新型配套设备在农村小水电站的应用

    摘要：随着小水电代燃料生态保护工程的实施，农村小水电站将越来越多地采用无人值班技术和小水电站新型配套设备，从而减少农村小水电站的运行成本，提高电站可靠性，本文分析了农村小水电站设备的生产和技术方面存在的问题，介绍了弹簧蓄能型和氮气罐储能型的水轮机操作器的原理。 
    关键词：农村小水电站新型设备新技术 
    1前言 
    我国小水电资源非常丰富，目前拥有小水电站4.3万多座。大多数小水电站分散开发，就地供电，具有发供电成本低的优势，解决了边远地区农村用电问题。全国近1／2的地域、1／3的县和1／4的人口主要靠中小水电供电。但多数小水电站沿袭几十年来的一贯模式，采用常规设备与技术，自动化程度低下，元器件品种繁多，体积庞大，操作复杂，维护困难，发挥不了应有的生产效益。特别是农村小型水电站（AC400V630kW及以下低压机组）为降低造价，水轮机操作器和发电机励磁设备十分简易，自动化程度相当低，运行成本高，并存在着安全隐患。 
    随着小水电代燃料工程的实施，农村小水电站自动化技术改造推广应用，原有的水轮发电机组配套的操作器、励磁设备存在与自动控制不匹配的问题，如果采用微机型的调速器和励磁系统，往往价格很高，不适合在农村小水电推广。市场需求的推动，促进了应用新技术、新材料、新工艺开发适合小水电自动化改造的新型配套设备的开发研制。水利部农村电气化研究所本着“经济实用、安全可靠”的原则，不断设计、改进、完善小水电站新型配套设备，开发了一系列新型产品，包括：HPU液压控制柜（氮气罐储能）、TC型（弹簧蓄能型）水轮机操作器、无刷励磁调节器、框架式断路器和新型防雷与抗干扰装置等。这些新型设备与电站自动化系统配套使用,可以降低系统造价，更好地发挥自动控制性能，特别适用于经济与技术相对落后广大农村小水电站。 
    2新型配套设备介绍 
    下面分别介绍TC型水轮机操作器、HPU液压控制柜、无刷励磁调节器、框架式断路器、防雷与抗干扰装置等一些新型配套设备。 
    2.1HPU液压控制柜 
    （1）工作原理 
    HPU液压控制柜部分，在功能上相当于常规设计中的电液调速器。采用了高压齿轮泵、液压阀等标准液压件，工作可靠，标准化程度高。液压控制柜采用工作于脉冲状态的直流或交流电磁阀，通过控制高压油路的通断，直接推动导叶接力器。装置内无任何机械传动机构，避免了机械杠杆的死区及卡死现象，可靠性和稳定性高。采用高压气囊式蓄能器储能，胶囊内所充氮气与液压油不直接触，油质不易劣化，氮气极少漏失，不需经常补气，同时省却了电站的高压气系统，既节省了投资，又方便了维护。在结构上，由于工作油压高，整个装置布置紧凑，体积小，重量轻，维护方便。装置与接力器之间采用软管连接的方式，省去了调速轴，使得柜体可布置在机旁任意位置，并方便于移动。同时可根据用户要求控制机组制动系统。压力测量控制采用压力变送器和数字仪表，控制安全可靠，测量显示直观，并可通过通讯接口与上位机进行数据通讯。 
    开机、停机以及紧急停机时间可分别整定，开机、停机时间可在30-90S内任意整定，紧急停机时间可根据不同电站“调保计算”要求，在2－28S内整定。 
    动作原理为： 
    正常开停机时，控制系统发出控制信号控制液压控制柜上的开停机电磁阀，接通系统中的开/停机回路，高压油推动接力器，打开或关闭导叶。当机组系统发生事故时，由发电机/水轮机保护模块发出信号，动作于紧急停机电磁阀，使机组紧急停机。 
    （2）结构组成 
    装置主要由以下几部分组成:紧急停机电磁阀、控制电磁叠加阀、油泵、电机、气囊式蓄能器、过滤器、压力传感器、油箱、电气控制等。 
    HPU液压柜采用分布式结构，油箱与控制阀组等集中于一个封闭的柜体内，柜门上可以用钥匙锁住。避免了一些非运行人员的不适当操作，使内部设置改变，而导致液压柜的电磁阀等误动作的事故。 
