冯家山一级水电站增效扩容改造电气设计
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摘 要：冯家山一级水电站现存的电气一次设备老化严重、二次设备智能自动化水平较低，严重影响了电站的安全稳定运行，文章在对这些问题进行分析的基础上，对电站增效扩容改造内容及电气设备选型等内容进行了深入探讨。
关键词：冯家山；水电站；增效扩容；电气改造
中图分类号：TV74 文献标识码：A 文章编号：1006-8937（2015）21-0005-02
1 工程概况
冯家山水库是以灌溉为主，兼顾防洪、发电、供水、养殖等综合利用的大（2）型水利工程。水库枢纽工程位于宝鸡市陈仓区桥镇乡冯家山村下的千河河谷中。水库设计库容4.13亿m3，调节库容2.86亿m3，防洪库容0.92亿m3，死库容0.91亿m3，水库控制流域面积3 232 km2，设计灌溉农田136万亩。工程枢纽主要由拦河大坝、泄洪洞、溢洪洞、非常溢洪道、输水洞、电站工程等建筑物组成。主要建筑物为2级，次要建筑物为3级。
2 电站电气一二次的现状
2.1 电气一次现状
2.1.1 主变压器及水轮发电机
变压器型号：SJL1-3150 kVA/35/6.3 kV；额定容量：3 150 kVA；接线组别：Y，d-11；阻抗电压：7.0%；功率因数：0.8。
水轮发电机机组型号：TSL 260/42-24；额定容量：1 250 kW；额定电压：6.3 kV；额定电流：143.2 A；功率因数：0.8；额定转速：250 r/min；效率：93.5%。
2.1.2 发配变电设备现状
冯家山水库一级水电站安装TSL260/42-24水轮发电机两台，采用手动准同期方式进行并网运行。发电机母线电压为6.3 kV，通过一组TMY―80×10硬母线引至户外1B主变压器，同时用ZLQ21-10/50电缆送至2B主变压器。该站从坝区124回路溢洪洞进口变压器（250 kVA）低压侧取得电作为厂用电常用电源，另外在35 kV母线侧加装一台容量为80 kVA变压器作为厂用电备用电源。选用BZGN-1-20/220型镍镉蓄电池屏作为直流电源，同时用作全站的控制保护电源。选用两台KYN-10-06（D）高压柜作为发电机出线控制柜；电压互感器柜型号为KYN-10-44，两台主变6.3 kV侧进线柜型号为KYN-10-14（D）和KYN-10-04，另外还有一台连接一、二级站的6.3 kV母线联络柜KYN-10-06（D）。35 kV出线断路器为DW8-35/600型。该站高低压开关柜及配电设备大部分为淘汰产品，并且已超过电气设备的使用寿命年限，应予以更换。
2.1.3 电站厂用电
水电站厂用电采用380/220 V三相四线制供电系统，单母线接线。
2.2 继电保护现状
2.2.1 继电保护配置
冯家山水库一级水电站水轮发电机组、变压器、线路继电保护，经现场查看，主要包括：
①水轮发电机：纵差保护、低电压闭锁过电流、过电压、失磁、过负荷、转子一点接地等。
②主变压器：纵差保护、复合电压过电流、瓦斯、温度保护、过负荷、过励磁、零序保护。
③输电线路：限时电流闭锁电压速断；后备保护；过电流等。
2.2.2 同期直流励磁系统
同期装置为手动准同期，操控繁杂。直流电源为镉镍蓄电池，蓄电池漏液严重、维护复杂，且配件不易购置。励磁系统采用直流励磁机励磁，励磁方式落后、能耗大，使用以后故障较多、并网困难，影响机组安全运行。
3 增效扩容改造内容及电气设备选择
3.1 增效扩容改造内容
结合冯家山水库一级水电站电气设备存在的问题，设计对水轮发电机，励磁系统，电气一、二次设备进行改造，并提高电站的综合自动化程度。改造只改造两台机组（1#、2#），具体包括以下几方面：
①根据水轮机出力，选择更换原水轮发电机。
②电站的高压开关柜进行更换改造。
③低压配电屏及动力控制箱更换改造。
④电站的综合自动化系统（机组控制、开关控制，机组、线路、变压器保护）更换改造。
⑤电站直流电源系统更换改造。
⑥电站励磁系统更换改造。
⑦电站调速器控制系统更换改造。
3.2 电气设备选择
3.2.1 发电机选择
改造后发电机的性能符合国家标准GB/T 7894-2001《水轮发电机基本技术条件》、GB/T 755-2000《旋转电机定额和性能》等相关标准的规定。
改造后发电机主要参数：型号SF-K 1250-20/2600；额定功率1 250 kW；额定电压6 300 V；额定电流143.2 A；额定转速300 r/min；效率96.0%；频率50 Hz；功率因数0.8。
3.2.2 主接线方式的确定
冯家山渠首一级站主接线采用单母线接线方式，其中包括二级水电站并入接线。
在二级电站改造时已经把1B主变压器及35 kV侧电气全部更换，此次只对一级站0.4 kV和6.3 kV电气设备和10 kV变压器（容量为1 600 kVA）进行改造。
