摘要：基于國內現有小型水電站的設備及技術人員配置，詳細介紹了水輪機的選擇方法及原理、擬定主電氣的接線技術與方式、電氣測量和同期裝置及保護變壓器裝置的設計等與小型水電站密切相關的實用技術。該研究對于小型水電站的設計具有重要的研究、參考價值。
關鍵詞：小型水電站；設計；設備配置
0 引言
小型水電站設計是電站建設的重要環(huán)節(jié)，設計方案的優(yōu)劣直接關系到水電工程的造價，這往往是工程能否立項的關鍵，而合理的設計理論和方法，既可達到降低工程造價，又可縮短工期的目的，同時也能保證小型水電站的建設質量，這對小型水電站的建設具有非常重要的意義。針對小型水電站機組容量小、設備結構、運行人員技術水平相對較低的特點，結合本人多年實踐經驗，本文將主要介紹水輪機的選擇、擬定主電氣的接線、電氣測量和同期裝置及保護變壓器裝置的設計等有關問題，同時根據自己的設計成果，以及在縣小型水電站上的運用實踐，提出了具體的設計方法。
1 選擇水輪機組
水流的動能和勢能轉換成機械能就是通過水輪機來實現的，水輪機的選擇是依據水的流量和水頭大小進行，選擇是否合理，會直接影響到水輪機機組的效率和運行的安全性和經濟性，合理選擇小型水電站水輪機對于水電站的建設是十分重要的。
（1）選擇機組的臺數。電站機組臺數多少是根據上游的水資源或水庫蓄水量計算，同時也要考慮電站工程的造價和維修費用情況，這與發(fā)電效益以及管理工作人員也有密切的關聯，同時考慮到今后為方便機組的零配件更換和維修管理，機組的型號應該盡可能一致。
（2）選擇水輪機組。水頭 20～450 m 可選擇反擊式：混流式、軸流式、斜流式和貫流式，目前國內應用比較廣泛，機組結構簡單，運行可靠、效率高。40 m 以下低水頭可選擇軸流式、定槳式，適用于平地河道上，水輪機槳葉固定在轉輪體上，當水頭及負荷變化時，槳葉不能完全適應水流情況，因此平均效率較低，只適用于水頭負荷變化不大的水電站。選擇水輪機組型號還要考慮水輪機生產廠家及其技術水平，要確保水輪機組運行穩(wěn)定，最好處于水輪機運轉特性曲線圖的高效區(qū)。機組運行時，水頭的變化不要超過水輪機性能表的水頭范圍，如果超過水輪機性能表的水頭范圍會加劇水輪機汽蝕和振動，會直接降低水輪機效率。
（3）確定機組安裝的高程。30～450 m 的水頭，安裝水輪機組時高程不能超過水輪機允許的最大吸出高度，超過這個高度會造成水輪機轉輪的汽蝕、振動等現象，并且會縮短發(fā)電機機組的運行壽命。依據機組高度的計算公式有以下 2 種機組的安裝高度：
立式機組：�安=Z下+hs-�/900
臥式機組：�安=Z下+hs-�/900-D/2
式中，Z下為尾水渠最低水位（m）；hs 為水輪機理論吸出高度（m），通過查水輪機應用范圍圖及 hs=（fH）曲線可得出；D 為水輪機轉輪直徑（m）；�為水電站廠房所在地的海拔高程（m）。
依據多年的實踐經驗，為了消除或減輕水輪機汽蝕，可將計算出的�安降低0.2～0.3 m確定安裝高程。
2 擬定電氣的主接線
電氣主接線是小型水電站電氣設計的主體和依據，它與電網特性、電站規(guī)模、水能參數、樞紐條件以及電站運行的可靠性、經濟性等密切相關，并對電氣設備的布置、設備選型、繼電保護和控制方式等都有很大的影響。因此，小型水電站電氣主接線的可靠性和經濟性是小型水電站電氣設計的首要任務。小型水電站的電氣主接線是運行人員進行各種操作和事故處理的重要依據。裝機容量一般有限，往往裝機臺數不超過5 臺，相應小型電站的電壓等級和回路數以及主變的臺數都應較少。考慮到小型水電站單機 100 kW以下的微型電站的機電設備供應比較困難，運行人員和管理人員的文化、業(yè)務水平普遍比較低，對熟練掌握操作、檢修、處理故障以及運行等有一個過程。所以，小型水電站的電氣主接線在滿足基本條件要求的前提下，要力求采用簡單、清晰且符合實際需要的接線方法。
如果是單臺機組，最好采用發(fā)電機與變壓器組單元接線，假設是多臺機組，最好采用單母線不分段接線，共用 1 臺主變；其他機組，最好采用2 臺主變用隔離開關進行單母線分段，這樣可以提高運行的靈活性。
3 同期裝置及電氣測量
利用微機自動準同期裝置是實現小型電站中同步發(fā)電機快速并網的最優(yōu)控制手段，也是節(jié)約機組并網前空載能耗、機組故障時快速投入備用機組、保證系統安全穩(wěn)定運行的重要保障。并入電網運行的小型水電站電氣監(jiān)視和測量范圍包括：三相交流電流、三相交流電壓、使用換相斷路器和單只電壓表測量三相電壓、有功功率、功率因數、頻率、有功電能、無功電能、勵磁電流和勵磁電壓等。為了方便電氣測量值的獲取，其中電機的測量、監(jiān)視表計、斷路器、互感器和保護裝置等要裝在控制屏上；為了優(yōu)化電氣測量部分的控制及操作，發(fā)電機控制屏、電網的表計、斷路器、同期裝置等也應安裝在同屏總屏上。
