比为66.5%、15.3%、8.6%。其中，水电作为一种清洁的能源，其发电量呈逐年上涨的态势，在低碳化社会的发展背景下，为进一步提升水电供应工作的安全性与可靠性，缓解我国的电力供求矛盾，人们提高了对中小型水电站的关注度。电气主接线作为电站中的主要电力输配系统，其运行质量与水电站的供电安全之间存在着直接的联系。现阶段，为保障电气系统运行的可靠性，在开展电气主接线设计工作时，工作人员需尽可能提高设计方案的灵活性、可靠性、安全性、经济性。从灵活性的角度说，为保障电气主接线系统扩建的灵活性，开展中小型水电站电气主接线设计时，工作人员应通过合理优化发电机、变压器、工作线路等方式，保证系统可以在运行或检修的过程中，完成系统的安全调度，尽可能降低开关操作的次数。可靠性原则是当前中小型水电站电气主接线设计工作中最基本的原则，为保证这一原则的价值得到有效发挥，在开展电气主接线设计工作时，工作人员可以将设计重点放在：①保证系统在断路检修环节，仍能正常供电。②若断路器或母线出现问题，也可以通过尽可能降低停运时间的方式，保证电力供应工作的质量。从安全性的角度看，在中小型水电站电气主接线设计环节，应保证系统在任意一种运行状态或检修工作中，都能保障电气设备与工作人员的安全性，以便在管控电气系统运行检修成本的同时，提升电力供应工作的安全性。经济性指的是在开展中小型水电站电气主接线设计工作时，可以在保证电气主接线系统运行稳定性的基础上，通过尽量缩小设备占地面积、优化系统结构、减少元件用量等方式，提高系统运行的经济效益[1]。

2 电气主接线设计的注意事项

2.1 解决近区负荷供电问题

相较于火电站，大部分水电站修建在较为狭小的山区地带，开关站不会作为分配或中转电能的变电站，这使得水电站和负荷中心间存在较远的距离。同时，大部分水电站通常为一次性建设完毕，后续并不会进行扩建。近年来，受城市化进程的不断加快，城市边缘逐渐向外扩张，在一定程度上，缩短了城市与水电站之间的距离，为满足用户对电力资源的需要，在开展中小型水电站电气主接线设计工作时，需解决近区负荷的供电需求。

2.2 过电压保护与接地设计

为保证中小型水电站电压保护与接地设计安全，工作人员应当以水电站所在环境为基础开展设计工作。以某水电站为例，工作人员构建了直击雷保护系统，实现了电气主接线系统的过电压保护。首先，工作人员通过将避雷设备安装于该水电站屋顶处，然后将扁钢与地网连接到一起的方式实现了雷击风险的有效管控。其次，为避免雷电波电流破坏电气设备，工作人员在35kV 母线处安装了一组氧化锌Y5W-42/134 型避雷装置。再次，为实现雷电侵入的过电压保护，该水电站通过在35kV 进线处设置了一道1～2km 的避雷线，使得经过避雷器的电流值始终在5000A 以下。最后，该水电站的避雷接地系统主要由垂直接地体与水平接地体共同构成，其中，垂直接地体是由长度为2.5m 的50mm×5mm角钢组成，水平接地体则是由长度为30m 的40mm×4mm 扁钢组成，且接地体的电阻值小于10Ω[2]。

2.3 微机监控与自动化系统

为了在保证中小型水电站运营管理质量的基础上，减少值班人数，水电站方面，可以将计算机监控系统融入电气主接线系统设计工作中，实现主接线系统运行状况的实时监控。举例来说，某水电站将分层分布式结构的DZWX-2000 水电站计算机监控系统融入电气主接线系统中，并应用SDT 通信协议，实现了上位机与信管系统间的通信。在监控工作开展时，监控主机可以自主开展水电站电气主接线系统数据的收集、整理、监控等工作，并在发现系数参数存在异常时，及时发出警报信息并登记异常数据，便于工作人员采用合适的方法对其进行处理。

