小水電站設(shè)計(jì)研究論文

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摘要：該文針對(duì)農(nóng)村小水電站“機(jī)組容量小、設(shè)備供應(yīng)困難、運(yùn)行人員文化技術(shù)水平相對(duì)較低”等特點(diǎn)，介紹了水輪機(jī)的選擇、電氣主接線的擬定、電氣測(cè)量和同期裝置及保護(hù)裝置的設(shè)計(jì)等有關(guān)問(wèn)題。

關(guān)鍵詞：小水電站；設(shè)計(jì)；經(jīng)驗(yàn)

1水輪機(jī)的選擇

水輪機(jī)是水電站一個(gè)十分重要的設(shè)備，水流的動(dòng)能和勢(shì)能轉(zhuǎn)換成機(jī)械能就是通過(guò)水輪機(jī)來(lái)實(shí)現(xiàn)的。水輪機(jī)選擇合理與否，直接影響到機(jī)組的效率和運(yùn)行的安全性、經(jīng)濟(jì)性。

1.1機(jī)組臺(tái)數(shù)的選擇

農(nóng)村小水電站機(jī)組臺(tái)數(shù)與電站的投資、運(yùn)行維護(hù)費(fèi)用、發(fā)電效益以及運(yùn)行人員的組織管理等有著密切的關(guān)系。通過(guò)多年設(shè)計(jì)和運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)表明：農(nóng)村小水電站機(jī)組臺(tái)數(shù)一般為1～4臺(tái)，且型號(hào)應(yīng)盡量相同，以利于零部件通用和維修管理方便，其中每座電站2臺(tái)機(jī)組居多。

1.2水輪機(jī)型號(hào)的選擇

水輪機(jī)型號(hào)的選擇合理與否，直接影響到水輪機(jī)的運(yùn)行效率、汽蝕和振動(dòng)等。選擇型號(hào)時(shí)，既要考慮水輪機(jī)生產(chǎn)廠家的技術(shù)水平和運(yùn)輸?shù)姆奖愠潭龋忠_保水輪機(jī)常處于較優(yōu)的運(yùn)行工況，即盡量處于水輪機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)特性曲線圖的高效區(qū)。尤其是機(jī)組運(yùn)行時(shí)，水頭的變化不要超過(guò)水輪機(jī)性能表的水頭范圍，否則會(huì)加劇水輪機(jī)汽蝕和振動(dòng)，降低水輪機(jī)效率。

1.3機(jī)組安裝高程的確定

水輪機(jī)的安裝高程不能超過(guò)水輪機(jī)允許的最大吸出高度，否則會(huì)引起水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪的汽蝕、振動(dòng)等不良現(xiàn)象，因而縮短機(jī)組的運(yùn)行壽命。

（1）臥式機(jī)組：▽安=Z下+hs-▽/900-D/2

（2）立式機(jī)組：▽安=Z下+hs-▽/900

式中Z下——尾水渠最低水位（m）；

hs——水輪機(jī)理論吸出高度（m），查水輪機(jī)應(yīng)用

范圍圖及hs=f(H)曲線；

D——水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪直徑（m）；

▽——水電站廠房所在地的海拔高程（m）。

為了消除或減輕水輪機(jī)汽蝕，可將計(jì)算出的▽安降低0.2～0.3m確定安裝高程。

2電氣主接線的擬定

小水電站的電氣主接線是運(yùn)行人員進(jìn)行各種操作和事故處理的重要依據(jù)之一。農(nóng)村小水電站裝機(jī)容量往往有限，一般裝機(jī)臺(tái)數(shù)不超過(guò)4臺(tái)，相應(yīng)電站的電壓等級(jí)和回路數(shù)以及主變的臺(tái)數(shù)都應(yīng)較少。考慮到小水電站（尤其是單機(jī)100kW以下的微型電站）的機(jī)電設(shè)備供應(yīng)比較困難，運(yùn)行和管理人員的文化、業(yè)務(wù)素質(zhì)普遍較差，從進(jìn)站到熟練掌握操作、檢修、處理故障及優(yōu)化運(yùn)行等也有一個(gè)過(guò)程。因此，農(nóng)村小水電站的電氣主接線在滿足基本要求的前提下，應(yīng)力求采用簡(jiǎn)單、清晰而又符合實(shí)際需要的接線形式。

對(duì)于1臺(tái)機(jī)組，宜采用發(fā)電機(jī)—變壓器組單元接線；對(duì)于2～3臺(tái)機(jī)組，宜采用單母線不分段接線，共用1臺(tái)主變；對(duì)于4臺(tái)機(jī)組，宜采用2臺(tái)主變用隔離開(kāi)關(guān)進(jìn)行單母線分段，以提高運(yùn)行的靈活性。

3電氣測(cè)量及同期裝置

并入電網(wǎng)運(yùn)行的小水電站電氣測(cè)量應(yīng)包括：三相交流電流、三相交流電壓（使用換相斷路器和1只電壓表測(cè)量三相電壓）、有功功率、功率因數(shù)、頻率、有功電能、無(wú)功電能、勵(lì)磁電流和勵(lì)磁電壓等的監(jiān)視和測(cè)量。發(fā)電機(jī)的測(cè)量、監(jiān)視表計(jì)、斷路器、互感器及保護(hù)裝置等裝在控制屏上（發(fā)電機(jī)控制屏）；電網(wǎng)的表計(jì)、斷路器、同期裝置等裝在同期屏上（總屏）。

