浅谈水电站电气一次设计的特点及思路

浅谈水电站电气一次设计的特点及思路
发布时间：2021-09-15T06:13:19.511Z 来源：《科技新时代》2021年6期作者：陈红
[导读] 电气一次设计必须通过详细的计算分析，才能确保电气设备参数的准确性，保证选用设备的合理性。

贵州乌江清水河水电开发有限公司贵州贵阳 550000
摘要：水电站作为电源点，在整个供电系统中发挥着保障供电安全性、可靠性的作用，因此，水电站的安全稳定运行显得尤为重要。

本文对水电站电气一次设计进行了概述说明，对当前水电站电气一次设计遇到的各种常见问题进行分析，并对短路电流的计算进行探讨，最后对水电站电气一次设计特点和设计思路进行了说明。

希望能对相关人员、专业、行业起到一定的借鉴作用。

关键词：水电站、电气一次设计、电气接线、安全运行运行、厂用电、远程集控、少人值守、无人值班
1引言
水电站电气一次设计直接影响到整个电站运行的安全性、稳定性，从而保证工作效率，影响深远。

因此，在水电站电气一次设计时，必须兼顾一次系统各个电气部分选择和布置的合理性，同时要确认整个系统结构的科学性。

电气一次设计必须通过详细的计算分析，才能确保电气设备参数的准确性，保证选用设备的合理性。

2水电站电气一次设计概述
作为电力系统的重要组成部分，水电站电气设备的安全稳定运行对整个电网供电起到至关重要的作用。

根据用途的不同，水电站中的电气设备可分为电气一次设备和电气二次设备。

其中，电气一次设备主要指电站内各种高压设备，它对整个水电站的生产制造活动、电能的运输和分配起着关键的作用，是整个水电站的重要组成部分，是电站规划设计的主设备。

涉及电气一次设备的设计就是水电站电气一次设计。

水电站中电气一次设备主要由变压器、断路器、发电机、母线等。

这些电气设备的一次回路构成了整个水电站的一次设计主体，不仅影响到整个水电站的投资建设，而且对水电站的日常运行和维护起着关键的影响。

正是因为如此，水电站一次回路设计在布局之前必须要以输出电力需求、电厂地理环境、电网规划等诸多因素作为依据，并结合当地政策，从电气技术、设备的选型、材料的使用等各方面要做好充分调研和论证，切实保障水电站电气一次设计具有合理性、规范性、科学性。

水电站电气一次设计思路和流程一般为：首先确定各电压等级电气设备主接线，包括10kV、400V厂用电系统，13.8kV发变组系统，110kV/220kV/500kV母线线路送出系统，其次对电气设备进行规划布置完整的电气主接线设备，接下来就是对短路电流进行计算，并以此作为依据来选用合适的设备型号和参数，主要的设备由发电机、主变、高低压厂用变、励磁变、母线、断路器、PT、CT、全封闭组合电器（GIS）、以10kV、400V开关柜，最后绘制出设备的布置图。

3 水电站电气一次设计常见问题
随着我国水电事业不断发展，电气一次设备在设计选型方面都取得了一定的经验和成果，为我国的经济建设和社会发展提供了必不可少的贡献。

当前，在我国水电站电气一次设计中也存在一些问题，比如水电站在规划建设时没有充分考虑社会经济发展的速度，导致水电站的产能受限，一定程度上制约了社会经济的发展；对于电气设备的选择也缺乏合理的科学验证。

另外对于各种电气设备的技术发展方向把握不够，部分水电站中的电气设备落后，生产效率低下，不利于电力的可持续发展。

比如在变电站的一次设计中，要尽可能选用占用体积小的电气设备，并且主变要尽可能使用高阻抗的产品，它对电气设备运行的稳定性起到了非常大的促进作用。

有些电站在建设投资时只考虑到了眼前的利益，使用了更加低廉的电气设备，未考虑后期运行维护工作需要，后续电站生产运行中就会各种问题，也导致水电站的升级改造、日常运行维护存在难点，影响着电站的运行经济效益，限制了电站管理技术水平的提升，对电网安全稳定运行带来隐患。