2.4 装设发电机断路器方案

对于水电站来说，需要在构建电气主接线系统时，为每一个发电机变压器单元极端处安装发电机出口断路器，在保证水电站同期能够基于断路器完成的同时，满足频繁操作发电机断路器的运转需求。

3 电气主接线设计的具体内容

3.1 发电机电压侧接线

主变压器作为中小型水电站系统中的关键设备，其运转质量与水电站发电情况之间存在着直接的联系，为保证主变压器能够正常运转，工作人员应结合水电站的规模，选择合适型号数量的主变压器，然后通过采用单母线与单母线分段接线、单元接线、扩大单元接线等方式，将主变压器与电气主接线系统连接到一起的方式，保证主接线系统电力资源运输工作的正常进行。

首先，单母线接线是一种接线方式相对简单的主变压器连接方法，但是，在实践中，若母线出现了故障，那么在检修工作开展时，水电站需要开展全站停机活动，以便保证检修人员与电气设备的安全。从总体上看，单母线接线方法在应用时会对水电站的正常运营造成一定的阻碍。为解决这一问题，在开展接线工作时，水电站可以采取单母线分段接线的方式，通过并联母线的方式，降低运维工作对水电站运营管理造成的阻碍。具体来说，在发现单母线存在问题时，工作人员可以通过启动与该母线并联的另一条母线的方式，保证水电站的正常工作，在保障水电站运维安全性的同时，提高电气主接线系统线路的清晰度，达到强化运维管理工作可靠性的目的。

其次，单元接线是在主变压器下连接两条直线，这条直线与厂用变压器连接到一起，另一条与发电机组连接到一起。这种采用两备一台主变压器即可完成相应工作任务条线路开展分流工作的方式，有效增强了水电站主接线系统运转的可靠性，提高了主变压器与发电机之间的匹配容量，降低了因发电机运转而出现的输电线路过热故障现象[3]。但相较于单母线连接方式，单元接线模式在应用时会导致接近成本有所上升。

最后，扩大单元接线在应用时有效简化了电气主接线系统的布置方式，例如，大部分中小型水电站保证变压器的运转安全，会配备两台主变压器。但在应用扩大单元接线模式后，水电站方面仅需配置一台主变压器即可满足系统使用需要.在运行的过程中，即使此设备产生了异常情况，出现停机等问题，也可以通过备用装置保障系统运行，确保变压器运作成效，及时为水电站运转提供保障。

3.2 升高电压侧的接线

大部分水电站的主变压器主要是以绕组变压器为核心。此类装置与其他设备相比绝缘性更强，且可以在高温环境下正常运作。因此在使用稳定性与安全性方面可以得到良好保障，不仅能够缓解高峰期水电站运行的工作压力。而且还能够通过与主接线系统相关联的形式，工作人员可以按照接线的不同位置，选择变压器线路组接线、单母线和单母线分段接线、桥形连接等高压侧接线方式。

首先，变压器线路组接线是一种相对简便的接线方式，在应用时可以利用外加导流线路。提升变压器的运转效率，并且，相较于变压器的运转情况，这一方式连接变压器所产生的电阻可以忽略不计。但需要注意的是，在应用变压器线路组接线模式时，变压器系统出现故障，那么水电站方面需要将全站进行停电处理后才能开展后续检修工作，这在一定程度上降低了电站供电服务质量，为解决这一问题，诸多企业会借助系统创新解决线路组接线方面的问题。

其次，还有一种接线方式广受人们关注，便是单母线接线。此种接线处理成本较低，可以保障经济效益。在具体运作的过程中，由于此类接线形式连接的设备类型较少，因此在使用方面，同一母线所承担的电流电压数据也会进一步降低。因此这一技术方法的适用范围较小。现阶段，为保证单母线和单母线分段接线方式的应用价值能够在水电站电气主接线设计工作中得到充分发挥，工作人员可以通过将某一段母线与发电机所连接到一起的方式，提高工作的继电保护效果。同时，工作人员可以通过在母线旁边增设隔离开关的方式，避免电气主接线系统在运转故障时，因故障部位检修，导致系统整体出现断电问题[4]。

