摘要：結(jié)合實際本文闡述了小型水電站在增效擴容設(shè)計和實施過程中，對水輪發(fā)電機和電氣設(shè)備的改造要同水輪機改造一樣予以重視。這不僅關(guān)系到增效擴容后電站的綜合效益，也關(guān)系到今后運行過程中人身和設(shè)備的安全。一個好的改造方案不僅能提高經(jīng)濟效益，而且能降低生產(chǎn)成本，減少運行費用，降低勞動強度。
關(guān)鍵詞：小型水電站；水輪發(fā)電機；增效擴容；改造設(shè)計
中圖分類號：TV文獻標(biāo)識碼：A 文章編號：2095-2104（2012）
1、水輪發(fā)電機增效擴容改造的合理選取
增效擴容的水電站大多建于上世紀，由于當(dāng)時材料、工藝、技術(shù)和設(shè)計水平的限制，設(shè)備經(jīng)過幾十年的運行后，出現(xiàn)發(fā)電機絕緣老化、溫升高、定子鐵心松動、效率下降等問題，影響電站的安全運行。但各個電站由于運行管理水平和生產(chǎn)廠家的技術(shù)不同，出現(xiàn)的問題也各不相同，因此需要認真分析，找出主要原因“對癥下藥”。
1.1 發(fā)電機的整體更新
水輪發(fā)電機增效擴容最簡單的方法是在維持機座不變、轉(zhuǎn)速不變、埋入部件不動的情況下，按照全新的設(shè)計整體更換（發(fā)電機所有部件），但其一次性投資大，既浪費資金，也浪費公共資源。
由于發(fā)電機部件比較多，影響效率和出力的因素也多，如發(fā)電機定子鐵心、定子繞組、轉(zhuǎn)子繞組、通風(fēng)冷卻裝置、推動軸承等。是否對發(fā)電機組整體更換應(yīng)進行綜合分析和論證。為此，需要到現(xiàn)場詳細了解發(fā)電機的運行情況，投產(chǎn)時電站的設(shè)計參數(shù)和技術(shù)水平，以及歷年來的重大事故、改造和維修情況，與運行人員一起分析論證，并根據(jù)增效擴容的要求，通過全面檢測來確定對機組進行局部改造（更換部件），還是整機更換。為了保證水電站運行安全，需整體更換發(fā)電機時，應(yīng)按目前的先進技術(shù)進行設(shè)計和制造，并滿足立式機組現(xiàn)有機墩、埋件不改動的要求。
1.2 定子繞組轉(zhuǎn)子繞組的改造
在發(fā)電機增效擴容改造中，要求增容后機組轉(zhuǎn)速保持不變，因此發(fā)電機極對數(shù)也維持不變。要達到增容的目的，對原定子繞組必須進行改變，增大繞組線規(guī)，降低繞組電阻，使繞組電阻發(fā)熱總量不高于原繞組。同時改變絕緣浸漆工藝，將B級絕緣等級提高到F級，采用新型的耐壓高、介質(zhì)損耗低的絕緣材料，減薄絕緣厚度，為增大線規(guī)騰出空間。
定子繞組和轉(zhuǎn)子繞組改為F級絕緣后，仍控制機組溫升在B級絕緣水平允許的極限溫度內(nèi)，各項電氣安全指標(biāo)達到設(shè)計要求，以保證機組安全可靠運行。通過改造，一般能使發(fā)電機在額定條件下增加出力15%～25%。
由于發(fā)電機定轉(zhuǎn)子繞組設(shè)計制造時均留有一定的裕量，一般在機組增容10%～15%的范圍內(nèi)，定轉(zhuǎn)子繞組可不做變動。如果機組增容幅度較大時，應(yīng)根據(jù)擴容幅度的大小，通過計算確定需要的匝數(shù)及繞組截面積，更換定子繞組和轉(zhuǎn)子繞組。
在水輪機增容幅度較大的情況下，由于機墩受限或其他原因不能與增容后的水輪機出力相匹配時，也可以采取更換定轉(zhuǎn)子繞組附加提高機組功率因數(shù)的方式來解決。
1.3 通風(fēng)冷卻系統(tǒng)的改造
發(fā)電機通風(fēng)冷卻系統(tǒng)的好壞，對發(fā)電機溫升和擴容也有較大的影響。早期的發(fā)電機冷卻器和風(fēng)機由于受當(dāng)時技術(shù)水平的限制，通風(fēng)冷卻系統(tǒng)存在不少弊病，散熱效果差、效率低、噪音大，長期運行后會在冷卻器內(nèi)部發(fā)生結(jié)垢、銹蝕、堵塞等現(xiàn)象，使冷卻效果進一步下降，機組溫升上升。因此，一般情況下應(yīng)予更換，并根據(jù)機組擴容的最大容量計算冷卻容量且留有一定的裕量。
