浅谈小水电站低压机组的改造与运行

龙志光

我县小水电事业起步早、发展快，分布在全县八个乡镇。全县电站数量众多、星罗棋布，共有水电站26座，总装机为4.0963万kW。但电站装机容量都比较小，普遍选用0.4kV低压机组。现结合我县小水电的实际，来谈谈水电站低压机组的设备改造及运行情况。一、水轮发电机组改造　　我县大江水利发电站始建于七十年代，水轮发电机组经过二、三十年的运行，发电机绝缘老化、发热增加、滑环严重冒火、端盖无防护罩等影响运行安全；水轮机转轮等过流部件磨损、变形，或虽几经补焊但叶片变厚、变粗糙与原设计误差较大，机组效率严重下降；有的是历史原因机组选型不配套，造成出力不足、水量浪费，效益差。针对上述问题，近几年我们在冬季维修电站的同时，根据具体情况对一些老发电机组进行了改造。特别是对发电机定、转子绕组进行更换，不仅提高了绝缘等级，而且也提高了发电机出力。采用新型转轮，提高了机组的效率，使电站有了更好的收益。对其它影响安全生产的缺陷要求发电机组及时采取有效措施，提高了水轮发电机组的健康水平。二、发电机励磁装置改造　　要使发电机安全和稳定的运行，发电机励磁系统的性能是关键，早些年使用的三次谐波式、相复励变压器式、双绕组电抗分流式等几种励磁装置，由于调节性能差，易引起振荡，不适应机组并网运行，同时其故障较多影响机组安全运行，所以必须加以更新改造。　　我们大江水电所在99年和桂林电器科学研究所的高工合作进行发电机励磁装置的更新改造，现在基本上改用了可控双绕组电抗分流式励磁，此装置在双绕组电抗分流式的基础上增加了可控硅分流的自动电压调节器，空载电压调节范围大，并网后运行稳定，无功功率调节方便。由于是厂家随机生产，安装在发电机上结构简单紧凑，不需另占地方。在主断路器跳开后不失磁，发电机仍有端电压。在电网停电时仍有电源供给调速器，能迅速将机组关闭，省去了备用电源。在我大江水管所的五台发电机上使用结果证明，能够安全、可靠、稳定的运行。这种励磁方式当励磁回路对地一点接地时，接地点与发电机中性点(低压发电机绕组中性点一般都接地)构成回路。励磁电流被分流减少，会发生机组振荡、不能正常建压等故障。所以特别要对滑环及周围等励磁部位的定期清扫，防止励磁回路对地绝缘严重下降而发生接地故障。　　也有采用可控硅静止励磁装置，如FKL、ZL1A1等型号，其性能良好，但结构相对较复杂。采用独立屏柜增加了安装位置，布置上还需注意整齐和美观。由于主断路器跳开时联动跳开灭磁开关，使机组无电压，故这种励磁装置尚需备用交流电源或配置TC操作器。三、水轮机调速装置改造　　并网小型水电站不能调频，调速器仅作用于正常开、停机、调节正常有功负荷以及事故停机。所以普遍采用电、手动操作器，其结构简单、投资省而又随机配套，操作与维护简单。如果需要有自动调节功能，则可以配上STK-W-3微电脑控制器，就能达到单机自动调频，并网时按前池水位自动调节有功功率、自动并网合闸等功能。如我们大江水电站380kW机组中应用了这种控制器，实践证明这一配置是比较理想的。　　TC操作器是一种技术较先进的新型调速器，除有电、手动操作器的功能外，其特点是关闭时间可以调节，故障时无电源也能自动关闭导水机构；可根据电站实际，整定不同的调保时间值；同时可避免因木石卡塞和手动关机过度损坏导水机构问题；提高了机组运行的安全性。再配上STK-W-3可达到自动调节的目的，是一种值得推广使用的调速装置。
四、主变压器的改造　　水电站的低压机组通常是经主变升压后与10kV农村配电线路相连接，过去老电站选用的都是定型10±5%/0.4kV系列配电变压器。由于电站地处偏远山区，线路长压降大。发电机经常需要在较高电压下运行，才能保证发送一定的无功负荷。有的电站电压值高达440V及以上，其危害：一是在高压下运行使发电机、变压器温升提高、绝缘加速老化，绝缘薄弱环节容易击穿；二是难以发足无功功率，并影响机组运行的稳定性；三是老型号变压器能耗大，且运行年久老化，时常出现故障影响正常发电，需要及时更新、改造。　　我们大江电站在改造时采用了低损耗的升压变压器，订购时向桂林市水电设备厂特别提出，一般变比为0.4/11±5%kV，从而保证了水电站在正常电压下运行。　　为了减少主变空载损耗，保证电站用电和大江所生活区用电的电压质量，另外在所内安装了50KVA变压器，电站停运或运行时可相互切换。五、配电设备和成套装置改造　　水电站低压机组使用的主断路器有DZ10、DW10、DW15等空气断路器，DZ10塑料外壳式空气断路器由于封闭散热差，易引起发热故障，仅用在容量小的机组上。DW10框架式空气断路器普遍在使用中，但因短路断流容量小，时有发生因短路不能有效断流，而烧坏电器设备的事故。所以大江电站主断路器选择DW15型，其他机组容量大的宜选用DW17(ME)型，操动机构应选择电动机预储能合闸型。电站需长时间满负荷连续运行，主断路器和隔离开关按发电机额定容量选择，但尚需一定的裕度，才能确保设备运行的安全可靠。　　定型的成套配电装置简化了设计，它把发电机的配电主回路和控制、保护、及水轮机自动回路等二次回路的设备有序的安装在同一屏内。常用的BKSF型水轮发电机控制屏，在使用中尚存在一些欠缺的地方，我们可以根据电站运行的实际来改进。裸露的盘顶母线和无边屏，是易发生和扩大电气故障的隐患，应加装屏顶保护罩和两侧的边屏。除有发电机电流速断、过电流、过电压保护外，还应有过速和低频保护。可整定在超过频率50±1(或±2)Hz，保护就立即动作，防止线路瞬时断电时主断路器未跳开引起非同期事故；减小事故跳闸后机组转速上升率，保持高水头运行才能提高电站经济效益；控制屏上应装设前池水位监测(或能自动按水位调节)装置。　　现在很少采用水电阻耗能保护法。较普遍应用的是在发生事故时能快速自动关机，故在屏内要装设调速器的电动机回路。调速控制回路除正常操作开、停机外，运行中主断路器跳闸必须迅速自动关机(除正常手动操作外)，这可用合闸记忆回路来实现。电动调速回路电源应可在电网电压和机端电压两侧进行切换，保证调速器电源的可靠性。另外，机组进水阀门的电动控制除在就地操作外，也可在控制屏内进行操作。　　总之，新建电站可根据实际向厂家提出订货要求，已使用的控制屏也需及时改进。水利部农村电气化研究所研制的SFZK3自动控制屏，保护较完善，能自动停机，半自动开机，并网按水位自动调节有功等功能，为提高水电站低压机组的运行水平作出了努力。　　今后在小水电的设计中选用的机电设备，要充分利用已成熟的科研成果，选择那些技术先进、性能良好、质量可靠、效率高、损耗低的设备。例如选择高效率的水轮发电机机组，充分利用水力资源提高电站效益。采用TC型操作器，重锤式蝶阀和球阀来提高机组运行的安全可靠性。低能耗变压器和新型大容量的低压断路器的使用，为大容量低压发电机组的安全高效地运行开辟了新的道路，并且还应努力提高机组运行的自动化程序。