总第７１期第１１期 ２０１０年ｌ１月 中国水能及电气化 ＣＨＩＮＡ ＷＡ Ｉ Ｒ ＰＯＷＥＲ＆ＥＬＥＣＴＲＩＦＩＣＡ ⅡＯＮ Ｔ０ＴＥＬ Ｎｏ．７１ Ｎｏｖ．，２０１０ 农村水电站的设计探讨 裴成道ｔ，金龙哲２ 吕悦慧ｔ，郑立坤ｔ （１．吉林省通化市地方水电管理站，通化１３４００１；２．吉林省长白朝鲜族自治县水利局，长白１３４４００） 摘 要：根据农村水电站的实际情况，结合多年的工作经验，本文对新建农村水电站在机组的 选择、主接线的确定以及自动化保护装置等方面提出了符合农村小水电站实际的设计理念，以 期为实现农村水电站安全经济运行的设计思路提供参考。 关键词：农村水电站：设计 Ｄｉｓｃｕｓｓｉｏｎ ｏｎ ｔｈｅ Ｄｅｓｉｇｎ ｏｆ Ｒｕｒａｌ Ｈｙｄｒｏｐｏｗｅｒ Ｓｔａｔｉｏｎ ＰＥＩ Ｃｈｅｎｇ－ｄａｏ ，ＪＩＮ Ｉ￣ｎｇ－ｚｈｅ ，ＬＶ Ｙｕｅ－ｈｕｉ ，ＺＨＥＮＧ Ｌｉ－ｋｕｎ （１．Ｔｏｎｇｈｕａ Ｈｙｄｒｏｐｏｗｅｒ Ｍａｎａｇｅｍｅｎｔ Ｓｔａｔｉｏｎ ｏｆ Ｊｉｌｉｎ Ｐｒｏｖｉｎｃｅ，ｒｏｎｇｈｕａ １３４００１，Ｃｈｉｎａ； ２．Ｃｈａｎｇｂａｉ Ｗａｔｅｒ Ｒｅｓｏｕｒｃｅｓ Ｂｕｒｅａｕ ｏｆ Ｊｉｌｉｎ Ｐｒｏｖｉｃｅ，Ｃｈａｎｇｂａｎｉ １３４４００，Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ａｃｃｏｒｄｉｎｇ ｔｏ ｔｈｅ ａｃｔｕａｌ ｓｉｔｕａｔｉｏｎ ｏｆ ｒｕｒａｌ ｈｙｄｒｏｐｏｗｅｒ ｓｔａｔｉｏｎ ａｎｄ ｌｏｔｓ ｏｆ ｅｘｐｅｒｉｅｎｃｅｓ ｏｎ ｔｈｅ ｄｅｓｉｇｎ ｏｆ ｒｕｒａｌ ｈｙｄｒｏｐｏｗｅｒ ｓｔａｔｉｏｎ，ｔｈｉｓ ｐａｐｅｒ ｄｉｓｃｕｓｓｅｄ ｔｈｅ ｄｅｓｉｇｎ ｏｆ ｔｈｅ ａｃｔｕａＬ ｓｉｔｕａｔｉｏｎ ｏｆ ｒｕｒａＬ ｈｙｄｒｏｐｏｗｅｒ ｓｔａｔｉｏｎ ｉｎ ｕｎｉｔ ｓｅｌｅｃｔｉｏｎ，ｍａｉｎ ｃｏｎｎｅｃｔｉｏｎ ｄｅｔｅｒｍｉｎａｔｉｏｎ ａｎｄ ａｕｔｏｍａｔｉｃ ｐｒｏｔｅｃｔｉｏｎ ｄｅｖｉｃｅｓ．Ｓｏ ａｓ ｔｏ ｐｒｏｖｉｄｅ ｓｏｍｅ ｒｅｆｅｒｅｎｃｅｓ ｆｏｒ ｅｃｏｎｏｍｉｃ ｏｐｅｒａｔｉｏｎ ｄｅｓｉｇｎ ｏｆ ｒｕｒａｌ ｈｙｄｒｏｐｏｗｅｒ ｓｔａｔｉｏｎ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｒｕｒａｌ ｈｙｄｒｏｐｏｗｅｒ ｓｔａｔｉｏｎ；ｄｅｓｉｇｎ 中图分类号：Ｔｖ７２ 文献标识码：Ｂ 文章编号：１６７３—８２４１（２０１０）ｌ１－００３８—０４ 我国东北地区疆域辽阔．河流众多．蕴藏 着极为丰富的水能资源。建国６０多年来，水电 事业取得了长足的发展，已成为我国能源的重 义。但是近年来我国农村微型水电站在设计和规 划上存在很多问题：比如设计深度不够、水文资 料不全，设备选型不合理，大马拉小车或小马拉 要组成部分。特别是水电农村电气化工作在全 国的普遍开展，为节能环保的小水电事业提供了 一大车现象较普遍，夏季丰水期弃水、枯水期停 机，汛期垮坝，给人民生命财产造成了很大损 失。因此农村微型水电站要达到科学有效地利用 水能资源的目的，首先，在设计上要充分掌握水 个良好的契机，国家投人大量的资金支持小水 电的发展，如何用好这笔资金，发挥其最大的经 济效益，对我国的能源建设具有十分重要的意 文资料，电站设计方案的比较要科学合理。