浅谈小型水电站设计及设备配置

浅谈小型水电站设计及设备配置

摘要：基于国内现有小型水电站的设备及技术人员配置，详细介绍了水轮机的选择方法及原理、拟定主电气的接线技术与方式、电气测量和同期装置及保护变压器装置的设计等与小型水电站密切相关的实用技术。该研究对于小型水电站的设计具有重要的研究、参考价值。

关键词：小型水电站；设计；设备配置

0 引言

小型水电站设计是电站建设的重要环节，设计方案的优劣直接关系到水电工程的造价，这往往是工程能否立项的关键，而合理的设计理论和方法，既可达到降低工程造价，又可缩短工期的目的，同时也能保证小型水电站的建设质量，这对小型水电站的建设具有非常重要的意义。针对小型水电站机组容量小、设备结构、运行人员技术水平相对较低的特点，结合本人多年实践经验，本文将主要介绍水轮机的选择、拟定主电气的接线、电气测量和同期装置及保护变压器装置的设计等有关问题，同时根据自己的设计成果，以及在县小型水电站上的运用实践，提出了具体的设计方法。

1 选择水轮机组

水流的动能和势能转换成机械能就是通过水轮机来实现的，水轮机的选择是依据水的流量和水头大小进行，选择是否合理，会直接影响到水轮机机组的效率和运行的安全性和经济性，合理选择小型水电站水轮机对于水电站的建设是十分重要的。

（1）选择机组的台数。电站机组台数多少是根据上游的水资源或水库蓄水量计算，同时也要考虑电站工程的造价和维修费用情况，这与发电效益以及管理工作人员也有密切的关联，同时考虑到今后为方便机组的零配件更换和维修管理，机组的型号应该尽可能一致。

（2）选择水轮机组。水头 20～450 m 可选择反击式：混流式、轴流式、斜流式和贯流式，目前国内应用比较广泛，机组结构简单，运行可靠、效率高。40 m 以下低水头可选择轴流式、定桨式，适用于平地河道上，水轮机桨叶固定在转轮体上，当水头及负荷变化时，桨叶不能完全适应水流情况，因此平均效率较低，只适用于水头负荷变化不大的水电站。选择水轮机组型号还要考虑水轮机生产厂家及其技术水平，要确保水轮机组运行稳定，最好处于水轮机运转特性曲线图的高效区。机组运行时，水头的变化不要超过水轮机性能表的水头范围，如果超过水轮机性能表的水头范围会加剧水轮机汽蚀和振动，会直接降低水轮机效率。

（3）确定机组安装的高程。30～450 m 的水头，安装水轮机组时高程不能超过水轮机允许的最大吸出高度，超过这个高度会造成水轮机转轮的汽蚀、振动等现象，并且会缩短发电机机组的运行寿命。依据机组高度的计算公式有以下 2 种机组的安装高度：

立式机组：▽安=Z下+hs-▽/900

卧式机组：▽安=Z下+hs-▽/900-D/2

式中，Z下为尾水渠最低水位（m）；hs 为水轮机理论吸出高度（m），通过查水轮机应用范围图及 hs=（fH）曲线可得出；D 为水轮机转轮直径（m）；▽为水电站厂房所在地的海拔高程（m）。

依据多年的实践经验，为了消除或减轻水轮机汽蚀，可将计算出的▽安降低0.2～0.3 m确定安装高程。

2 拟定电气的主接线

电气主接线是小型水电站电气设计的主体和依据，它与电网特性、电站规模、水能参数、枢纽条件以及电站运行的可靠性、经济性等密切相关，并对电气设备的布置、设备选型、继电保护和控制方式等都有很大的影响。因此，小型水电站电气主接线的可靠性和经济性是小型水电站电气设计的首要任务。小型水电站的电气主接线是运行人员进行各种操作和事故处理的重要依据。装机容量一般有限，往往装机台数不超过5 台，相应小型电站的电压等级和回路数以及主变的台数都应较少。考虑到小型水电站单机 100 kW以下的微型电站的机电设备供应比较困难，运行人员和管理人员的文化、业务水平普遍比较低，对熟练掌握操作、检修、处理故障以及运行等有一个过程。所以，小型水电站的电气主接线在满足基本条件要求的前提下，要力求采用简单、清晰且符合实际需要的接线方法。

如果是单台机组，最好采用发电机与变压器组单元接线，假设是多台机组，最好采用单母线不分段接线，共用 1 台主变；其他机组，最好采用2 台主变用隔离开关进行单母线分段，这样可以提高运行的灵活性。

3 同期装置及电气测量

利用微机自动准同期装置是实现小型电站中同步发电机快速并网的最优控制手段，也是节约机组并网前空载能耗、机组故障时快速投入备用机组、保证系统安全稳定运行的重要保障。并入电网运行的小型水电站电气监视和测量范围包括：三相交流电流、三相交流电压、使用换相断路器和单只电压表测量三相电压、有功功率、功率因数、频率、有功电