保護(hù)裝置

農(nóng)村小水電站主保護(hù)裝置的配置應(yīng)在滿足繼電保護(hù)基本要求的前提下，力求簡(jiǎn)單可行、維護(hù)檢修方便、造價(jià)低及運(yùn)行人員容易掌握等。

4.1過(guò)電流保護(hù)

單機(jī)750kW以下的機(jī)組，可以采用自動(dòng)空氣斷路器的過(guò)電流脫扣器作為過(guò)流及短路保護(hù)，其動(dòng)作整定值可以通過(guò)調(diào)整銜鐵彈簧拉力來(lái)整定，整定值一般為發(fā)電機(jī)額定電流的1.35～1.7倍。為了提高保護(hù)的可靠性，還可采用過(guò)流繼電器配合空氣斷路器欠壓脫扣器作過(guò)流及短路保護(hù)，繼電器線圈電源取自發(fā)電機(jī)中性點(diǎn)的1組（3只）電流互感器，繼電器動(dòng)作值亦按發(fā)電機(jī)額定電流的1.35～1.7倍整定。

原理：當(dāng)發(fā)電機(jī)出現(xiàn)短路故障時(shí)，通過(guò)過(guò)流繼電器線圈的電流超過(guò)其動(dòng)作值，過(guò)流繼電器常閉接點(diǎn)斷開(kāi)，空氣斷路器失壓線圈失電而釋放，跳開(kāi)空氣斷路器主觸頭，切除故障元件——發(fā)電機(jī)。

4.2欠壓保護(hù)

當(dāng)電網(wǎng)停電時(shí)，由于線路上的用電負(fù)荷大于發(fā)電機(jī)容量，此時(shí)電壓大幅度降低，空氣斷路器欠壓線圈欠壓而釋放，跳開(kāi)空氣斷路器，以防電網(wǎng)來(lái)電造成非同期并列。

4.3水阻保護(hù)

當(dāng)發(fā)電機(jī)因某種原因(如短路、長(zhǎng)期過(guò)載、電網(wǎng)停電等)突然甩負(fù)荷后，機(jī)組轉(zhuǎn)速會(huì)迅速升高，這種現(xiàn)象叫飛逸。如果不及時(shí)關(guān)閉調(diào)速器和勵(lì)磁，可能造成事故。一般未采用電動(dòng)調(diào)速的農(nóng)村小水電站可利用三相水阻器作為該保護(hù)的負(fù)荷。

水阻器容量按被保護(hù)機(jī)組額定功率的70%～80%左右考慮。如果水阻容量過(guò)大，機(jī)組甩負(fù)荷瞬間，將對(duì)機(jī)組產(chǎn)生較大的沖擊電流和制動(dòng)力，影響機(jī)組的穩(wěn)定，嚴(yán)重時(shí)可能造成機(jī)組基礎(chǔ)松動(dòng)。反之，如果水阻容量過(guò)小，達(dá)不到抑制機(jī)組飛逸轉(zhuǎn)速的目的。水阻器采用角鋼或鋼板制成三相星型、三角型均可。

對(duì)于單機(jī)125kW及以下的電站，水阻池內(nèi)空，以長(zhǎng)為機(jī)組臺(tái)數(shù)×（0.7～1）m，寬為（0.7～1）m，深為0.6～0.8m為宜，同時(shí)考慮機(jī)組容量大小，應(yīng)在短時(shí)間內(nèi)（如3～5min）不致于將池中的水煮沸。

在調(diào)試水阻負(fù)荷大小時(shí)，應(yīng)在水中逐漸施加水阻劑，調(diào)試水阻負(fù)荷，直到達(dá)到要求為止。

4.4變壓器過(guò)載、短路保護(hù)

變壓器高壓側(cè)采用跌落式熔斷器（或SN10-10型少油斷路器）作過(guò)載、短路保護(hù)。運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)表明，額定電壓為6～10kV的跌落式熔斷器只能用在560kVA及以下的變壓器,額定電壓為10kV的跌落式熔斷器只能用在750kVA及以下的變壓器。當(dāng)變壓器容量超過(guò)750kVA時(shí)，應(yīng)采用油斷路器。跌落式熔斷器熔絲按下列公式選擇：

當(dāng)Se＜100kVA時(shí)，熔絲額定電流=（2～2.5）×高壓側(cè)額定電流；當(dāng)Se≥100kVA時(shí)，熔絲額定電流=（1.5～2）×高壓側(cè)額定電流。

4.5變壓器的防雷保護(hù)

由于變壓器上可能出現(xiàn)正、逆變換波的過(guò)電壓，為了防止雷擊線路和變壓器，對(duì)Y/Y、Y/Y0接線的變壓器，均應(yīng)在其高低壓側(cè)各裝設(shè)1組（3只）閥型避雷器FS-10和FS-0.38。避雷器越靠近變壓器安裝，防雷效果越好，可以將高低壓側(cè)避雷器安裝在變壓器頂蓋邊上，再將變壓器外殼、避雷器引下線和變壓器中性點(diǎn)連接在一起后，三者共同接地。一般接地引下線采用T-16線或GJ-25線

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