自动 收稿１３期：２０１０—０９一Ｏｌ 作者简介：裴成道（１９６１－），男，工程师。Ｅ－ｍａｉｌ：ｔｈｑｙｄｘ＠１６３．ｃｏｍ ３８ 规划设ｉ－／－与施Ｉ 化程度和环保节能要达到水利部《农村水电技术 现代化指导意见》的要求。下面就农村微型水电 站在设计方面应注意的几个问题进行探讨。 ２．２水轮机型号的选择 水轮机型号的选择合理与否．直接影响到水 １溢流坝、冲砂闸及进水闸布置 １．１溢流坝 轮机的运行效率、汽蚀和振动等。选择型号时， 既要考虑水轮机生产厂家的技术水平和运输的 方便程度，又要确保水轮机常处于较优的运行 工况，即尽量处于水轮机运转特性曲线图的高 在径流式电站溢流坝坝型选择上，用三个坝 型比较后确定，一、浆砌石面板重力坝；二、砼 面板堆石坝；三、砼支墩坝。溢流坝设计标准要 达到二十年一遇，校核为三十年一遇。坝的设 计不要太高，按设计引用容量来设计。 １．２进水闸布置 进水闸为钢筋混凝土结构，进水口前布置一 道或两道拦污栅，拦污栅面积要闸门的３倍为 好，防止漂浮物进入引水洞（引水渠道）。 １．３冲砂闸布置 设计左冲砂闸底板高程比进水口底板高程要 低０．７米右，进水口在河的左岸时冲沙闸要布置 在靠近河的右岸．进水口在河的右岸时冲沙闸 要布置在靠近河的左岸，防止冲沙闸排杂物时 进水口堆满杂物。 ２ 水轮机的选择 水轮机是水电站一个十分重要的设备．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。水轮机选择合理与否，直接影响到机 组的效率和运行的安全性和经济性。 ２．１水轮机台数的确定 农村水电站机组台数与电站的投资、运行维 护费用、发电效益以及运行人员的组织管理等 有着密切的关系。多年设计和运行经验表明： 东北农村微型水电站机组台数一般为１～４台， 且型号应尽量相同．以利于零部件通用和维修 管理，其中每座电站２台机组居多。而且必须 要选一台冬季（枯水期）能保证出力的小机组， 因为冬季基本上最枯季节来水量很小。 效区。尤其是机组运行时，水头的变化不要超 过水轮机性能表的水头范围，否则会加剧水轮 机汽蚀和振动，降低水轮机效率。 ２．３机组安装高程的确定 水轮机的安装高程过大，则理论吸出高度 （ｈ。）偏小，水轮机安装偏低，加大厂房基础开挖 量；反之，若水轮机的安装高程偏小，则理论吸 出高度（ｈ。）偏大，会引起水轮机可能在运行时转 轮产生汽蚀、振动等不良现象，因而缩短机组 的运行寿命。 根据水利电力出版社出版的小型水电站（中 册）水轮机部分，第二章、第二节水轮机允许吸 出高度的计算方法公式进行计算： ①卧式机组：Ｖ安＝Ｚ下＋ｈ 一Ｖ／９００一Ｄ／２ ②立式机组： 安＝Ｚ下＋ｈ。一 ／９００ 式中Ｚ下——尾水渠最低水位（ｍ）； ｈｓ——水轮机理论吸出高度（ｍ），查水轮机 应用 范围图及ｈ ＝ｆｉｌ１）曲线； Ｄ——水轮机转轮直径（ｍ）： ——水电站厂房所在地的海拔高程（ｍ）。 为了消除或减轻水轮机汽蚀。可将计算出的 按降低０．２～０．３ｍ确定安装高程。 ２．４调速器的选择 我国水轮机调速器的发展经历了由机械液压 调速器、电子管电液调速器、晶体管电液调速 器、集成电路电液调速器和微机调速器等几个 阶段。大多属于并列ＰＩＤ电子调速器式系统结 构，但其伺服系统已由开始的电液随动系统单 一模式发展为目前的多种形式，使微机调速器 的伺服系统呈显出多样化的局面。根据电液转 ３９ 规划设计与施Ｉ 换元件的不同可以分为电液伺服系统和数液伺 服系统。