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1、低压机组水电站现代化改造的优化设计章文裕 （大田县水利局 福建大田 366100） 原载中国水能及电气化杂志2012年第1期（总第84期）摘 要：针对低压机组小容量水电站的特点，结合大田县小水电改造的实践经验，论述了该类小型水电站更新改造时水轮发电机、励磁装置、同期装置、保护装置、显示仪表以及输电设备的选型优化，并讨论了小水电的科学管理问题，以促进农村小水电的现代化进程。提 示：文中所提及的STK-W-3C微电脑控制器、微电脑综合保护设备（JY和JYL系列过电流、过电压、过频率保护等多种组合装置），是厦门金雨科技有限公司的产品。本文根据福建省大田县小水电站改造的实践经验，论述低压机组小容量水电
2、站现代化改造的优化设计。低压机组水电站的现状特点当前，低压机组的设计、施工、装备水平，都比高压机组水电站差，其运行维护管理也相对落后。分析其主要原因，一是设计人员对低压机组的设计，没有很好的设计思路；二是市场上缺乏适用于低压机组的配套装备和自动化装置；三是现在小容量水电站的上网电价低，缺乏经济效益支撑。低压机组水电站的设备选型优化1）水轮机的优选。 在小水电改造时，应按现代化水轮机设备生产厂家的型谱性能重新进行优化选型。例如，大田县香坪水电站1995年第一期投产2台500kW机组，2000年又扩装了1台500kW机组，都是选用CJ-W-70/19型戽斗式手动调节水轮机。由于水轮机效率低（只有0
3、.765），运行中损坏较严重，业主决定对整个电站进行改造。通过笔者优化设计，选用XJE-W-55B/110型斜击式手电动调节水轮机，效率0.852。 配套SFW700-6/990型无刷励磁低压发电机，额定发电出力700kW。现代斜击式水轮机相比原来的戽斗式水轮机，具有过流量大、转速高、效率高等优点。香坪水电站改造时优选了斜击式水轮，机组的性能大大提高，而造价却大大降低，3套机组比原型号设备的造价降低了45万元。整个水电站改造共投资90万元，年发电量从原来630万Kwh提高到800万Kwh，经济效益大大提高。另外，小水电站使用的水轮机，选择手电动调速器，即可完全配合发电机的自动调节励磁，实现自动
4、开停机及负荷调节。2）调速控制装置的优选。小水电站水轮机组运行调速控制装置的设计选型，要求简单、可靠、适用、造价低廉，只要在开机和跳闸时按需要自动调节，在并网运行中能根据水情需要，手动或自动增减出力就可以。 STK-W-3C微电脑控制器 能很好地满足小型水电站的要求。该控制器利用水轮机的手电动调节装置，能在机组运行的各种工况下完成所需要的调节操作，还兼有同期、过频率保护和按前池水位自动增减负荷、水情异常报警、显示机组运行的频率和电压等功能，且质量可靠、操作简便、性价比高，适用于小型水电站。应注意的是，该控制器要求机组在各种状态下都要有可靠的交流电压。3）发电机的优选。 目前，小型水电站广泛使用
5、的大多是早期生产的直流励磁机、自励恒压或可控硅励磁、B级绝缘、效率低的低压发电机。现代农村电网中的小水电站，应该全面推广使用无刷励磁、F级绝缘的低压发电机，其容量已经可以做到1600kW，转速可以低到100r/min。例如，香坪水电站在改造前是2台直流机励磁和1台可控硅励磁、500kW、990机座、B级绝缘、750r/min发电机。改造时选用3台990机座、F级绝缘、1000r/min、额定出力700kW的无刷励磁发电机。在原机座（990机座）位置上改装使用（包括水轮机，整套机组的安装改动不大）。与2010年福建省某县的一座同样水力条件、同规模的水电站改造效果相比，香坪水电站节省投资45万元，
6、水能利用率和综合发电效率又多了约27个百分点。4）励磁装置的优选。自动调节励磁装置是水轮发电机组安全并网、优化发电运行的关键设备。它关系到机组能否随有功出力变化、电网电压变化，根据无功发电出力的要求进行自动智能调节，并且在开机并网前自动跟踪电网电压，跳闸后在一定频率范围内保持额定电压，使自动调速器和事故照明正常发挥作用。笔者研发了几种适应无刷励磁（或直流励磁机励磁）低压机组的智能多功能励磁调节装置。第一种是用2个单相调压器与控制变压器组成手动励磁调节，该装置价格低廉、简单实用。并网状态下自行维持一定的功率因素，跳闸后又能自动回复到空载励磁的位置。第二种是用1个较简单的可控硅自动励磁调节器（具有