最后，部分中小型水电站的两绕组变压器接线方式为“两进两出”的桥形连接方式。在实际接线过程中，工作人员会使用单母线接线处理形式，但是由于此类技术运用下回路变压器功率极易出现偏差情况，导致线路难以正常连接到一起，进而导致水电站的发电功率有所下降。为解决上述问题，工作人员可以应用桥形连接手段，以此确保变压器回路功率的稳定性，在强化系统电气主接线效果的同时，保障设计的合理性与科学性。

3.3 电气设备的选择

在开展电气设备选择工作时，首先，工作人员需要以中小型水电站的具体情况为基础，明确电气主接线系统的类型，然后在电气设备容量范围内开展设计规划工作，合理调整设备元件的数量与容量，然后在主接线环节中对地线所处位置的环境，气温，水温条件等信息进行研究，尽可能降低各类因素对主接线系统配电装置正常运转造成的不利影响。

其次，在拟定主接线方案时，工作人员可以按照设计任务书的具体安排，完成其他主接线施工方案规划工作，考虑到在不同环境下，主接线系统的线回路数，电压等级，容量与母线结构等因素存在着较为明显的差异，因此现系统设计施工方案也存在一定的差别，为提高方案的实用性与可靠性，工作人员需要对相应方案加以比较，从中选出最优的方案为后续电气主接线工作的开展提供支持。

再次，水电站中主变压器的参数会对主接线形式、配电结构产生影响，因此，在开展电气主机械设计工作时，工作人员应确定主变压器的台数，容量以及相数。①水电站中主变压器的接线方式会对系统运维检修工作中水电站工作状态产生影响。因此，为了在提升水电站主变压器运转安全性与经济性的同时，降低电气主接线系统运维检修难度，水电站方面可以应用两台主变压器互为备用变压器的方式，发挥电气系统构建时的经济优势。②在水电站发电机电压母线出现最大发电机组停运的问题，那么主变压器需要从系统向发电机组处倒送电，考虑到当前发电机电压母线与系统间连接的主变压器台数为2，当其中容量最大的一台变压器因事故断开线路连接时，另一台主变压器可以在允许过负荷的情况下开展母线剩余功率的输送工作，并且，在此过程中母线功率的输送效率大多在70%以上。对此，结合系统运行过程中对于经济性的要求，设计人员可以通过开展输出功率限制工作的方式，发挥发电机组中电压负荷的优势。相较于同容量单相变压器，双相、三相变压器不仅有着占地面积较小、成本偏低的优点，而且变压器在运行时的损耗也比较低。因此在选择变压器时，水电站可以结合自身的实际情况，选择双向或三向的变压器。例如，若水电站附近道路运输条件，无法满足大容量三相变压器运输要求，那么水电站可以通过选择双向变压器或两台小容量三相变压器用以代替一台大容量三相变压器的方式，满足水电站对于变压器选择可靠性与经济性的需要[5]。

最后，电气设备的选型与电站整体运营工作质量息息相关，一般的中小型水电站会采用机旁控制的布置方式，在节省空间的同时便于工作人员开展电气设备开机停用管控工作。现阶段，为保证电气设备布置工作能够满足水电站主接线设计工作的需要，工作人员可以在明确水电站具体建筑结构的基础上，秉承高效利用空间、成本有效管控的原则，开展设备选型、布置工作，确保电气设备的作用能够正常发挥。

4 结语

水电站是满足社会供电需求的主要电力生产方式之一，在社会经济迅猛发展的背景下，人们对电力资源的需求量迅速上升，为满足社会对电力资源的需求，可以在明确水电站具体情况的基础上，开展水电站电气主接线设计优化工作，切实满足水电站发电、供电工作的需要，为电力行业的健康发展、社会经济效益的稳定增长提供支持。