而且传统的低油压水轮机调速器及油 压装置现在发展为高油压水轮机调速器。高油 压调速器具有十分显著的技术经济优势： （１）高油压水轮机调速器应用了电液比列随 动装置，电液数字随动装置等现代电液控制技 术，减少了调速器的液压放大环节、结构简单、 工作可靠，具有优良的速动性及稳定性。 （２）高油压水轮机调速器的液压元器件为大 批量工业化生产、具有强大的技术支撑，质量 可靠；标准化程度高，国内外产品资源丰富、 采购方便。 （３）高油压水轮机调速器的工作油压高，因而 体积小，重量轻，用油量也小，电站布置方便， 美观，工作油压１０ＭＰａ一１６ＭＰａ。 （４）采用囊式畜能器储能，胶囊内所充氮气 与液压油不直接接触。这样不仅使液压油因不易 老化而延长了使用寿命，还不需设置高压空气系 统，使电站节约一笔可观的投资和运行费用。 因此电站最好选择微机控制的高油压水轮机 调速器，发电机单机容量小于３２０ｋＷ不用调峰 的电站也可选择弹簧储能操作器，他可与微机 相联后实现自动关机和开机，减少投资。 ２．５励磁系统的选择 随着科学技术的发展，同步发电机励磁系统大 概分为三个阶段，即直流励磁系统方式，交流励磁 系统方式，半导体静止励磁方式。半导体静止励磁 方式是可控硅励磁（交流励磁系统）大容量发电机， 现在基本上都选用可控硅励磁的励磁方式．因为 可控硅励磁容量要比硅整流励磁的大得多。 单机容量小于３２０ｋＷ的电站要选择无刷励 磁系统，因为无刷励磁系统没有滑环与碳刷等 滑动接触部件，转子电流不再受接触部件技术 条件的限制，因此特别适合于小容量发电机组， 运行费用低。 ３电气主接线的拟定 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之一。农村微型水 电站装机容量往往有限．一般装机台数不超 过４台，相应电站的电压等级和回路数以及 主变的台数都较少。考虑到小水电站（尤其是 单机１００ ｋＷ以下的微型电站）的机电设备供应 比较困难．运行和管理人员的文化及业务素 质普遍较低，要熟练掌握操作、检修、处理故 障及优化运行等技术难度较大。因此，农村 小水电站的电气主接线在满足基本要求的前 提下，应力求采用简单、清晰而又符合实际 需要的接线形式。 对于１台机组．宜采用发电机一变压器组单 元接线：对于２～３台机组．宜采用单母线不分 段接线，共用１台主变；对于４台机组，宜采用 ２台主变用隔离开关进行单母线分段，以提高运 行的灵活性。 ４变压器选择 选择变压器容量时比发电机额定容量的 １２５％来选择，比如发电机容量３２０千瓦时应选 ５００ｋＶＡ变压器，这样变压器运行温度正常、使 用寿命长等优点并且变压器损耗相对小。 ５电力电缆选择 电力电缆选择时必须铠装铜芯电缆。并且 每平方毫米按２安培来选比较安全合理．电缆 不发热。 ６发电机保护屏选择 一般小型电站装机容量都比较小．电站的 发电机的测量、监视表计、断路器、互感器及 保护装置以及励磁电流和励磁电压等的监视 和测量、同期装置等都要装在发电机控制屏上 （三合一屏）。 ７微机综合自动化保护装置 在农村小型水电站实际运行过程中。由于 主、客观的因素，可能发生故障和不正常运行 状态。最常见的故障是各种不同形式的短路故 障．短路故障可能造成下列严重后果： （１）电力系统中部分地区的供电电压大大地降 低．破坏电能用户的正常工作，甚至使生产出 现大量废品。 （２）由于故障点流过很大的短路电流而产生 电弧，使故障设备烧坏。 （３）由于故障电流很大，因此产生热和电动 力的作用，常使故障元件和某些非故障元件破 坏或损伤，从而缩短使用寿命。 （４）破坏电力系统各发电厂之间并列运行的 稳定性．这是最严重的后果，它往往使整个电 力系统瓦解，造成大面积停电。 人们为了迅速地切除故障。常采用继电保护 装置。因为他能迅速地、自动地将故障元件从 电力系统中切除，保证非故障部分的正常运行， 大大提高了供电的可靠性．使故障元件免于继 续受到损坏．这是继电保护的第一个任务。 除故障情况之外，在电力系统中还往往出 现不正常的工作状态，最常见的是负荷电流超 过元件的额定电流引起的过负荷，如果长期处 于这种不正常的工作状态，则引起元件绝缘老 化，甚至使元件的绝缘损坏而造成故障，这是 不允许的。其次是发电机的出力不足引起的频 率降低．水轮发电机突然甩负荷产生的过电压 等。这是不正常的工作状态，必须及时地发现， 并进行处理，以免造成事故。因此，微机综合 自动化保护的第二个任务就是在不正常运行状 态时自动地、有选择性地、带延时地发出信号。 因此农村小水电站微机综合自动化护必须达到 四点：选着性、快速性、灵敏性、可靠性。 农村微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。 ７．１过电流保护 实现水电站无人值班，水电站应有“可靠”、 自动的控制系统，完善的保护系统和可靠的电 源．能在最不利的情况下保证发电机组的断路 器跳开、运行的机组正常停运，导叶前的进水 阀或快速闸门关闭，微机综合自动化保护达到 三遥功能（遥信、遥测、遥控），单机８００ ｋＷ以下 的机组．可以采用自动空气断路器的过电流脱 规嘲设计与拖Ｉ 扣器作为过流及短路保护，其动作整定值可以 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。为了提高保护的可 靠性。还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。 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——发电机。 ７．２变压器过载、短路保护 变压器高压侧采用跌落式熔断器（或ＳＮ１０一 ｌ０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 １Ｏ 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。 ７．３变压器的防雷保护 由于变压器上可能出现正、逆变换波的过电 压，为了防止雷击线路和变压器，对Ｙ厂Ｙ、Ｙ／Ｙ０ 接线的变压器，均应在其高低压侧各装设１组（３ 只）阀型避雷器ＦＳ３—１０和ＦＳ一０．３８。避雷器越靠 近变压器安装，防雷效果越好，可以将高低压 侧避雷器安装在变压器顶盖边上．再将变压器 外壳、避雷器引下线和变压器中性点连接在一 起后，三者共同接地。一般接地引下线采用Ｔ一 １６线或ＧＪ一２５线。 ８结语 东北地区的农村水电站，由于四季温差及水 量变化大，有其自身的变化规律，（下转第４４页） ４１ 规翎设计与施Ｉ 在测站点０２＃，和图板待测点“２”上，当照准仪 望远镜中看到测船再次进入光圈后，通知测船测 水深并回报数据，绘图者即把记录者算出的高程 注在图板“２”点上，这样“２ ’点测量结束。按 照同样道理，依次测出３、４、５……，各点高程 一一线向前延伸视线与断面视线相交会之点便是原定 待测点。