4 短路电流计算
短路电流计算是整个水电站设计种最核心和最重要的组成部分之一。

也是选择各种电气设备的依据和更本遵循。

水电站一旦发生短路故障，轻则损害设备，重则造成人员伤亡，再有甚者将会给电力系统造成极大的安全危害。

一次系统故障现象可分为单相接地、两相短路、两相短路接地、三相短路、断线等。

其中，以三相短路发生时带来的危害最大。

因此，对水电站进行短路电流计算时，需要重点核算三相短路的电流计算。

通过等效阻抗图和运算公式，结合电网母线最大最小总阻抗，计算出水电站400V、10kV、13.8kV、110kV/220kV/500kV系统母线三相短路电流，以及主接线下各分支末端短路点的短路电流，根据短路电流进行相应的设备选型和校验。

短路电流计算的主要思路是对短路电流的计算进行基本假定。

包括正常工作时三相系统的对称运行；所有电源的电动势相位角相同；系统中的电机均为理想状态下，不考虑电磁饱和、磁滞、涡流和导体肌肤效应等的影响，而且转子的结构要绝对的对称；计算时不考虑短路电的电弧阻抗和变压器的励磁电流因素，按照理想模型进行规划验算。

通过对各个短路点三相短路电流进行计算和对比，就能得到设备选择的最大短路电流，用于指导设备选型。

5 水电站电气一次设计特点及思路
5.1电气主接线设计分析
主接线最大的设计原则就是要保证供电的可靠性、稳定性，接线要全面考虑发电厂最大、最小运行方式及特殊运行方式，在实际接线时要根据电厂在电网中的位置、作用等实际情况进行灵活调整。

比如作为电网黑启动电源点的电厂，设备选型上要考虑通过10kV或400V倒送电的要求，有针对性的对接线方式和设备选型做适当的改动，以此更好地完成电厂的调度任务。

对于单一发变组电气主接线设计，通常考虑增加发电机出口断路器，主要考虑后期运行方式更灵活，也便于故障隔离及处理。

发电机中性点接地的设计是主线设计的重要部分，发电机中性点通常采用消弧线圈接地方式，采用过补偿，让消弧线圈接入供电系统产生电感电流，补偿水电站发生接地故障产生的电容电流，使电弧熄灭，不仅能有效限制接地电弧的电压值，而且在发电机出现单相故障时起到电流保护作用，从而实现对发电机的保护作用，保障供电系统的安全性、可靠性；
5.2厂用电设计
厂用电系统供电可靠性是水电站安全稳定运行及基本保证，10kV、400V系统设备能否正常运行，直接影响水电站监控系统、保护、辅机设备等的正常运行。

水电站厂用电一般设计采用自带厂用电和外接备用电源供电方式。

自带厂用电方式厂用变压器一般接在发电机出口母线上，当厂用变或厂用系统出现问题时，首先要保证主系统安全稳定运行，一般在厂用变高压侧装设断路器，实现故障隔离功能，但设计中为兼顾供电安全和经济性，厂用变高压侧断路器一般不按照短路计算选用合适的断路器，为节省投资，一般不考虑使用该断路器分断故障电流，根据最大负荷电流选用合适的保险，故障情况靠保险熔断隔离故障，同时保障系统的安全稳定运行。

为保证单台厂用变故障影响厂用电设备继续运行，水电站厂用电系统至少按照两段及以上设计布置，以保证厂用电系统故障机组能继续稳定运行。

同时厂用电母线要进行分段设置，而且要保证重要辅机设备、保护、控制设备电源分贝取自两段母线，且两段母线负荷分布保持均衡分布。

为了减小电源故障带来的问题，每一段母线上都要配备独立的电源，当出现停电故障，能够通过自动投入装置第一时间投入备用电源，保证供电可靠性，避免因厂用电故障导致全厂失电，并对系统造成影响。