7、恒压或兼有恒功率因素）与单相调压器、控制变压器组成手动、自动混合励磁调节方式。第三种是用更具智能化的可控硅自动励磁调节器（具有恒压、恒励磁电流、恒功率因素和恒无功功率）与单相调压器、控制变压器组成手动、自动混合励磁调节方式，适用于较大机组。第四种是利用IGBT开关管的自动调节励磁装置。5）同期装置的优选。现在，同期装置的产品很多很杂，对小机组来说，主要要求是可靠。为了增加可靠性，可考虑使用2个含有同期功能的综合装置，将2个同期装置的同期合闸输出回路串联使用，并且不设手动合闸开关，以防止误操作。6）保护装置的优选。低压机组的保护主要有过电流、过电压、过频率三种，其中过电流保护应分为速断、过电流和
8、过负荷，整定值和延时都不同，过负荷可只用于报警。过电压也最好分为两种，偏高和偏低时报警，过高过低时跳闸。目前，一般水电站都并入大电网运行，要求机组频率在4951Hz以外时跳闸和水机关闭即可。要实现这些功能，应选用组合式微电脑综合保护设备。目前已开发生产出JY和JYL系列过电流、过电压、过频率保护等多种组合装置，有的还结合同期并车用途，便于小水电站改造时选用。这些产品能在小水电可达到的最大电压范围内可靠工作。7）显示仪表的优选。每台机组安装一个三相电力监测数显仪表，可将该仪表用作固定显示某一主要关注的参数（如固定显示发电功率，其他用切换显示），其他参数则用普通指针式仪表查看。这里需要说明的是，在
9、水电站使用的电子式仪表，与普通用电仪表有所不同，应与厂家联系改进提高使用电压范围和抗雷击过电压等，否则就可能产生不利因素，反而降低了可靠性。8）配电屏及事故照明、机端操作测控显示的优选。低压机组的配电屏一般都是一机一屏综合设置，当采用了（电脑）综合控制保护装置后，电气元件大幅度减少。需要强调的是，电流互感器的额定电流要在发电机最大电流的2倍左右，二次侧电流减小后对仪表和保护装置的工作会更可靠。空气断路器应选择预储能和电磁合闸，不要使用电动合闸和接触器合闸转换方式。现代并网运行发电机的零线电流，一般会达到发电机额定电流的25%40%（特别是2台以上发电机共用变压器并网，零线电流会更大），应在配电
10、屏的零线铝排与发电机零线连接点串联电抗器或单相400V电力电容器，将零线电流限制30A以下。用分散的保护装置、自动装置来实现机组自动化管理，比现有高压机组集中用计算机控制，可节省大量投资。此综合屏的造价只比常规配电屏高约20%30%，比现有厂家定型生产的低压机组一体化自动化屏节省了50%以上。又更适合农村运行管理人员掌握使用，工作性能更可靠，维护检修也更方便。9）变压器的优选。水电站的变压器一定要选用升压变，现代的节能变压器实际使用容量在40%左右时最节能，变压器长期工作的最大容量为额定容量的80%为宜。10）输电线路及并网计量。输电线路要考虑节能，线径应合理加大，因为现在导线的投资占线路总投
11、资比例较小，用小截面导线得不偿失。在防雷上，不必过分追求很低的接地电阻，关键是要做好均压等电位连接，并在升压站高压侧加装3个11kV单相对地的100150kVAr电力电容器，或在低压侧安装3个0.4kV单相对地的1525kVAr电力电容器,既可补偿无功又起防雷作用，能使发电机在发电运行中提高功率因素而节能。另外，并网计量箱电流变比应大些，一般额定电流要在水电站最大输送电流的1.2倍左右，这样，计量准确性和可靠性都比较好。低压机组水电站的水工设计优化1）坝、前池及进水闸门。小水电站改造时应尽量使引水坝能达到不完全日调节以上功能，以便使电站在枯水期间能用小机组进行间断开停机发电。现代的小水电站前池
12、不要求太大，但应在前池装设水位传感器，结合机组微电脑控制器使用，可实现按来水量进行自动调节，有利于水电站的经济运行和多发电。2）压力管道。管道的管径应适当加大，以减少水头损失。管道较长且适宜采用地埋的要用复合纤维管，该管材不会结水垢，水头损失小综合造价比钢管略低。现在复合纤维管的承受压力可达到300m水头左右，管径可做成0.31.2m左右。3）主机房布置及防洪排水。现代低压机组厂房的设计不能像以前那样机房和值班室共用，应把机房做得小些，水轮机安装高程和厂房高度都应适当降低。把配电室兼值班室做的大些，地面也应适当提高。4）配电室值班室及生活区布置。现在水电站的管理已趋于少人值守，而注重于一次性将设备及自动化搞好，以长久节省人工运行费用。5）尾水位及尾水渠。对于冲击式水轮机组，下游尾水位不能太高，下游尾水位太高淹没了尾水坑就不能发电。在建设时应在水轮机座上设较大的通气孔，对运行很有好处。对于反击式水轮机组，尾水渠则应适当降低。低压机组水电站的科学管理小水电站要搞好管理，信息化设施建设必不可少。大田县已在20多座水电站建立了通用共用监控系统，取得了较好的效果。