淺談小型水電站的更新改造方案

 1、水輪發電機組的改造

       水輪機

       水輪機的轉輪是水電站實現水能轉變成機械能的關鍵部件，不同的水頭，不同的流量就要用不同的轉輪。而且同一只轉輪在過流量發生變化時其效率也發生變化，如果轉輪選擇失當，即會導致效率下降，不但不能提高電站經濟效益，反而會帶來一些負面影響，如發生振動、氣蝕等。上世紀七八十代，由于科技發展的限制，水輪機型譜的不全，需要的水輪機難以如意配套；也由于物資的缺乏，計劃經濟指標下達的有限，設計水電站時有時只能勉強湊合，如桐坑溪二級電站設計水頭110米，選用的水輪機型號為XJ-W-55/1×12.5,較高效率的轉速應該是750轉,但由于當時物資缺乏,選用了1000轉的發電機，造成效率低下，在更新改造時應重新配套。因此，在進行電站增容改造過程中，應根據電站水頭、流量等條件進行詳細分析，在保證各項參數相適應情況下更換效率高、過流量大的轉輪，以滿足增容要求，同時選擇新型轉輪的流道和轉輪直徑與原機組基本相同。對反擊式水輪機中的軸流定漿式機組可通過調整葉片裝置角、修整葉片流線，對混流式水輪機則采用更換水輪機轉輪，來達到滿足增大過流量加大機組出力之目的；對沖擊式水輪機則采用改變噴嘴口徑，改進葉輪，加大流量，達到增加出力之目的。為滿足發電機改造的需要，增容后宜保持機組轉速不變。根據水輪機制造廠改造水輪機轉輪的經驗，一般出力可增加20%以上。

       發電機

       發電機定子的改造

       要使發電機達到增容目的，對原繞組必須進行改變，必須增大定子繞組線徑，達到降低定子繞組電阻，使定子繞組電阻發熱總量不高于原繞組，以此來達到電機增容。由于發電機定子線槽尺寸裕度限制，對增容所需增大線規存在一定局限性。對此，在改造過程中，可以采用以下技術措施：一是改變絕緣浸漆工藝，提高絕緣等級為F級，采用耐電壓高介質損耗低的絕緣材料，減薄絕緣層厚度，騰出空間；二是采用特有烘漆工藝填充線圈間和線圈與鐵芯的空隙，增加線圈的散熱能力降低溫升；對于小型機組還可通過改變勵磁方式，去掉電機附加繞組線圈，改為靜止可控硅勵磁；加大通風量和提高功率因數，裝設無功補償裝置，提高有功輸出功率，保持定子繞組發熱總量不變。通過上述技術措施，一般發電機均可增加一個容量等級。

       發電機轉子的改造

       由于當發電機容量增加20%-25%時，其空載勵磁功率并沒有增加，一般只需增加10%左右的勵磁功率即可。轉子線圈常采用翻新改造的方案。將原舊線圈退火處理，一方面軟化銅排，另一方面燒去舊絕緣。轉子線圈重新熱壓，并將其絕緣等級提高為F級。由于老匝絕緣材料厚，一般線圈翻新時可增加10%-15%的匝數。通過增加匝數，提高絕緣等級措施后，轉子繞阻一般可擴容20%～25%。

       發電機改造后的技術參數和烘漆工藝

       發電機增容后，必須通過電磁計算和試驗來提供發電機的技術參數，如勵磁電流、電壓、發電機效率、定子電流、允許溫升、短路比、定子漏抗等，供發電站進行短路計算、繼電保護計算及調整各種保護整定值。發電機增容改造中浸漆烘焙工藝也是發電機增容的關鍵技術措施之一。發電機在運行過程中，定子線圈端部要承受很大的電磁力，如果浸漆不透，烘焙不干，定子線圈端部要受到很大的電磁力，會發生扭曲變形，造成匝間短路、甚至造成整臺發電機報廢的重大事故。采用強迫流動浸漆工藝，使浸漆透徹，在烘焙上采用循環熱風打入電機進行循環加熱，達到整個電機線圈受熱均勻、固化程度高的工藝要求，保證烘漆質量。

       2、發電機磁裝置的改造

       要使發電機安全和穩定地運行，發電機勵磁系統的性能是關鍵，早些年使用的三次諧波式、相復勵變壓器式、雙繞組電抗分流式、可控硅半波整流等幾種勵磁裝置，由于調節性能差，易引起振蕩，不適應機組并網運行，同時其故障較多影響機組安全運行，所以必須加以更新改造。

勵磁裝置的改造應根據原有勵磁方式進行改造，如把雙繞組電抗分流式勵磁改造成可控硅分流的電抗分流，此裝置在雙繞組電抗分流式的基礎上增加了可控硅分流的自動電壓調節器，空載電壓調節范圍大，并網后運行穩定，無功功率調節方便。安裝在發電機上結構簡單緊湊，不需另占地方。在主斷路器跳開后不失磁，發電機仍有端電壓。在電網停電時仍有電源供給調速器，能迅速將機組關閉，省去了備用電源。如原先的勵磁裝置是半波整流的則可改造成可控硅全波靜止勵磁裝置，其性能良好，但結構相對較復雜。由于主斷路器跳開時聯動跳開滅磁開關，使機組無電壓，故這種勵磁裝置尚需備用交流電源或配置TC操作器。