3.2.3 电站厂用电
电站厂用电采用380/220 V三相四线制供电系统，备用厂用电电源接自坝区124回路溢洪洞进口变压器低压侧，常用厂用电电源接自35 kV厂用电低压侧母线（与二级站共用），厂用变压器容量为200 kVA（备用变压器同时考虑二级站）互为冷备用，提高了水电站厂用电的可靠性。
3.2.4 直流系统改造
电站直流电源现采用老式BZGN-1系统镉镍蓄电池屏，蓄电池存在漏液严重、维护复杂等问题。蓄电池爬碱严重，接线端子大部分锈蚀。对电站直流电源必须更换改造，改造采用先进的微机高频开关免维护直流电源装置，装置型号为GZDW，电池容量为100 Ah。 3.2.5 变电站改造
改造变电站的接线方案维持原接线形式不变，鉴于变电站大部分电气设备年久老化，绝缘强度降低，事故率高，并且变压器属高耗能产品，故改造更换变电站所有电气设备，内容包括：主变压器、厂用变压器。
2B主变：S11-1 600 kVA/10.5±2.5%/6.3 kV。
阻抗电压：6.5%；结线组别：Y，d11。
10 kV隔离开关：型号GW9-12/200-6.3 kA；额定电压12 kV；额定电流200 A；额定开断电流0.2 kA；额定峰值耐受电流6.3 kA。避雷器：型号HY5WZ-17/51；额定电压51 kV；残压134 kV。
发电机出线开关柜：型号KYN28-12-04。
①真空断路器：型号VBG-12/630-25 kA；额定电压12 kV；额定电流630 A；额定开断电流25 kA；额定峰值耐受电流50 kA。
②电流互感器：型号LZZBJ9-10；额定电流比200/5 A；准确度级0.5/10P10。
6.3 kV母线PT柜：型号为ETY-J/X-7.2 kV。
①电压互感器：型号JDZJKX-12；额定电压6 kV；额定电压比：6.3//0.1//0.1/3 kV。
②高压熔断器RN2-12/0.5A。
③避雷器：型号EAT-5D-8/600；额定电压8 kV；残压26.2 kV。
开关柜，选用三台型号为KYN28-12-58的开关柜。
①真空断路器：型号VBG-12/630-25 kA；额定电压12 kV；额定电流630 A；额定开断电流25 kA；额定峰值耐受电流50 kA。
②电流互感器：型号LZZBJ9-10；额定电流比200/5 A；准确度级：0.5/10P10。
发电机出口引线电缆的选择：按最大长期工作电流选用YJV型电缆，电压等级10 kV，按经济电流密度选择电缆截面为3×150 mm2。
厂用电配电箱柜：电站原低压配电屏为开敞式结构，柜内开关、母线裸露安装、操作安全性差，装置外壳、二次接线端子锈蚀严重，故障多、不能进行正常运行。根据电站实际，设计选用GGD2型交流低压配电屏和XL-21型低压配电箱。
3.2.6 控制、保护、同期
考虑该水电站属于小型水电站，设计采用全套微机测量、控制、保护设备，实现机组与闸门控制自动化；其计算机监控系统作为上位机，实现与远程监控中心之间的数据传输、故障录波、运行记录等。
①全厂监控系统。
采用计算机监控系统为主，简化常规为辅的模式。监控系统采用分层分布式全开放系统，便于系统的扩展。监控系统由厂级计算机层和现地控制单元组成，现地控制级有LCU，执行对应于机组，开关站、公用设备等的实时监控。LCU即作为全厂监控系统的现地控制层，向电厂上级上行发送采集和各种数据、事件信息，接受电厂级的下行命令对设备进行监控，在上位机或网络故障时又能独立工作。
②继电保护。
采用微机保护，继电保护装置配置为：
发电机：纵差保护；复合电压过电流保护；定子过电压保护；定子过负荷保护；发电机转子一点接地保护；发电机定子单相接地保护；水机保护。主变压器：纵差保护；复合电压/过电流保护；低压侧过电压保护；重瓦斯保护；轻瓦斯保护；油温升高保护。35 kV线路：过电流保护；单相接地保护。
③同期。
冯家山水库一级水电站选用自动准同期和手动准同期，同期点设在发电机6 kV出线真空断路器处。微机自动准同期作为正常同期方式，手动准同期作为备用同期方式，全站设一套手动准同期装置。
4 结 语
冯家山一级水电站建于1992年，由于技术条件和设备条件等原因，电气设备现存老化严重、机组效率不高、自动化程度低、能耗高等问题，水力资源没有得到充分利用，严重制约电站效益的正常发挥。通过合理计算分析，优选先进智能的电气设备和继电保护装置，有效地提高了电站电气设备运行的安全可靠性和节能经济性。
参考文献：
[1] 西北水利水电建筑勘测设计院.冯家山一级水电站增效扩容改造项目初步设计[R].2012.
[2] 王连庆.对小型水电站电气一次主接线形式改造的初步探讨[J].红水河，2014，（3）.
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