    在布置上，箱体采用上中下三层的结构，下层为整体的油箱，油箱面上的液位计可以直观地看到油箱的油位，液位发讯器在低油位时可发出报警信号，卧式油泵置于箱体上，与油箱上的电机联成一体，提供系统的高压油。中层的阀块组和滤油器等形成控制回路，高压油通过软管对接力器进行控制。蓄能器里储存高压油为接力器的操作电源，可根据需要与减少尺寸的要求布置在箱体的侧面或正面。上层为油泵控制系统电气设备,完成油泵的自动启动和停止。 
    HPU型高油压水轮机操作器，采用了先进而成熟的现代液压技术，可在与之配套的电气部分的控制下，实现开机、并网、增减负荷及带负荷运行；机组故障时，能可靠的实现紧急停机。该操作器结构简单、运行可靠、性能优良、操作维护方便。对无调频要求的水电站，是操作、控制水轮机的理想产品。 
    2.2TC型水轮机操作器 
    TC型操作器由电机（或手摇）驱动，经传动机构和蓄能弹簧推动接力器活塞，使机组开机停机、整步并网、增减负荷、稳定运行。开机时，接力器内蓄能弹簧增大压缩，蓄能待发。当远方揿紧停按钮时，电磁控制机构失压，滚轮传动脱扣机构迅即动作，蓄能弹簧推动活塞按“调保计算”要求先快后慢自动关机；如在机旁按紧停操纵杆，就同YT型调速器手动操作紧停杆一样，导水机构迅即按“调保计算”要求关闭；当接到各类事故信号（包括定子三相短路）时均能失压脱扣，自动关机。关机时间可根据不同电站“调保计算”要求，在2－28S内整定。在无电源的情况下，同小型调速器失去油压一样，可手动开机升压后即改电动操作（失去油压的小型自动调速器只能靠大手轮操作），而紧急关机则不必手扳，仍可同有油压时的小型自动调速器一样，能自动紧急关机。显然，TC型水轮机操作器除自身无自动调节功能之外，所有功能与小水电普遍采用的YT型自动调速器完全一样，而相对于油压突然消失时的自动调速器来说，TC型操作器更为安全可靠。该设备与农村小水电站自动控制系统配用后，即具备自动整步并网及自动调频的功能，非常适合于以并网带基荷为主偶尔要单机调频或参与调频运行的机组。 
    由于TC型操作器结构简单，安装、检修、调试均十分方便，一般的电站机修工均可胜任；无油泵；耗电省，节能效益非常显著；相对配用自动调速器而言，可省去飞摆电源及微电机控制保护等设施，简化了机电设计，减少了厂房面积，降低了电站造价。 
    此外，利用滚动脱扣机构这一接触传动的特点，还可解决农村水电站运行管理工作中一个带普遍性的难题，那就是水轮机导水机构易变形损坏，水轮机效率下降损失严重的问题。由于农村电站水轮发电机组容量往往较小，一般在500kW以下，导叶连杆机构多不设剪断销。当采用全手动关机遇木石卡阻时，运行人员多采用强力（用加力杆、脚踩，两人扳等）关闭办法，机组是停下来了，导叶却已变形，或者导叶拐臂断裂而被迫停机检修，这类故障次数越多（在农村水电站中常见），导水机构损坏越严重，水轮机不对称入流现象也越严重，机组效率下降的损失就越大，而TC型水轮机操作器当强力关至空载开度后，上述接触传动的结构特点，可确保强力再加不到受阻导叶上，可避免或大大减少导水机构的损坏，这是其它水轮机控制设备所不具备的。 
    TC型水轮机操作器于1990年5月通过水利部农电司鉴定，并列为水利部重点推广项目，91年获国家发明专利证书，专利号为86102310.2，92年被评为水利部科技进步三等奖。该设备正以其先进的技术指标、安全实用、能耗低、投资省的优势，相继在浙江、福建、湖北、湖南、四川、广东、广西、河北、云南、吉林、辽宁、江西、西藏、陕西、黑龙江等省区的小水电站中被采用。 
    2.3无刷励磁调节器 
    无刷励磁调节器控制无刷励磁同步发电机的励磁机的励磁电流,主要用于小型同步发电机组的励磁电源的自动调节。该调节器能满足发电机单机或并网等运行要求。 
    无刷励磁系统比静止可控硅励磁系统降低成本三分之二，与自动控制系统配套使用，既可以降低电站自动控制系统的造价，又可以提高系统的性能与可靠性。 
    （1）励磁系统调节原理 
    系统的励磁功率来自于电网或发电机本身，通过整流变压器和可控硅单相全控整流桥，向发电机的无刷励磁机提供一个可调节的直流电流，实现自动励磁。 