對于小型機組，有的采用自然冷卻或通風(fēng)管的冷卻方式，發(fā)電機直接與屋外相連通，環(huán)境溫度對發(fā)電機溫升有直接影響。特別對于南方地區(qū)，在機組停運期間，屋外潮濕空氣和小蚊蟲進入發(fā)電機艙會對發(fā)電機絕緣產(chǎn)生影響，對絕緣性能本來就較差的機組，在開機前須先加熱驅(qū)潮后才能開機運行。對于此類電站建議封堵現(xiàn)有風(fēng)道改造為冷卻器冷卻方式，提高冷卻效果，保證電機安全運行。
1.4 定子鐵心的改造
定子鐵心出現(xiàn)故障的幾率比較少，其是否更換應(yīng)進行檢測和分析判斷。筆者認為對運行年限達到報廢年限或有嚴重缺陷、發(fā)生過重大事故、直接影響機組安全可靠運行的機組應(yīng)予以更換，并建議采用新材料的定子鐵心。經(jīng)檢驗和論證不需要更換定子鐵心的機組，應(yīng)根據(jù)擴容條件，配合定子繞組的改造，改進鐵心結(jié)構(gòu)，優(yōu)化鐵心設(shè)計，改善冷卻條件，重新迭片，更換部分不合格硅鋼片。
鐵心損耗是發(fā)電機電磁損耗的主要部分之一。投產(chǎn)較早的機組定子鐵心大多采用熱軋硅鋼片或有取向冷軋硅鋼片，磁滯損耗較大，加之多年運行后鐵心松動，絕緣老化，渦流損失增加，在更換時應(yīng)選用性能優(yōu)越的高導(dǎo)磁、低損耗的無取向冷軋硅鋼片，可使發(fā)電機效率進一步提高。
1.5 推力軸承及其它改造
在水輪發(fā)電機運行時，推力軸承承受全部的軸向負荷。推力軸承工作性能的好壞，會直接影響水輪發(fā)電機能否長期、安全穩(wěn)定運行。在確定了機組最終容量后，根據(jù)新的資料需要復(fù)核推力軸承的推力負荷，確定推力負荷能否滿足擴容的要求，并根據(jù)運行情況綜合分析是否需要對推力軸承進行更換或改造。
早期投產(chǎn)的推力軸承大多采用巴氏合金瓦，損耗相對較大，有發(fā)生燒瓦、研括時間較長等缺點。目前彈性金屬塑料瓦技術(shù)成熟，造價不高，已在中小機組中廣泛應(yīng)用，將會逐步取代傳統(tǒng)的巴氏合金推力瓦。與巴氏合金瓦相比，彈性金屬塑料瓦有摩擦系數(shù)小、不需要高壓頂起裝置、可在低溫情況下直接起動等突出的優(yōu)點，因此，如果現(xiàn)有推力系統(tǒng)被證明故障多，或長期瓦溫高無法消除，或推力負荷增加較大而需要更換時，可考慮直接更換為彈性金屬塑料瓦，以減少機械損失，提高機組效率，保證安全運行。
2、電氣主接線及短路電流的計算復(fù)核
2.1 電氣主接線
進行增效擴容改造的電站均已運行多年，送出工程及與系統(tǒng)連接地點已經(jīng)確定，變動的可能性不大，對電站的接入系統(tǒng)不必再進行論證，所以只要現(xiàn)有主接線相對合理，在增效擴容改造中可維持原主接線方案不變，只需根據(jù)現(xiàn)行規(guī)范和短路電流計算成果，對機組容量進行復(fù)核和選擇設(shè)備即可。對個別電站由于多次修改，改變了原設(shè)計的主接線形式，增加或減少了部分設(shè)備，改變了布置，形成現(xiàn)有不合理的接線方式，造成重復(fù)容量大、損耗高、繼電保護復(fù)雜、設(shè)備配置不合理等，或現(xiàn)有接線方式不適應(yīng)目前電力系統(tǒng)要求，對這種情況應(yīng)在設(shè)計過程中對主接線方案進行優(yōu)化比選，同時復(fù)核送出線路的輸送容量和電壓降是否滿足增效擴容的要求，復(fù)核電站內(nèi)部電流互感器變比、電氣設(shè)備動熱穩(wěn)定和開斷電流等能否滿足要求�；驹瓌t是送出電壓等級和接入系統(tǒng)點不改變，否則投入資金會相應(yīng)增加比較多，浪費比較嚴重。如果改變了主接線的接線方式或運行方式，涉及到電力系統(tǒng)的計量、保護方式和保護整定值等問題，需要與電力系統(tǒng)調(diào)度部門共同協(xié)商。
2.2 短路電流
