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低压机组水电站现代化改造的优化设计 章文裕 （大田县水利局 福建大田 366100） ☆ 原载《中国水能及电气化》杂志2012年第1期（总第84期）☆ 摘 要：针对低压机组小容量水电站的特点，结合大田县小水电改造的实践经验，论述了该类小型水电站更新改造时水轮发电机、励磁装置、同期装置、保护装置、显示仪表以及输电设备的选型优化，并讨论了小水电的科学管理问题，以促进农村小水电的现代化进程。 提 示：文中所提及的STK-W-3C微电脑控制器、微电脑综合保护设备（JY和JYL系列过电流、过电压、过频率保护等多种组合装置），是厦门金雨科技有限公司的产品。 本文根据福建省大田县小水电站改造的实践经验，论述低压机组小容量水电站现代化改造的优化设计。 ⒈低压机组水电站的现状特点 当前，低压机组的设计、施工、装备水平，都比高压机组水电站差，其运行维护管理也相对落后。分析其主要原因，一是设计人员对低压机组的设计，没有很好的设计思路；二是市场上缺乏适用于低压机组的配套装备和自动化装置；三是现在小容量水电站的上网电价低，缺乏经济效益支撑。 ⒉低压机组水电站的设备选型优化 1）水轮机的优选。 在小水电改造时，应按现代化水轮机设备生产厂家的型谱性能重新进行优化选型。例如，大田县香坪水电站1995年第一期投产2台500kW机组，2000年又扩装了1台500kW机组，都是选用CJ-W-70/1×9型戽斗式手动调节水轮机。由于水轮机效率低（只有0.765），运行中损坏较严重，业主决定对整个电站进行改造。通过笔者优化设计，选用XJE-W-55B/1×10型斜击式手电动调节水轮机，效率0.852。 配套SFW700-6/990型无刷励磁低压发电机，额定发电出力700kW。现代斜击式水轮机相比原来的戽斗式水轮机，具有过流量大、转速高、效率高等优点。香坪水电站改造时优选了斜击式水轮，机组的性能大大提高，而造价却大大降低，3套机组比原型号设备的造价降低了45万元。整个水电站改造共投资90万元，年发电量从原来630万Kw·h提高到800万Kw·h，经济效益大大提高。另外，小水电站使用的水轮机，选择手电动调速器，即可完全配合发电机的自动调节励磁，实现自动开停机及负荷调节。 2）调速控制装置的优选。小水电站水轮机组运行调速控制装置的设计选型，要求简单、可靠、适用、造价低廉，只要在开机和跳闸时按需要自动调节，在并网运行中能根据水情需要，手动或自动增减出力就可以。 STK-W-3C微电脑控制器 能很好地满足小型水电站的要求。该控制器利用水轮机的手电动调节装置，能在机组运行的各种工况下完成所需要的调节操作，还兼有同期、过频率保护和按前池水位自动增减负荷、水情异常报警、显示机组运行的频率和电压等功能，且质量可靠、操作简便、性价比高，适用于小型水电站。应注意的是，该控制器要求机组在各种状态下都要有可靠的交流电压。 3）发电机的优选。 目前，小型水电站广泛使用的大多是早期生产的直流励磁机、自励恒压或可控硅励磁、B级绝缘、效率低的低压发电机。现代农村电网中的小水电站，应该全面推广使用无刷励磁、F级绝缘的低压发电机，其容量已经可以做到1600kW，转速可以低到100r/min。例如，香坪水电站在改造前是2台直流机励磁和1台可控硅励磁、500kW、990机座、B级绝缘、750r/min发电机。改造时选用3台990机座、F级绝缘、1000r/min、额定出力700kW的无刷励磁发电机。在原机座（990机座）位置上改装使用（包括水轮机，整套机组的安装改动不大）。与2010年福建省某县的一座同样水力条件、同规模的水电站改造效果相比，香坪水电站节省投资45万元，水能利用率和综合发电效率又多了约27个百分点。 4）励磁装置的优选。自动调节励磁装置是水轮发电机组安全并网、优化发电运行的关键设备。它关系到机组能否随有功出力变化、电网电压变化，根据无功发电出力的要求进行自动智能调节，并且在开机并网前自动跟踪电网电压，跳闸后在一定频率范围内保持额定电压，使自动调速器和事故照明正常发挥作用。笔者研发了几种适应无刷励磁（或直流励磁机励磁）低压机组的智能多功能励磁调节装置。第一种是用2个单相调压器与控制变压器组成手动励磁调节，该装置价格低廉、简单实用。并网状态下自行维持一定的功率因素，跳闸后又能自动回复到空载励磁的位置。第二种是用1个较简单的可控硅自动励磁调节器（具有恒压或兼有恒功率因素）与单相调压器、控制变压器组成手动、自动混合励磁调节方式。第三种是用更具智能化的可控硅自动励磁调节器（具有恒压、恒励磁电流、恒功率因素和恒无功功率）与单相调压器、控制变压器组成手动、自动混合励磁调节方式，适用于较大机组。第四种是利用IGBT开关管的自动调节励磁装置。 5）同期装置的优选。现在，同期装置的产