这与传统方法在现场定点受测船摇摆导 致点位不正而出现偏差有着较大优势，同时它又 简便，易于操作。 （５）资金投入少，经济有效。用此法进行测 量的工具主要是经纬仪和平板仪等普通仪器，且 测出，然后再移过另一断面，待库区各断面 全部测出后，内业人员可据实测资料画出淤积测 量地形图，并与原地形图比较算出淤积量。 计算简单．一船测量人员就能完成。因而费用相 对较少。 ３．２操作特点图上预先定点交会法操作简单，容易计算，比 ４结语 对凤溪水库来说，用图上预先定点交会法测 淤比较合适。其对技术含量要求不高。又能做到 快速、有效、经济，符合当地实际情况。准确的 泥沙淤积测量计算，能为下一步的排沙防淤工作 奠定坚实的基础。将直接关系到能否延长水库的 寿命和安全乃至增加发电量，提高经济效益。 其它方法简便快捷，且投入少，概括有如下几点： （１）速度快，工序少。使用此法，可以省去 读视距、角度等，只要在图上预先定点，人员配 合默契，一天能够测３—４个断面，比传统的经纬 仪，水准仪交叉的地形测量法起码快两倍。 （２）测量点位准确。待测点是根据原地形高 低预先定的待测点，因而位置准确，所测高程符 合原地形实际。 （３）计算简便，省时、省力。测量时，只要 参考文献： 【１】刘秀玉．长湖水库泥沙淤积测量分析．大坝与安全【Ｊ】． １９９８，１２（１）：５８—６２． 掌握当时的库水位，计算时，用库水位减去测得 的水深，就能得出水下地面高程。 （４）简单快捷，便于工作。图上预先定点交 会法的关键是测量前在图上预先定点．测量时， 观测者用图上两点（测站点和待测点）确定一直 【２］张松林，马新明．水库淤积测量新技术的应用．中国水利阴． ２００４，（１ １）：２４—２５． 【３】高树森，陈金明，袁自立．水库快速测淤一图上预先定点交会 法．治淮［Ｊ］．１９９４，（１０）：２２—２５． （上接第４１页）因此在设计过程中要充分考虑这 一握。在保证安全合理的前提下，以最小的投人换 点，即：①溢流坝设计标准要达到二十年一 取最大的经济效益，以达到科学有效地利用水 能资源的目的。 遇，校核为三十年一遇：②拦污栅面积要闸门面 积的３倍为好．冲砂闸底板高程比进水１：３底板 高程要低０．７米；③机组台数一般为１～４台，且 型号应尽量相同；④水轮机安装可将计算出的 按降低０．２～０．３ｍ确定安装高程：⑤单机容量小 于３２０ＫＷ的电站要选择无刷励磁系统、电气主 接线的拟定对于１台机组，宜采用发电机一变压 器组单元接线。对于２～３台机组，宜采用单母线 不分段接线，共用１台主变。对于４台机组．宜 【１】丁小平．清水河床式小型水电站设计探讨【Ｊ】．中国农村水利 水电，２００４，（９）：７３—７５． 参考文献： ［２］卢祖贵．关于小型无调节水电站设计装机容量的探讨【ＪＪ．水 电站设计，２００９，２５（４）：６３—６４． 【３】水利部《水电农村电气化标准）（ＳＬ３０—２００３）水国科［２００３】 ２９６号． 采用２台主变用隔离开关进行单母线分段。以提 高运行的灵活性：⑥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 ［４］水利部《农村水电技术现代化指导意见》水０ｇ［２００３］１７０号． ［５］湖南省水利电力勘测设计院．《小型水电站（下册）》【Ｍ】．湖 南：水利电力出版社，１９８１． 【６］尹刚，余少彬．低压机组水电站安全自动化技术的研究［Ｊ］ 小才（电，２０１０。１５２（２）：７８—８１．