早期投入的水電站當(dāng)時電力系統(tǒng)容量較小，經(jīng)過幾十年的發(fā)展，電力系統(tǒng)的容量大為增加，結(jié)構(gòu)也有很大的變化，網(wǎng)絡(luò)在不斷加強，同時由于發(fā)電機的改造，電氣參數(shù)也會發(fā)生變化。因此，有必要根據(jù)目前電力系統(tǒng)的參數(shù)，或今后5~10年電力系統(tǒng)發(fā)展規(guī)劃和改造后機組的參數(shù)，對短路電流進行重新復(fù)核計算，依據(jù)復(fù)核計算結(jié)果來復(fù)核現(xiàn)有電氣設(shè)備的開斷能力，或重新選擇電氣設(shè)備的型式和參數(shù)。一般情況下，嚴重老化設(shè)備、高耗能設(shè)備和淘汰設(shè)備會隨著機組增效擴容一起進行更換，以提高電站運行的安全性，減少維護工作量，增加電站經(jīng)濟效益，保證新更新的電氣設(shè)備能適應(yīng)電力系統(tǒng)的發(fā)展和長期安全穩(wěn)定運行。
3、電氣設(shè)備的選擇與布置
35kV設(shè)備采用DW6、DW8等系列的多油斷路器，或GBC戶內(nèi)型高壓開關(guān)柜；110kV設(shè)備采用SW3、SW6及SW7少油型斷路器；變壓器采用SLJ1或SF7型等。這些設(shè)備是目前國家已明令禁止使用的產(chǎn)品，開斷電流小，損耗大，不環(huán)保，由于諸多原因長期帶病運行，嚴重影響電站和電網(wǎng)的安全，因此對這些電氣設(shè)備進行更新?lián)Q代是十分必要的。
電氣設(shè)備的選擇應(yīng)按照安全可靠、技術(shù)先進、維護簡單方便和經(jīng)濟合理的原則進行，并應(yīng)適應(yīng)農(nóng)村水電站的特點。對電氣設(shè)備應(yīng)根據(jù)增效擴容后的參數(shù)和短路電流計算結(jié)果來選取，而不應(yīng)延用舊設(shè)備的參數(shù)來確定新設(shè)備的參數(shù)，這樣可保證更換的電氣設(shè)備能適應(yīng)目前和將來系統(tǒng)發(fā)展的要求。
由于設(shè)備基礎(chǔ)、支架、房間的尺寸和開關(guān)站的位置均保持不變，因此在選擇電氣設(shè)備型式時還應(yīng)考慮這些因素，盡可能多地利用已有基礎(chǔ)或僅做小改動。
4、接地系統(tǒng)的檢查與修復(fù)
水電站接地系統(tǒng)的好壞是關(guān)乎人身和設(shè)備安全的重要保障。接地電阻值是保證電站安全運行的重要參數(shù)，接地系統(tǒng)的設(shè)計不但要滿足工頻短路電流的要求，還要滿足雷電沖擊電流的要求，但在增效擴容和設(shè)備改造過程中，往往忽視了這部分內(nèi)容。
由于水電站已建成并運行多年，要改造廠房、尾水渠及大壩下方的地下或水下接地網(wǎng)已不可能，只有改造戶外開關(guān)站的接地網(wǎng)和外引增加接地網(wǎng)面積，或采用其它相應(yīng)的降阻措施來實現(xiàn)。接地網(wǎng)及接地線截面積的設(shè)計應(yīng)按現(xiàn)行的接地設(shè)計規(guī)范進行，并復(fù)核接能電勢和跨步電勢是否滿足要求。
如果接地網(wǎng)系統(tǒng)良好，接地電阻符合目標(biāo)值的要求，可以不對接地網(wǎng)進行改造，只需按最新設(shè)計規(guī)范對暴露于空氣中銹蝕嚴重、接觸不良的接地線以及改造設(shè)備的接地連接線進行修復(fù)。
5、結(jié)語
本文結(jié)合實例闡述了已建小型水電站的增效擴容改造是一個復(fù)雜而系統(tǒng)的工程，需要認真分析，綜合考慮電站的整體效益，不僅要重視水輪機的選型，而且也要重視水輪發(fā)電機和電氣設(shè)備的改造，如果發(fā)電機和電氣設(shè)備不能與水輪機增效擴容相適應(yīng)，將會給電站的安全可靠和經(jīng)濟運行帶來隱，也難以真正達到增效擴容的目的。
參考文獻：
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