       3、水輪機調速裝置的改造

       并網小型水電站一般不參與調頻，調速器僅作用于正常開、停機、調節正常有功負荷以及事故停機。所以普遍采用手、電兩用操作器，其結構簡單、投資省而又隨機配套，操作與維護簡單，但是如果與可控硅勵磁裝置配合，則因為事故停機時發電機主開關聯動跳滅磁開關，發電機沒有機端電壓，其電動操作器就失去操作電源無法關機,造成飛車事故。

       TC(彈簧蓄能型)水輪機操作器是一種技術較先進的新型調速器，由電機（或手動）驅動，經傳動機構和蓄能彈簧推動接力器活塞來控制機組開機、停機、并網、增減負荷等。當接到各類事故信號和遠方緊停命令時均能失壓脫扣，自動關機。關機時間根據不同電站“調保計算”要求，可在2～28S內整定。在無電源情況下，同小型調速器失去油壓一樣，可手動開機升壓后即改電動操作，而緊急停機則不必手動，仍可同有油壓時的小型調速器一樣，能自動緊急關機，并且按照先快后慢的關機模式，使大部份機組能滿足調保計算要求。同時可避免因木石卡塞和手動關機過度損壞導水機構問題；提高了機組運行的安全性。再配上STK-W-3可達到自動調節的目的，是一種值得推廣使用的調速裝置。

       4、主變的改造

       水電站的低壓機組通常是經主變升壓后與10kV農村配電線路相連接，過去老電站選用的都是定型10±5%/0.4kV系列配電變壓器。由于電站地處偏遠山區，線路長壓降大。發電機經常需要在較高電壓下運行，才能保證發送一定的無功負荷。有的電站電壓值高達440V及以上，其危害：一是在高壓下運行使發電機、變壓器溫升提高、絕緣加速老化，絕緣薄弱環節容易擊穿；二是難以發足無功功率，并影響機組運行的穩定性，影響經濟效益；三是老型號變壓器能耗大，且運行年久老化，時常出現故障影響正常發電，需要及時更新、改造。

       改造變壓器時應采用低損耗的升壓變壓器，訂購時向廠家特別提出，一般變比為11±5%/0.4kV，從而保證了水電站在正常電壓下運行。

       為了減少主變空載損耗，保證廠用電和生活區用電的電壓質量，可另裝廠用變壓器，在電站停運或運行時相互切換。

       5、配電設備和成套裝置改造

       小水電站低壓機組使用的主斷路器有DZ10、DW10、DW15等空氣斷路器，DZ10塑料外殼式空氣斷路器由于封閉散熱差，易引起發熱故障，僅用在容量小的機組上。DW10框架式空氣斷路器普遍在使用中，但因短路斷流容量小，時有發生因短路不能有效斷流，而燒壞電器設備的事故。所以主斷路器應選擇DW15型，機組容量大的宜選用DW17(ME)型，操動機構應選擇電動機預儲能合閘型。電站需長時間滿負荷連續運行，主斷路器和隔離開關按發電機額定容量選擇，但尚需一定的裕度，才能確保設備運行的安全可靠。

       定型的成套配電裝置把發電機的配電主回路和控制、保護及水輪機自動回路等二次回路的設備安裝在同一屏內。常用的BKSF型水輪發電機控制屏我們可以根據電站運行的實際來進行一些改進，如加裝屏頂保護罩和兩側的邊屏，加裝發電機電流速斷、過速和低頻保護等，還可裝設前池水位監測(或能自動按水位調節)裝置，使機組運行在zui佳工況點，發揮最大的經濟效益。

       6、提高自動化水平

       提高電站的自動化水平是降低運行成本的一個重要方面。在計劃經濟條件下建設的小水電站，初步設計中考慮自動化水平時，強調了“自動化水平與電站規模相適應”，客觀地起到了對其限制的作用。這是基于當時的科技發展水平和運行人員素質較低的情況所決定的。但是，科學技術是不斷發展的，新設備和新材料、新工藝層出不窮，敢于使用它們才能促進生產的發展。

       隨著電力市場的發展，需要增加電站的競爭能力，競價就是要物美價廉。要做到這樣，除了提高供電質量外，還要降低發電成本，其根本的出路就在于減員增效。關鍵是敢于使用先進自動化設備。選擇適用小型水電站的自動監測、控制和保護設備，對其實行遙測、遙信、遙調和遙控，使電站運行實現自動化，做到少人值班或無人值班，提高電站運行的經濟性、可靠性和安全性，是技術更新改造的目的之一。

       提高電站的自動化水平目前也還有一些困難，比如廠家設備質量不很穩定；電站運行工人素質難于保障，人員更難精簡；設備價格較高難于承受等等。這些困難要逐步克服，電站的技術更新改造要上檔次、上水平，不能停留在原有技術水平上，這是毋容置疑的。

       7、結語

       小水電的技術更新改造，首先是更新已經達到使用年限的機電設備和對年久達不到運行標準的水工建筑物進行修復，再就是根據現在變化了的水利電力環境，改造已不適應現有條件的設備和建筑物。因此，電站的技術更新改造，不僅是在原來的技術水平上以新換老，而是一個再創造的過程，實際上牽涉到水力資源配置的重新考慮以及合理利用問題，節約用水、電力市場需求、環境保護等問題，尋求適應不斷發展的社會經濟的需要問題。從這個角度看小水電站的技術更新改造就要以社會經濟發展對水電的要求為動力，以先進的科學技術為依托，采取多種綜合技術措施，達到節省資金，見效快捷，提高經濟效益的目的。