    控制器主要由以下单元组成： 
    输入信号处理单元；A/D单元；电源单元；CPU运算处理单元；触发输出单元；报警输出单元；显示按键单元和串行通讯单元。 
    励磁调节方式有以下几种：手动、自动恒压、电网跟踪、恒功率因数、恒无功。以上几种调节方式可以机旁切换选择。 
    当调节器出现失控、过压、断相、强励等状况时，发出报警信号，报警灯亮，报警状态显示：1-失控，2-过电压，4-断相，8-强励。失控表示调节器对电压失去控制，过电压是机端电压高于过电压设置值，当机端电压由于断线、断相引起信号消逝，发出断相报警，控制器限制励磁电流到空载。 
    当调节器过压时，输出报警信号的同时输出停机信号，停机灯亮。 
    （2）特点 
    功能齐全，可靠实用；响应速度快，动静态性能优越； 
    检测、控制、调节设置和触发采用微机数字化，移相精度高，漂移小，稳定性好； 
    备有微机串行通讯接口，能满足提高电站自动化水平的需要； 
    结构新颖，更换方便，检修容易。 
    2.4框架式断路器 
    在我国农村小型水电站中80是低压机组（出线电压AC400V），由于电压等级低，单机630KW以上的发电机组电流很大，受开关断路器限制，800KW及以上机组，一般采用高压模式，如果采用低压机组方式可以降低成本30。 
    新一代框架式断路器向塑壳化、模块化发展，大容量(6300A)框架式断路器从拼装式向整体式发展，并进一步缩小产品体积。由于框架式断路器具有高分断、高机械寿命，并能作为手动综合启动器使用的特点；有助于800KW及以上机组采用低压出线方式，降低电站造价。
进入九十年代以来，随着微电子、计算机、通信技术等领域的飞速发展，目前国际上发达国家已向智能化可通讯方向发展，其配套使用的低压元器件如：万能式断路器、塑料外壳式断路器和控制电器均已具备智能通讯接口功能，如ABB公司的F系列断路器、施耐德公司的M系列、西门子公司的3WN系列等。目前我国正在研制开发带通讯接口的万能式断路器和现场总线方面的产品，产品性能向高性能、高可靠性发展，重点提高额定运行短路分断能力和短时耐受电流，同时提高分断可靠性和动作可靠性。在保护功能：进一步完善多样化、智能化功能并向可通信方向发展。 
    2.5防雷与抗干扰装置 
    随着计算机技术的发展,水电站已越来越多地采用计算机控制系统,典型的应用有:水电站计算机监控、微机调速器、微机励磁装置、微机保护等，而水电站现场雷击与干扰都比较严重，一但现场干扰进入微机将严重影响微机运行，甚至产生误动作，引起事故。所以，计算机控制系统应特别注意抗干扰问题。 
    通过多级能量泄放模块将雷击或操作过电压引起的暂态干扰中的大部分能量吸收泄放入地，而快速限压模块主要是及时削减干扰电压，以免高电压冲击造成计算机和通信系统内集成块永久性损坏。合理选用气体放电管、压敏电阻、抑制二极管和半导体放电管等避雷器件，并进行有效组合，可以有效的保护计算机与电信设备。特别是抑制二极管简称TVS的两极受到反向瞬态高能量冲击时，它能以10-12秒量级的速度，将其两极间的高阻抗变为低阻抗，吸收高达数千瓦的浪涌功率，使两极间的电压箝位于一个预定值，有效地保护电子线路中的精密元器件，免受各种浪涌脉冲的损坏。它比使用压敏电阻进行浪涌保护优越得多。具有响应时间快、瞬态功率大、漏电流低、击穿电压偏差小、箝位电压较易控制、体积小等特点。 
    3新型配套设备应用前景 
    根据水利部《农村水电技术现代化指导意见》文件的关于新建水电厂都要按无人值班（少人值守）进行设计和建设、老电站技术改造与2010年前全部实现无人值班（少人值守）的任务要求，以及小水电代燃料生态保护工程的实施，农村小水电站将越来越多地采用无人值班技术和小水电站新型配套设备。稳定可靠、性价比高、易于运行维护的系列新型配套设备将具有十分广阔的市场前景，为农村小水电站的安全稳定运行提供保障。