4 保護裝置
設計小型水電站主保護裝置的配置應在滿足繼電保護基本要求的前提下，力求簡單可行、維護檢修方便、造價低及運行人員容易掌握等。
（1）保護過電流。如果 1 臺機組 750 kW 以下，最好采用自動空氣斷路器的過電流脫扣器作過流、短路保護，自動空氣斷路器的動作整定值可以通過調整銜鐵彈簧拉力來整定，整定值一般為發(fā)電機額定電流的 1.35～1.7 倍。如為更好地提高保護的可靠性，也可采用過流繼電器配合空氣斷路器欠壓脫扣器作過流及短路保護，繼電器線圈電源取自發(fā)電機中性點的 1 組 3 只電流互感器，繼電器動作值亦按發(fā)電機額定電流的 1.35～1.7 倍整定。保護原理；當發(fā)電機出現短路故障時，通過過流繼電器線圈的電流超過其動作值，過流繼電器常閉接點斷開，空氣斷路器失壓線圈失電而釋放，跳開空氣斷路器主觸頭，切除故障元件以保護發(fā)電機組安全。
（2）保護欠壓。當電網停電時，由于線路上的用電負荷大于發(fā)電機容量，此時電壓大幅度降低，空氣斷路器欠壓線圈欠壓而釋放，跳開空氣斷路器，以防電網來電造成非同期并列。
（3）保護水阻飛逸。當發(fā)電機因某種原因，例如短路、長期過載、電網停電等突然甩負荷后，機組轉速會迅速升高，這種現象叫飛逸。如果不及時關閉調速器和勵磁，可能造成事故。如果未采用電動調速的小型水電站可利用三相水阻器作為該保護的負荷。水阻器容量按被保護機組額定功率的70%～80%考慮。如果水阻容量過大，機組甩負荷瞬間，會對水輪機組產生較大的沖擊電流和制動力，影響機組的穩(wěn)定，嚴重時會造成機組基礎松動。相反，如果水阻容量過小，達不到抑制機組飛逸轉速的目的，水阻器采用角鋼或鋼板制成三相星型、三角型均可。對于單機125 kW及以下的電站，以長為機組臺數×（0.7～1）m、寬為（0.7～1）m、深為 0.6～0.8 m 為宜，同時考慮機組容量大小，應在短時間內（如 3～5 min）不致于將池中的水煮沸。在調試水阻負荷大小時，應在水中逐漸施加水阻劑，調試水阻負荷，直到達到要求為止。
（4）變壓器的防雷措施。變壓器上有可能出現正、逆變換波的過電壓，為確保防止雷擊線路和變壓器，對于Y/Y、Y/Y0 接線的變壓器，均應在其高低壓側各裝設 1 組 3 只閥型避雷 FS-10 和FS-0.38。避雷器靠近變壓器安裝，防雷效果就較好，可以把高低壓側避雷器安裝在變壓器頂蓋邊上，同時把變壓器外殼、避雷器引地下線（最好選用 T-16 線或 GJ-25 線）與變壓器中性點連接在一起，將三者共同接地，防雷保護效果特別好。
（5）保護變壓器短路、過載。變壓器高壓側采用跌落式熔斷器（或SN10-10 型少油斷路器）作過載、短路保護。運行經驗表明，額定電壓為 6～10 kV 的跌落式熔斷器只能用在 560 kVA 及以下的變壓器，額定電壓為10 kV 的跌落式熔斷器只能用在 750 kVA 及以下的變壓器。當變壓器容量超過 750 kVA 時，應采用油斷路器。跌落式熔斷器熔絲按下列公式選擇：當Se＜100 kVA 時，熔絲額定電流 =（2～2.5）×高壓側額定電流；當 Se≥100 kVA 時，熔絲額定電流 =（1.5～2）×高壓側額定電流。
5 小型水電站廠房
小型水電站廠房分為主廠房和副廠房，主廠房包括安裝水輪發(fā)電機組或抽水蓄能機組和各種輔助設備的主機室，以及組裝、檢修設備的裝配場。副廠房包括水電站的運行、控制、試驗、管理和操作人員工作、生活的用房。引水建筑物將水流導入水輪機，經水輪機和尾水道至下游。當有壓引水道或有壓尾水道較長時，為減小水擊壓力常修建調壓室。而在無壓引水道末端與發(fā)電壓力水管進口的連接處常修建前池。為了將電廠生產的電能輸入電網還要修建升壓開關站。此外，尚需興建輔助性生產建筑設施及管理和生活用建筑。
6 結語
小型水電站是發(fā)展山區(qū)經濟的支柱性產業(yè)，被當地視為脫貧致富的途徑之一，大力發(fā)展小水電事業(yè)將有利于縮小城鄉(xiāng)差別、改善農村生產生活條件，對于推進地方農業(yè)生產、提高農民收入、加快脫貧步伐、促進民族團結、維護社會穩(wěn)定，具有不可替代的作用。小水電開發(fā)通過投資拉動、稅收增加和相關服務業(yè)的發(fā)展，將地方資源優(yōu)勢轉變?yōu)榻洕鷥?yōu)勢、產業(yè)優(yōu)勢，以此帶動其他產業(yè)發(fā)展，形成支撐力強的產業(yè)群體，有力促進地方經濟的全面發(fā)展。實踐證明，按以上原則設計配置既可滿足技術要求，又具有良好的經濟效益。