能、无功电能、励磁电流和励磁电压等。为了方便电气测量值的获取，其中电机的测量、监视表计、断路器、互感器和保护装置等要装在控制屏上；为了优化电气测量部分的控制及操作，发电机控制屏、电网的表计、断路器、同期装置等也应安装在同屏总屏上。

4 保护装置

设计小型水电站主保护装置的配置应在满足继电保护基本要求的前提下，力求简单可行、维护检修方便、造价低及运行人员容易掌握等。

（1）保护过电流。如果 1 台机组 750 kW 以下，最好采用自动空气断路器的过电流脱扣器作过流、短路保护，自动空气断路器的动作整定值可以通过调整衔铁弹簧拉力来整定，整定值一般为发电机额定电流的 1.35～1.7 倍。如为更好地提高保护的可靠性，也可采用过流继电器配合空气断路器欠压脱扣器作过流及短路保护，继电器线圈电源取自发电机中性点的 1 组 3 只电流互感器，继电器动作值亦按发电机额定电流的 1.35～1.7 倍整定。保护原理；当发电机出现短路故障时，通过过流继电器线圈的电流超过其动作值，过流继电器常闭接点断开，空气断路器失压线圈失电而释放，跳开空气断路器主触头，切除故障元件以保护发电机组安全。

（2）保护欠压。当电网停电时，由于线路上的用电负荷大于发电机容量，此时电压大幅度降低，空气断路器欠压线圈欠压而释放，跳开空气断路器，以防电网来电造成非同期并列。

（3）保护水阻飞逸。当发电机因某种原因，例如短路、长期过载、电网停电等突然甩负荷后，机组转速会迅速升高，这种现象叫飞逸。如果不及时关闭调速器和励磁，可能造成事故。如果未采用电动调速的小型水电站可利用三相水阻器作为该保护的负荷。水阻器

容量按被保护机组额定功率的70%～80%考虑。如果水阻容量过大，机组甩负荷瞬间，会对水轮机组产生较大的冲击电流和制动力，影响机组的稳定，严重时会造成机组基础松动。相反，如果水阻容量过小，达不到抑制机组飞逸转速的目的，水阻器采用角钢或钢板制成三相星型、三角型均可。对于单机125 kW及以下的电站，以长为机组台数×（0.7～1）m、宽为（0.7～1）m、深为 0.6～0.8 m 为宜，同时考虑机组容量大小，应在短时间内（如 3～5 min）不致于将池中的水煮沸。在调试水阻负荷大小时，应在水中逐渐施加水阻剂，调试水阻负荷，直到达到要求为止。

（4）变压器的防雷措施。变压器上有可能出现正、逆变换波的过电压，为确保防止雷击线路和变压器，对于Y/Y、Y/Y0 接线的变压器，均应在其高低压侧各装设 1 组 3 只阀型避雷 FS-10 和FS-0.38。避雷器靠近变压器安装，防雷效果就较好，可以把高低压侧避雷器安装在变压器顶盖边上，同时把变压器外壳、避雷器引地下线（最好选用 T-16 线或 GJ-25 线）与变压器中性点连接在一起，将三者共同接地，防雷保护效果特别好。

（5）保护变压器短路、过载。变压器高压侧采用跌落式熔断器（或SN10-10 型少油断路器）作过载、短路保护。运行经验表明，额定电压为 6～10 kV 的跌落式熔断器只能用在 560 kVA 及以下的变压器，额定电压为10 kV 的跌落式熔断器只能用在 750 kVA 及以下的变压器。当变压器容量超过 750 kVA 时，应采用油断路器。跌落式熔断器熔丝按下列公式选择：当Se＜100 kVA 时，熔丝额定电流 =（2～2.5）×高压侧额定电流；当 Se≥100 kVA 时，熔丝额定电流 =（1.5～2）×高压侧额定电流。

5 小型水电站厂房

小型水电站厂房分为主厂房和副厂房，主厂房包括安装水轮发电机组或抽水蓄能机组和各种辅助设备的主机室，以及组装、检修设备的装配场。副厂房包括水电站的运行、控

制、试验、管理和操作人员工作、生活的用房。引水建筑物将水流导入水轮机，经水轮机和尾水道至下游。当有压引水道或有压尾水道较长时，为减小水击压力常修建调压室。而在无压引水道末端与发电压力水管进口的连接处常修建前池。为了将电厂生产的电能输入电网还要修建升压开关站。此外，尚需兴建辅助性生产建筑设施及管理和生活用建筑。

6 结语

小型水电站是发展山区经济的支柱性产业，被当地视为脱贫致富的途径之一，大力发展小水电事业将有利于缩小城乡差别、改善农村生产生活条件，对于推进地方农业生产、提高农民收入、加快脱贫步伐、促进民族团结、维护社会稳定，具有不可替代的作用。小水电开发通过投资拉动、税收增加和相关服务业的发展，将地方资源优势转变为经济优势、产业优势，以此带动其他产业发展，形成支撑力强的产业群体，有力促进地方经济的全面发展。实践证明，按以上原则设计配置既可满足技术要求，又具有良好的经济效益。