5.3设备选型及校验
当前，我国部分水电站的运行都实现了“远程集控、少人值守、无人值班”的模式，部分水电也在积极探索实践“远程集控、少人值守、无人值班”。

其主要优点在于最大限度减少水电站的人力资源投入，减轻水电站工作人员工作压力，实现工作地点由山区转向城市，实现水电站管理成本最优化、经济效益最大化，提高水电站职工幸福指数。

因此，在选择设备时要充分考虑水电站的日常管理需要，而且在线路中出现短暂短路、过电压等暂态异常情况下仍能正常运行，首先要保证工作人员人身安全，其次保障不损害电气设备。

在设计选型及校验工作中，还要考虑后期运行维护工作需要，要选用技术成熟，设备可靠性高、功能及界面有好的产品，为维护检修操作提供方便，降低运维成本，提高设备安全稳定运行可靠性，保障人身及设备安全。

水电站中主要的电气设备按照类型可以分为水利机械设备、电气一次设备、电气二次设备、辅机设备、通讯设备、水工建筑物等。

一次设计主要有发电机、主变、高低压厂用变、励磁变、母线、断路器、PT、CT、全封闭组合电器（GIS）、10kV、400V开关柜。

以及相关设备二次控制部分，在设计阶段，要统筹考虑一次设备与监控自动化、保护、通讯的衔接，确保为水电站监视、控制、测量等提供基础保证，为“远程集控、少人值守、无人值班”提供及时保证。

5.4接地及防雷设计
由于电站所处地理环境不同，所面临的潜在风险也不相同，有些水电站建设位置属于雷击高频区，一旦水电站遭受雷击，不仅威胁到电站工作人员的生命安全，同时也会危及设备安全，并对整个供电系统造成巨大威胁。

因此，必须要做好水电站的防雷设计，确保其即使在最恶劣的天气下也能安全稳定运行。

防雷保护有直击雷保护和侵入波保护两种。

防雷设计也要根据变电站自身的特点来设计，进行科学合理的防雷。

水电站接地一般分厂房接地、大坝接地、线路防护接地三部分。

目前使用最常用的防雷技术为使用接地装置，具体要求为：5.4.1垂直接地体的敷设间距要大于长度的2倍以上，水平接地体的间距要在5m以上，其目的是尽可减小相邻两个接地体之间所产生的屏蔽影响；
5.4.2接地体和建筑之间的距离要大于1.5m；
5.4.3对于屋外配电装置、屋内的各种电器设备、厂房和主控楼等各处进行了敷设接地网的位置，敷设接地网要布置成环形，而且接地网的连接干线要两根以上；
5.4.4为了避免接地线出现松动而影响接地效果，连接处应使用塔焊，搭接长度为扁刚度的2倍。

对于直接接地的变压器中性点，要采用单独接线的形式。

6 结语
水电站的建设利国利民，它的安全稳定运行不仅有利于企业可持续发展，而且对于社会效益和经济发展也起到了非常重要的促进作用。

水电站电气一次设计的安全性、可靠性、稳定性，将直接提高水电站的安全运行稳定性，使得水电站最大化发挥社会、经济效率。

参考文献：
【1】龚定文基于水电站电气一次设计的技术研究，内蒙古水利，2020-1(209)； 74-76
【2】李强、温凤香、罗晓雪、李伟卡基娃水电站电气一次设计技术特点浅析，维水电站设计，35-2(2019-6)； 22-25【3】姜立军浅谈水电站的电气自动化及其电气一次设计，规划设计； 134
【4】符志显、陈红生浅谈水电站电气一次设计，电压电器，2019-11；275
【5】姜鹏水电站电气一次设计思路浅析，节能减排；170-171
【6】董卓识水电站电气一次设计特点研究，智能制造，282-283。